達通型硅雪蓮光電二極管噪聲檢測方法

達通型硅雪蓮光電二極管噪聲檢測方法

1si-apd的特性目前，脈沖激光測距儀的測量光源主要采用“混合鋁石榴石（ndyag）”為探測器的脈沖光源。這類儀器的測距精度一般為10m、5m,采用新技術(shù)后可達1m、0.5m;測程一般為5km、10km和20km,最大測程可達30km。但是,1.06μm的光波易受大氣中硝煙、霾、霧的影響,在傳輸過程中大氣對激光束按指數(shù)exp[2αL]分布衰減很快。若采用PIN硅光電二極管探測,其噪聲電平雖然可以達到10-14AH-1/22?1/22量級,但系統(tǒng)靈敏度因受放大器熱噪聲電平的限制,實際只能達到10-10AH1/221/22量級,且無增益;如果采用Si-APD器件探測,因其量子效率高,具有將光信號倍增10～100倍的內(nèi)增益,且倍增后的噪聲僅與放大器本身的熱噪聲電平相當(dāng),從而沖破了晶體管寬帶放大器制作水平的限制,大大提高了接收系統(tǒng)的信噪比,這是Si-APD器件廣泛用于探測1.06μm光信號的最大優(yōu)點。但Si-APD器件在倍增過程中產(chǎn)生的附加噪聲又成了限制信噪比進一步提高的障礙,目前僅探測10-8W量級的回波光功率。因此,在接收系統(tǒng)獲得最大信噪比條件下,如何確定Si-APD器件的最佳倍增因子M,以提高儀器的光探測靈敏度和測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性、可靠性是本文的中心內(nèi)容。圖1是Si-APD器件的伏安特性曲線,其中450V是其反向工作電壓的臨界線。如果Si-APD器件要獲得最大倍增因子M,則反向工作電壓應(yīng)大于420V而小于450V,它的最佳倍增因子Mopt所對應(yīng)的工作電壓范圍為360V<VR<420V,(VR為最佳工作電壓)。根據(jù)參考文獻,Si-APD器件的光探測信噪比(SNR)為SΝR=(ΜΡrηe/hv)2[ΙnΤ+2eΜ2B(Ιnp+Ιnb+Ιnd)]=(ΜΡrηe/hv)2/{4kΤB/RL+2eΜ2B[ηe/hv(Ρnp+Ρnb+Ιnd)]}(1)SNR=(MPrηe/hv)2[InT+2eM2B(Inp+Inb+Ind)]=(MPrηe/hv)2/{4kTB/RL+2eM2B[ηe/hv(Pnp+Pnb+Ind)]}(1)式中,M為Si-APD的倍增因子;Pr為探測信號功率;n為量子效率;e為電子電荷;h為普朗克常數(shù);T為絕對溫度;v為激光光波頻率;k為玻茲曼常數(shù);B為接收器帶寬;RL為等效負(fù)載電阻;Pnp為探測器輸入信號功率;Pnb為背景噪聲功率;Ind為Si-APD的暗電流。當(dāng)Si-APD器件探測1.06μm脈沖激光時,放大器噪聲、背景噪聲和器件的暗電流噪聲為主要噪聲。因此,式(1)可簡化為SΝR=(ΜΡrηe/hv)/[4kΤB/RL+2eΜ2B(Ρnbηe/hv+Ιnd)](2)SNR=(MPrηe/hv)/[4kTB/RL+2eM2B(Pnbηe/hv+Ind)](2)當(dāng)SNR=1時,由式(2)得接收器的最小可探測功率為Ρrmin=[hv/Μηe][4kΤB/RL+2eΜ2B(Ρnbηe/hv+Ιnd)]1/2(3)Prmin=[hv/Mηe][4kTB/RL+2eM2B(Pnbηe/hv+Ind)]1/2(3)當(dāng)Si-APD器件探測1.06μm脈沖激光時,根據(jù)參考文獻,放大器噪聲與背景噪聲、器件的暗電流噪聲近似相等。故式(3)可簡化為Ρrmin=[(2×4kΤB/RL)1/2(hv/e)]/Μη(4)Prmin=[(2×4kTB/RL)1/2(hv/e)]/Mη(4)當(dāng)d(SNR)/dM=0時,接收器的SNR有極大值。根據(jù)參考文獻可求出Si-APD器件的最佳倍增因子為Μopt={[Ι2nΤ+2eΜ2B(Ρnbηe/hv+Ιnd)]/[2eB(Ρnbηe/hv+Ιnb]}1/2?