APD前置放大模塊電路建模與仿真分析

1、 中圖分類號(hào):TN702文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-2552(2007 12-0044-03APD 前置放大模塊電路建模與仿真分析王致遠(yuǎn)(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院, 重慶400065摘要:采用S AC M 2APD , 模型, W ; 信號(hào)沿上升下降時(shí)間為6ns , -3dB 帶寬約為73MH z , 。關(guān)鍵詞:S AC M 2APD ; of APD preamplifier moduleand simulation analysisWANG Zhi 2yuan(College of Optoelectronic E ngineering , Chongqing U niversity

2、 of Posts and T elecommunications , Chongqing 400065, China Abstract :By applying S AC M 2APD circuit m odel and analyzing the pream plifier circuit ,it m odels the APD pream plifier m odule circuit and simulated the instantaneous and AC characteristics. Simulation responsibility is about 400K V W ;

3、 rising and descending time of signal edge is 6ns , -3dB bandwidth is about 73MH z. The result is as same as the actual testing value of fabricated APD pream plifier m odule circuit. K ey w ords :S AC M 2APD circuit m odel ; pream plifier circuit0引言在激光測(cè)距、激光雷達(dá)系統(tǒng)以及光纖通信系統(tǒng)中,APD 前置放大模塊因遠(yuǎn)程弱光信號(hào)檢測(cè)能力好, 作為其關(guān)鍵

4、器件, 得到廣泛的關(guān)注1。模塊主要由雪崩光電二極管(APD 與前置放大電路組成。APD 在近于雪崩擊穿電壓偏置工作點(diǎn)工作, 接收光信號(hào)形成光生載流子并雪崩倍增, 形成放大的電信號(hào)作為前置放大電路的輸入信號(hào), 在經(jīng)過固定的雪崩增益的前放電路后, 通過信號(hào)緩沖電路后輸出。本文對(duì)APD 前置放大模塊電路模型進(jìn)行討論分析, 并利用PS pice 對(duì)電路仿真, 仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)值較好的吻合。1SACM 2APD 電路模型雪崩光電二極管(APD 由于內(nèi)增益特性使得其在光纖通信、光纖傳感等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用, 而分離吸收電荷倍增結(jié)構(gòu)(S AC M 的APD 比其他類型結(jié)構(gòu)的APD 具有在相同增益下低的偏置電壓、

5、低的噪聲以及更高的帶寬特性。這里我們采用Abbas Z arifkar 研究的S AC M 2APD 電路模型2, 假設(shè)倍增區(qū)完全耗盡, 電場分別在倍增區(qū)、吸收區(qū)和電荷區(qū)保持恒定, 而在n +,p +區(qū)為零, 電路模型如圖1所示。R 1=q (1-R 1-exp (-p w p (1R 2=q (1-R exp-(p w p +m w m +c w c 1-exp (-i w i (2R 3=q (1-R exp-(p w p +m w m 1-exp (-c w c (3 R 4=q (1-R exp (-p w p 1-exp (-m w m (4R 5=q (1-R exp-(p w p

6、 +m w m +c w c +i w i 1-exp (-n w n (5C no 設(shè)為歸一化常數(shù)R p =prn C no ; R n =nrp C no ; R i =nri C no ; R m =prm C no ; R c =nrc C no ;收稿日期:2007-07-09作者簡介:王致遠(yuǎn)(1980- , 男, 微電子與固體電子學(xué)專業(yè)碩士研究生, 研究方向?yàn)楣怆娮悠骷?4 圖1S AC M 2APD 電路模型R tm =w C no p ; R tc =w C no n ; R ti =w C no n; (對(duì)InP 、InG aAs 、InG aAsP 等2n (F =n +

7、sn (1+(F /, p (F =1+p F /sp(7其中F m =w m +Yw c +Xw i; F i =XF m ; F c =YF mR pd =R p ch (w n /L p -1(8 R nd =R n ch (w p /L n -1(9 I no=qn L ch (w /L +1w p nrp sh (w p /L n (10 I po =qp L ch (w /L +1w n prn sh (w n /L p (11這里n po =n 2p /N A 、p no =p 2n /N D I m =I tm R tm C no (m nm +m pm (12 I mc =I

8、 tc R tc C no (c nc +c pc (13這里電子、空穴碰撞離化率分別由經(jīng)驗(yàn)表達(dá)式得到, 為:(F =n exp -(b n /F c n (14 (F =a p exp -(b p /F c p (15p =hv 21-2n L 2pexp -(p w p +i w ich (w /L +1L p sh (w n /L p +exp (-n w n -1n L 2p ch (w n /L p -1-n(16 n =hv p L 2n 1-2p L 2nch (w p /L n +1exp(-p w p L n sh (w p /L n +(w p L 2n ch (w p /

