1.引言

在激光干涉測距中，雪崩二極管APD在激光的接受部分中起到很重要的作用，它對精度的提高有很大的影響。在激光測距中，激光從發(fā)射到接受會經(jīng)過被測目標(biāo)的漫反射，同時也有路程等的損失，所以接受到的光信號非常弱，這使得檢測光信號相當(dāng)困難，接受不當(dāng)會影響到精度，所以綜合考慮，我們采用雪崩光電二極管APD。APD不同于傳統(tǒng)的光電二極管，它是建立在內(nèi)光電效應(yīng)基礎(chǔ)上的光電器件，它具有內(nèi)部增益和放大作用，同時響應(yīng)的速度也很快，但是要發(fā)揮它的優(yōu)勢，需要加較大的反向偏置電壓（一般在幾十到幾百伏），這樣會伴隨著有相對較大的紋波電壓，電源的紋波電壓變化范圍越大，對雪崩二極管的影響就越大，所以本文設(shè)計了一種低紋波電壓的電路。對于APD而言，溫度的變化也會嚴重影響它的增益，所以需要接入溫度補償電路來改變PN結(jié)倍增區(qū)的電場。此外，APD在倍增的過程中產(chǎn)生的附加噪聲會嚴重影響測量精度，本文對噪聲進行了分析設(shè)計了一個有效的前置放大電路，實驗表明該電路有效的提高了信噪比。將這些模塊用于激光測距的接受模塊，將會提高測量精度。

  

 
2.APD的工作原理

APD是一種P-N結(jié)型的光檢測二極管，其內(nèi)部利用載流子的雪崩倍增效應(yīng)來放大光信號。在P-N結(jié)上加高的反向偏壓，就可以加寬耗盡層并且在結(jié)區(qū)產(chǎn)生一個強的內(nèi)建電場，當(dāng)電場強度增大到一定程度時，耗盡層中的光生電子空穴對就會被加速，被加速后的電子空穴獲得足夠的能量就能與晶格碰撞產(chǎn)生新的電子空穴對。這種過程是連鎖反應(yīng)，這樣就會產(chǎn)生較大的二次光電流，因此APD有較高的響應(yīng)度和內(nèi)部增益，這種內(nèi)部增益提高了器件的信噪比。
 
3.APD溫度補償電路的設(shè)計和分析

3.1.溫度補償電路的原理分析

由于電子和空穴的電離速率取決于溫度，所以在高偏置電壓的條件下，一個小小的溫度變化就能引起增益很大的變化。為了保證溫度變化時增益變化較小，就需要變化PN結(jié)倍增區(qū)的電場，這樣就需要接入一個溫度補償電路，在溫度變化時調(diào)整光檢測器的偏置電壓。理論上可以證明，APD的增益是關(guān)于偏壓和溫度的函數(shù)，所以，當(dāng)APD的偏壓隨著溫度改變時，APD的增益就可以基本恒定，這就是APD溫度漂移的偏壓補償原理。
 
APD相應(yīng)的偏置電壓值就會隨溫度變化，為了保持最佳增益，需設(shè)計溫度補償電路來控制APD的偏置電壓，使APD在各種溫度下都能以最佳倍增增益工作，從而使接收系統(tǒng)獲得最大的信噪比。+APD放大電路輸出功率信噪比SNR為：
 
式中：M是APD的雪崩增益，為光電流，F(xiàn)為過剩噪聲系數(shù)。APD選擇適當(dāng)?shù)钠珘嚎梢允筍NR最大，此時APD對應(yīng)的增益為最佳雪崩增益，加在其上的偏壓為最佳偏壓。此時的最佳雪崩增益由下式確定：+式中，x為APD的過剩噪音指數(shù)，其大小取決于APD的結(jié)構(gòu)和材料。
 
3.2.偏壓溫度補償電路的設(shè)計

SPD-052型硅雪崩光電探測器是0.4～1.1+波長光信號的優(yōu)良探測器，兼?zhèn)淞烁哽`敏度、高速響應(yīng)和低噪聲三大優(yōu)點，內(nèi)部的雪崩倍增效應(yīng)可達到120倍以上。當(dāng)溫度升高10度，雪崩電壓升高2.2～2.6V，在其內(nèi)部有一個溫度補償二極管IN941，所以我們用該溫度二極管進行偏壓補償，整個電路由三部分組成：溫度傳感、運放和可控電壓源。
 
3.2.1溫度傳感部分

當(dāng)內(nèi)部溫度二極管工作在恒流狀態(tài)時，其兩端的電壓和溫度具有良好的線性關(guān)系和較高的靈敏度，恒流源電路如圖3，由于運放A1的增益很高，近似有V2%3DV3，設(shè)穩(wěn)壓管D1的穩(wěn)壓值為U，則RW和R1兩端的電壓等于U，所以有流經(jīng)溫度二極管的電流I為：+因此，通過調(diào)節(jié)RW的大小，可以得到不同的恒流。
 
3.2.2運放部分

A1構(gòu)成跟隨器，同向端以IN941的電壓作為輸入；A2是同相放大器，調(diào)整Rw1可以設(shè)定A2在某一溫度下的輸出電壓，Rw2來調(diào)整A2的增益，同時A2的輸出作為可控電壓源的控制輸入。
 
3.2.3可控電壓源部分

可控電壓源采用高精度低溫漂可控高壓電源模塊，其中，%2BV為直流電壓輸入端；Control為調(diào)整端，接運放A2的輸出端；V0為輸出端，為APD提供偏置電壓，其中K1，K2為倍壓常數(shù)，Vc為Control端輸入電壓。實驗表明，該電源輸出范圍270～440V，輸出電壓穩(wěn)定性小于0.05%25，溫度系數(shù)每攝氏度小于0.02%25，符合APD的使用要求
 
4.低紋波的反向偏置電壓的設(shè)計

穩(wěn)定電源一般包括整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路三部分。整流電路將交流電轉(zhuǎn)化為直流電，但是其中仍然含有大量的交流電成分，此時加入濾波電路來濾掉交流部分，但是輸出電壓中仍然含有一定的脈動交流成分，這種脈動交流成分稱為紋波電壓。
 

可見，當(dāng)適當(dāng)加大輸出電容的值時，可以減小輸出紋波電壓，或者采用多個電容并聯(lián)的方式來減少ERS值，但是電源體積是有限的，所以不可能無限制地增大輸出電容的值，這樣設(shè)計一個低紋波的反向偏置電路來增大增益很重要。

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