{[4kΤB/RL]/[eB(Ρnbηe/hv+Ιnd)]}1/2(5)Mopt={[I2nT+2eM2B(Pnbηe/hv+Ind)]/[2eB(Pnbηe/hv+Inb]}1/2?{[4kTB/RL]/[eB(Pnbηe/hv+Ind)]}1/2(5)本文采用最佳偏置電路和恒虛警率時間程序偏壓控制方法,①將國內(nèi)外兩種典型Si-APD器件(美國的C30950E和國內(nèi)的SPD-032)與前置放大級采用最佳阻抗匹配耦合,大大提高了接收信號的傳輸,有效降低了背景噪聲和負(fù)載電阻上產(chǎn)生的熱噪聲,加之與Si-APD器件封裝于一體的前置放大級采用高增益集成放大器并在工藝上采用光導(dǎo)技術(shù)傳輸,使最小可探測功率與一般前放級相比約提高一個數(shù)量級;②視頻放大器與前放級除工藝上采用緊耦合外,在保證儀器精度和信號傳輸、放大的前提下,最大限度地壓縮電路帶寬,降低噪聲和提高信噪比。因此,經(jīng)設(shè)計數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果分析比較得出儀器的最小可探測功率約提高2個數(shù)量級,探測靈敏度提高26.6%,實際測程約提高25%。2在分析和比較設(shè)計數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果時2.1前放級的輸入電阻圖2是Si-APD器件的工作原理及等效電路圖。圖中Is為信號電流;Inb為背景噪聲電流;Ind為器件的暗電流;IRL為負(fù)載電阻上產(chǎn)生的熱噪聲電流;Ci為等效輸入電容;RL為等效負(fù)載電阻;Ri為前置放大級的等效輸入電阻。當(dāng)Si-APD器件接收到脈沖激光回波信號后,經(jīng)倍增放大并轉(zhuǎn)換為電信號,在RL上產(chǎn)生的信號電壓為Vs=IsRL。顯然,RL的阻值越大,從Si-APD器件上獲得的信號電壓就越強。但是,RL的阻值必須滿足以下要求:(1)前放級輸入傳輸要求傳輸電壓比為ΚV=Ri/(Ri+RL)(6)KV=Ri/(Ri+RL)(6)式中,Ri?RL時,KV=1。這樣,才有效地將Si-APD的信號傳輸?shù)角胺偶?故前放級的輸入電阻Ri必須很高。在目前情況下,要全面兼顧前放級的高增益、寬帶寬和低噪聲等綜合要求很難做到。因此,我們在前放級的前面加入一級輸入阻抗高、但電壓增益約為1的阻抗匹配級來解決信號的傳輸損耗,然后由高增益、寬帶寬和低噪聲集成運算放大器組成視放級將信號放大。(2)前放級的低噪聲要求隨著負(fù)載電阻RL的增大,在RL上產(chǎn)生的熱噪聲電壓也增大為VnΤ=(4kΤB/RL)1/2?RL=(4kΤBRL)1/2(7)VnT=(4kTB/RL)1/2?RL=(4kTBRL)1/2(7)由背景噪聲電流和Si-APD器件中的暗電流產(chǎn)生的散粒噪聲也隨RL增大為Vnb+Vnd=[(2eΜ2B(Ρnbηe/hv+Ιnd)]1/2?RL(8)Vnb+Vnd=[(2eM2B(Pnbηe/hv+Ind)]1/2?RL(8)當(dāng)Vnb+Vnd接近于VnT時,再增大RL值不會進一步改善信噪比,故電壓信噪比的改善應(yīng)服從(SΝR)V=Vs/2VnΤ?ΙsRL/(2×4kΤBRL)1/2=Ιs(RL)1/2/(8kΤB)1/2(9)(3)前放級的帶寬要求接收器的帶寬B隨RL的增大而下降為B=1/2πRLCi(10)式中,Ci約為3.5pF～10pF,一般計算可取(3.5+10)pF/2=8.5×10-12F,F為電容單位(法拉)。2.2worm電路2.2.1半功率濾波器在保證脈沖激光測距儀的測距精度和信號傳輸、放大條件下,應(yīng)盡量壓縮電路的帶寬,利于降低噪聲和提高信噪比。接收器電路由前放級和視放級組成。