基于APD的光电探测器电路研究与设计

3 电路测试

3．1 光电探测器输出频率特性和增益的测试

测量时，信号发生器送出一个20 mV的模拟信号，用一个22 kΩ和一个50Ω的电阻分压，将其20 mV信号衰减4 400倍后为4．5μV，送到被测放大器输入端。将信号发生器的频率从10 kHz～3 MHz逐级变化，同时记录被测波形幅度的大小，将测量的每个点连接起来，绘出放大器输出频率特性。再测放大器增益，以频率f=1 MHz时为例，示波器测得输出波形幅度约为1．8 mV。

输出／输入△1．8 mV／4．5μV=400

3．2 光电探测器等效输入噪声的测试

利用噪声发生器法测量前置放大器等效输入噪声。用自制的简易噪声源电路产生0～1 V电压为带宽白噪声。校准噪声源表示成一个与APD内阻Rs串联的噪声发生器，一般取Rs=100 kΩ左右。系统的等效输入噪声相加为Eni，放大器和发生器的噪声测得为Eno。



提高噪声发生器电压Eng，使输出噪声功率增大一倍所必须的噪声发生器噪声电压等于放大器等效输入噪声，用这种方法来测量光电探测器的等效输入噪声，按照下列步骤进行测量：

(1)不加输入噪声发生器，用均方根值表测量被测放大器总输出Eno；
(2)加噪声发生器，调节电位使被测光电探测器前置放大器总输出为原来的2倍噪声电压，即2Eno，也就是提高了3 dB；
(3)此时测得的噪声发生器产生的电压就等于放大器的等效输入电压Eni。

噪声发生器法测噪声，其特点是简单易行，且能测定多种混杂的随机噪声，又克服了示波器波形观察峰一峰值读取容易因人而异出错的缺点。此外，由于自制简易噪声发生器电路容易实现，所用仪器少，且测量较为准确。

4 实验结果

4．1 光电探测器输入信噪比

表1为用噪声发生器法测得的一组噪声电压数据。



由表1中测量数据可观察到，测得的噪声仍可能受到外界的影响。这里要特别强调的是，由于所测试的地点实验室比较集中，干扰源也有可能会相对多一些，要尽量排除各种干扰因素的存在。尽管电路已采取了屏蔽，而且对噪声发生器和放大器间的连接也采取了短线近连等措施，但为了排除外界干扰，要使得测量数据更准确，在测量时间上还是采用了午夜测量。

测量数据选用平均值，将测得的Eni=0．45μV作为APD探测器光电信号前置放大器的等效输入噪声。其结果数据对计算探测器光电信号前置放大器输入信噪比，以及做APD的有关噪声实验提供了十分重要的参数。

通常信号电流为0．001μA，在负载电阻上信号电压近似为0．001μA×100 kΩ=0．000 1 V。



4．2 光电探测器输出幅频特性

使用5020示波器测量前置放大器在0．01～3 MHz的输出频率特性，曲线较为平坦，如表2所示。



将XDll多用信号发生器送4．5μV信号，以频率f=1 MHz为例测得的输出波形幅度为1．8 mV。



如果APD的可得增益范围从最佳增益80 dB至最小容许增益6 dB，相当于电信号动态范围22．5 dB，那么整个APD探测器光电信号前置放大器总的动态范围电信号应为73．8 dB。

5 结 语

本文以光电器件与光电探测器前级的最佳匹配，降低光电探测器前级的噪声系数为出发点，介绍了在要求较高的光探测场合，前置放大器第一级选用低噪声的分体器件设计的方法。还介绍了通过自制的噪声发生器，对光电探测器前置放大器的等效输入噪声进行了测试，从而获得了信噪比这个重要参数。通过对APD光电探测器的上述理论分析和实验结果验证，该APD光电探测电路具有噪声系数小，信噪比高，结构简单，易于调试等优点。为设计其他要求较高的低噪声光电探测电路系统提供了经验。