9、L n -1+p exp (-p w p (17這里, 由等效電路得到APD 的端電流為:I J =I n +I ti +I tc +I tm +C TdV d t(18其中C T =C s +C J , C J 為結(jié)電容, 約為:C J =o A (m /w m +c /w c +i /w i (19C s 為寄生電容, R s 為寄生串聯(lián)電阻。2前置放大電路原理在APD 前置放大模塊中,S AC M 雪崩光電二極管作為電流信號(hào)源為放大電路提供電流信號(hào)。綜合考慮, 我們研制的前置放大電路設(shè)計(jì)原理為:信號(hào)輸入級(jí)放大輸入電流并將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào); 輸出緩沖級(jí)實(shí)現(xiàn)輸出電阻匹配和緩沖作用。由于

10、雪崩光電二極管作為電流源提供電流信號(hào), 其寄生電容與結(jié)電容C T 12pF , 模塊帶寬要求為50MH z , 因此要求電路一個(gè)低輸入阻抗是必要的, 所以信號(hào)輸入級(jí)我們選擇為跨阻式放大電路。考慮到模塊噪聲和模塊的響應(yīng)度, 跨阻抗R f 值應(yīng)盡量大, 但是由于受到一定量的動(dòng)態(tài)范圍和結(jié)構(gòu)的限制, R f 不可能無限量的大, 根據(jù)技術(shù)指標(biāo)和電路平衡的考慮, 我們選擇R f =47k。為了優(yōu)化電路, 對(duì)模塊的設(shè)計(jì)如圖2所示。為了降低模塊噪聲和提高帶寬, 電路輸入級(jí)擬選用結(jié)型場效應(yīng)管(J FET , 它具有較高的輸入阻抗與低的噪聲系數(shù), 而且相對(duì)于B J T 其熱穩(wěn)定性好、抗輻射能力強(qiáng)。這里采用寬帶寬、

11、高增益J FET 共源電路作為放大電路輸入極。次級(jí)采用高電壓增益的共基級(jí)放大電路; 為了使輸出信號(hào)得到緩沖, 提高電路帶負(fù)載能力, 需要采取射級(jí)跟隨器作為輸出緩沖級(jí); 為了平衡電位, 輸出端還采用了共集PNP 晶體管射隨器放大輸出。54 圖2前置放大電路原理圖3仿真結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試比較 利用PS pice 對(duì)APD 真分析。其中APD S M 2APD 電路模型, 。我們實(shí)際研制的模塊輸入級(jí)采用低噪聲、寬帶寬、高增益的G aAs H MET , 因此根據(jù)所使用H MET 的datasheet 提供的參數(shù), 在PS pice 中對(duì)輸入級(jí)電路模型進(jìn)行編輯修改, 其中關(guān)鍵參數(shù)為閾值電壓V p =0.

12、7V , 跨導(dǎo)系數(shù)=50×10-3, 溝道長度調(diào)制系數(shù)=1. 0×10-4; 模型中,NPN型、PNP 型雙極性晶體管模型由PHI LIPS 相應(yīng)型號(hào)的產(chǎn)品提供。這里, 對(duì)APD 前置放大模塊電路模型進(jìn)行瞬態(tài)特性分析和交流特性分析。 在瞬態(tài)特性分析過程中, 我們帶入輸入光脈沖信號(hào)Pin =1mW , 信號(hào)周期為10kH z , 脈寬為100ns , 信號(hào)上升下降時(shí)間均為200ps 。在DC 耦合輸出, 負(fù)載為R L =50的情況下, 仿真得到的輸出信號(hào)波形如圖3所示, 輸出電壓幅度V 約為400mV , 對(duì)應(yīng)的響應(yīng)度為400kV W ; 信號(hào)沿上升下降時(shí)間(10%90% 約

13、為6ns ; 實(shí)際研制的APD 前置放大模塊試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如圖4所示, 示波器上顯示:DC50輸出信號(hào)電壓幅度V 為355mv , 信號(hào)沿上升時(shí)間為5. 7ns , 下降時(shí)間7. 8ns , 與仿真結(jié)果有很好的吻合。在交流特性分析過程中, 從圖5可以看到仿真結(jié)果, 電路模型的-3dB 帶寬為73MH z , 這與我們研制設(shè)計(jì)APD 前置放大模塊指標(biāo)50MH z 也較好的吻合。4結(jié)束語采用Abbas Z arifkar 研究的S AC M 2APD 電路模型以及對(duì)前置放大電路的分析, 建立了APD 前置放大模塊電路模型。對(duì)模型進(jìn)行瞬態(tài)特性和交流特性仿真分析。模擬得到響應(yīng)度約為400kV W ; 信號(hào)沿上升下降時(shí)間(10%90% 為6ns , -3dB帶寬約為圖4示波器測(cè)試瞬態(tài)特性圖5PS pice 仿真交流特性73MH z , 這與我們研制的APD 前置放大模塊實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試值相吻合。利用該模型對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)和優(yōu)化APD 前置放大模塊有較大的意義。參考文獻(xiàn):1楊