它的等效電路和頻率響應(yīng)曲線分別示于圖3和圖4。從圖中可以看出,放大器的帶寬為B=fΗ-fL(11)式中,fH和fL分別取自上截止頻率和下截止頻率的中點即半功率(GP/2)點。其中fL主要來自低頻1/f和光峰值頻率1/f2的噪聲并隨頻率提高而增益下降,可以忽略不計。因此,接收放大器帶寬主要由上截止頻率即fH所決定。2.2.2濾波器的信號帶寬接收器的信號帶寬由探測器的頻響特性和前放級的濾波性能決定,即在保證電路帶寬的條件下,由激光脈沖寬度Δt和前放級的帶寬1/2πRLCi決定(與測距精度無關(guān))。根據(jù)參考文獻,對單級濾波的前放級來說,接收器的最佳信號帶寬為B=0.189/Δt(12)式中,Δt為激光脈沖寬度(ns)。由前放級和視放級組成的接收器電路,各級帶寬一般相等即B1=B2。因此,利用總帶寬計算各級帶寬為1/B=[(1/B21)+(1/B22)]1/2(13)由式(10)、式(12)和式(13)算出各種測距精度的脈沖激光測距儀所對應(yīng)的Δt、RL和B值并與實驗值比較分別列于表1。2.2.3最佳工作狀態(tài)的穩(wěn)定性Si-APD器件在最佳工作狀態(tài)(最佳反偏壓)下,由式(5)得最佳倍增因子Mopt為Μopt={(4kΤB/RL)/[eB(pnbηe/hv+Ιnd]}1/2(14)接收器的噪聲等效功率為ΝEΡ=(2×4kΤB/RL)1/2(hv/e)/(Μopt√3η)(15)接收器的最小可探測功率為Ρrmin=(2×4kΤB/RL)1/2(hv/e)/(Μoptη)(16)接收器的信噪比為SΝR=20lg[Μ2optΡ2rmin(ηe/hv)/(2×4kΤB/RL)](17)當(dāng)hv/e=1.15W/A;η=50%;e=1.6×10-19C;k=1.36×10-23J/K;Pnb=5×10-3W;Ind=50×10-9A;T=300K;B分別為37.8MHz、18.9MHz、9.45MHz和3.78MHz;RL分別為0.496kΩ、0.991kΩ、1.982kΩ和4.956kΩ時,在最佳工作狀態(tài)下由式(14)～式(17)計算出Si-APD器件的Mopt值和接收器的NEP,Prmin和SNR值并與實驗值比較分別列于表2。圖5是Si-APD器件在最佳工作狀態(tài)下的接收器電路的結(jié)構(gòu)框圖。它采用恒虛警率偏壓控制方法,由時間程序控制電路去控制前放級與視放級及Si-APD器件的偏壓,使其同步工作。當(dāng)倍增因子M隨溫度變化其噪聲超過閾值時,經(jīng)積分器與參考電平比較,自動調(diào)整和控制偏壓。接收器中視頻放大級的輸出信號經(jīng)脈沖成形電路整形后輸給計數(shù)和微計算機電路,與取樣器的起始脈沖信號比較,解算出距離,最后由顯示器和打印機將距離顯示和打印出來。2.3脈沖激光測距儀測試原理接收器的探測靈敏度與脈沖激光測距儀系統(tǒng)密切相關(guān),而儀器系統(tǒng)的靈敏度S就是對目標(biāo)的測距能力,根據(jù)參考文獻可在測距公式基礎(chǔ)上用常用對數(shù)再乘以10表示為S=10lg[ΡtΚt/(Ρrmin/ArΚr)]=10lg{[(πL2max/ρ)exp(2αLmax)][πθ2L2max/4A]}(18)式中,右邊上式是脈沖激光測距儀的內(nèi)部參數(shù),直接決定其靈敏度,與外部條件無關(guān);右邊下式是激光測距儀對小目標(biāo)的測距能力;Pt為激光發(fā)射功率;Kt為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的透射率;Ar為接收器的有效接收面積;Kr為接收光學(xué)系統(tǒng)的透射率;Lmax為最大測距能力;ρ為目標(biāo)的反射系數(shù);α為大氣衰減系數(shù);A為目標(biāo)面積;θ=θr/θt。