基于APD的光電探測(cè)器電路研究與設(shè)計(jì)

3 電路測(cè)試
3．1 光電探測(cè)器輸出頻率特性和增益的測(cè)試
測(cè)量時(shí)，信號(hào)發(fā)生器送出一個(gè)20 mV的模擬信號(hào)，用一個(gè)22 kΩ和一個(gè)50Ω的電阻分壓，將其20 mV信號(hào)衰減4 400倍后為4．5μV，送到被測(cè)放大器輸入端。將信號(hào)發(fā)生器的頻率從10 kHz～3 MHz逐級(jí)變化，同時(shí)記錄被測(cè)波形幅度的大小，將測(cè)量的每個(gè)點(diǎn)連接起來(lái)，繪出放大器輸出頻率特性。再測(cè)放大器增益，以頻率f=1 MHz時(shí)為例，示波器測(cè)得輸出波形幅度約為1．8 mV。
輸出／輸入△1．8 mV／4．5μV=400
3．2 光電探測(cè)器等效輸入噪聲的測(cè)試
利用噪聲發(fā)生器法測(cè)量前置放大器等效輸入噪聲。用自制的簡(jiǎn)易噪聲源電路產(chǎn)生0～1 V電壓為帶寬白噪聲。校準(zhǔn)噪聲源表示成一個(gè)與APD內(nèi)阻Rs串聯(lián)的噪聲發(fā)生器，一般取Rs=100 kΩ左右。系統(tǒng)的等效輸入噪聲相加為Eni，放大器和發(fā)生器的噪聲測(cè)得為Eno。

提高噪聲發(fā)生器電壓Eng，使輸出噪聲功率增大一倍所必須的噪聲發(fā)生器噪聲電壓等于放大器等效輸入噪聲，用這種方法來(lái)測(cè)量光電探測(cè)器的等效輸入噪聲，按照下列步驟進(jìn)行測(cè)量：
(1)不加輸入噪聲發(fā)生器，用均方根值表測(cè)量被測(cè)放大器總輸出Eno；
(2)加噪聲發(fā)生器，調(diào)節(jié)電位使被測(cè)光電探測(cè)器前置放大器總輸出為原來(lái)的2倍噪聲電壓，即2Eno，也就是提高了3 dB；
(3)此時(shí)測(cè)得的噪聲發(fā)生器產(chǎn)生的電壓就等于放大器的等效輸入電壓Eni。
噪聲發(fā)生器法測(cè)噪聲，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單易行，且能測(cè)定多種混雜的隨機(jī)噪聲，又克服了示波器波形觀察峰一峰值讀取容易因人而異出錯(cuò)的缺點(diǎn)。此外，由于自制簡(jiǎn)易噪聲發(fā)生器電路容易實(shí)現(xiàn)，所用儀器少，且測(cè)量較為準(zhǔn)確。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
4．1 光電探測(cè)器輸入信噪比
表1為用噪聲發(fā)生器法測(cè)得的一組噪聲電壓數(shù)據(jù)。

由表1中測(cè)量數(shù)據(jù)可觀察到，測(cè)得的噪聲仍可能受到外界的影響。這里要特別強(qiáng)調(diào)的是，由于所測(cè)試的地點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室比較集中，干擾源也有可能會(huì)相對(duì)多一些，要盡量排除各種干擾因素的存在。盡管電路已采取了屏蔽，而且對(duì)噪聲發(fā)生器和放大器間的連接也采取了短線近連等措施，但為了排除外界干擾，要使得測(cè)量數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，在測(cè)量時(shí)間上還是采用了午夜測(cè)量。
測(cè)量數(shù)據(jù)選用平均值，將測(cè)得的Eni=0．45μV作為APD探測(cè)器光電信號(hào)前置放大器的等效輸入噪聲。其結(jié)果數(shù)據(jù)對(duì)計(jì)算探測(cè)器光電信號(hào)前置放大器輸入信噪比，以及做APD的有關(guān)噪聲實(shí)驗(yàn)提供了十分重要的參數(shù)。
通常信號(hào)電流為0．001μA，在負(fù)載電阻上信號(hào)電壓近似為0．001μA×100 kΩ=0．000 1 V。

4．2 光電探測(cè)器輸出幅頻特性
使用5020示波器測(cè)量前置放大器在0．01～3 MHz的輸出頻率特性，曲線較為平坦，如表2所示。

將XDll多用信號(hào)發(fā)生器送4．5μV信號(hào)，以頻率f=1 MHz為例測(cè)得的輸出波形幅度為1．8 mV。

如果APD的可得增益范圍從最佳增益80 dB至最小容許增益6 dB，相當(dāng)于電信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍22．5 dB，那么整個(gè)APD探測(cè)器光電信號(hào)前置放大器總的動(dòng)態(tài)范圍電信號(hào)應(yīng)為73．8 dB。

5 結(jié) 語(yǔ)
本文以光電器件與光電探測(cè)器前級(jí)的最佳匹配，降低光電探測(cè)器前級(jí)的噪聲系數(shù)為出發(fā)點(diǎn)，介紹了在要求較高的光探測(cè)場(chǎng)合，前置放大器第一級(jí)選用低噪聲的分體器件設(shè)計(jì)的方法。還介紹了通過(guò)自制的噪聲發(fā)生器，對(duì)光電探測(cè)器前置放大器的等效輸入噪聲進(jìn)行了測(cè)試，從而獲得了信噪比這個(gè)重要參數(shù)。通過(guò)對(duì)APD光電探測(cè)器的上述理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，該APD光電探測(cè)電路具有噪聲系數(shù)小，信噪比高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。為設(shè)計(jì)其他要求較高的低噪聲光電探測(cè)電路系統(tǒng)提供了經(jīng)驗(yàn)。