當(dāng)脈沖激光測距儀對近距離L0=500m和大目標(biāo)(A>Ar,A>At)靶(靶面反射系數(shù)ρ0>85%,大氣衰減系數(shù)α0可忽略不計)測距,并在其發(fā)射窗前插入N(dB)衰減片達到“測距臨界狀態(tài)”時的消光比測試,則式(18)右下式可以省去πθ2L2max/4A后并變換為S=10lg[(πL2max/ρ)exp(2αLmax)]=10lg[Μ(πL20/ρ0)exp(2α0L0)]=10lgΜ+10lg(πL20/ρ0)+10lgexp(2α0L0)?Ν(dB)(19)式中,N(dB)是插入脈沖激光測距儀發(fā)射窗前衰減片的分貝值。因此,接收器的最小可探測功率可由式(18)右上式和式(19)變換得Ρrmin=ΡtΚtArΚr/Ν(dB)(20)式中,在激光測距儀的Pt,Kt,Ar和Kr為固定值條件下測試時,Prmin與N(dB)值成反比。2.4結(jié)果2.4.1脈沖激光儀測距設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)接收器:為保證測試和計算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,便于比較,按表1和表2分別選用脈沖寬度為5ns,10ns,20ns和50ns的接收器各2組,代號分別為A1和A2,B1和B2,C1和C2,D1和D2。標(biāo)準(zhǔn)儀器:根據(jù)儀器的設(shè)計要求,選用W,X,Y,Z各2臺脈沖激光測距儀,在能見度v均為18km條件下,對ρ=0.08的2.3m×2.3m軍綠色目標(biāo)測距,最大測距能力為5km,θt=1mrad,θr=0.8mrad;脈沖寬度分別為5ns,10ns,20ns和50ns。2.4.2測距靈敏度sw將上述脈沖激光測距儀的設(shè)計指標(biāo)(測距精度除外)代入式(18)右邊下式計算其靈敏度為SW=SX=SY=SΖ=40.20dB(21)2.4.3脈沖激光束并sw,x,z的測試測試系統(tǒng)如圖6所示,由脈沖激光測距儀、被測目標(biāo)、N(dB)衰減片以及發(fā)射、接收光路組成。測試方法:最小可探測功率Prmin和靈敏度S的測試可以同時進行并按圖6測試。測試時,W,X,Y,Z各兩臺脈沖激光測距儀中的接收組件均不更換(因?qū)?yīng)于W,X,Y和Z儀器的A1和A2,B1和B2,C1和C2,D1和D2等組件均為標(biāo)準(zhǔn)組件),只調(diào)整Si-APD的偏壓值。測試條件:將Si-APD器件的工作偏壓分別調(diào)至300V,350V,380V,410V和460V各檔測試,實驗測試數(shù)據(jù)分別列于表3。2.4.4si-apd的結(jié)果從表2和表3可以看出,Si-APD器件在最佳偏壓工作狀態(tài)下,Prmin的實驗測試數(shù)據(jù)和計算數(shù)據(jù)均很接近,誤差可以忽略不計。又從表3實測數(shù)據(jù)看出:①當(dāng)Si-APD器件工作于最佳(380V)狀態(tài)時,儀器的靈敏度與計算結(jié)果很接近,誤差在2dB內(nèi);②當(dāng)Si-APD器件的反偏壓調(diào)整低于最佳工作(380V)時,因倍增因子M下降,Prmin值和S值也隨之減小,當(dāng)偏壓調(diào)降到300V時,Prmin約減少2個數(shù)量級,儀器的靈敏度下降了26.6%,實際測距能力下降了25%;③當(dāng)Si-APD器件的反偏壓調(diào)整高于最佳工作電壓(380V)時,雖然Si-APD的倍增因子M提高了,但器件的暗電流噪聲也隨之增大,結(jié)果Prmin值和S值比低于最佳偏壓下工作時下降得還快。當(dāng)偏壓調(diào)升到460V時,根據(jù)圖1示的伏安特性曲線,Si-APD器件工作于級限高偏壓狀態(tài),器件的暗電流噪聲幾乎直線上升,結(jié)果Prmin