基于APD的光電探測器電路研究與設(shè)計

3 電路測試
3．1 光電探測器輸出頻率特性和增益的測試
測量時，信號發(fā)生器送出一個20 mV的模擬信號，用一個22 kΩ和一個50Ω的電阻分壓，將其20 mV信號衰減4 400倍后為4．5μV，送到被測放大器輸入端。將信號發(fā)生器的頻率從10 kHz～3 MHz逐級變化，同時記錄被測波形幅度的大小，將測量的每個點連接起來，繪出放大器輸出頻率特性。再測放大器增益，以頻率f=1 MHz時為例，示波器測得輸出波形幅度約為1．8 mV。
輸出／輸入△1．8 mV／4．5μV=400
3．2 光電探測器等效輸入噪聲的測試
利用噪聲發(fā)生器法測量前置放大器等效輸入噪聲。用自制的簡易噪聲源電路產(chǎn)生0～1 V電壓為帶寬白噪聲。校準噪聲源表示成一個與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，用這種方法來測量光電探測器的等效輸入噪聲，按照下列步驟進行測量：
(1)不加輸入噪聲發(fā)生器，用均方根值表測量被測放大器總輸出Eno；
(2)加噪聲發(fā)生器，調(diào)節(jié)電位使被測光電探測器前置放大器總輸出為原來的2倍噪聲電壓，即2Eno，也就是提高了3 dB；
(3)此時測得的噪聲發(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)生器法測噪聲，其特點是簡單易行，且能測定多種混雜的隨機噪聲，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的缺點。此外，由于自制簡易噪聲發(fā)生器電路容易實現(xiàn)，所用儀器少，且測量較為準確。

4 實驗結(jié)果
4．1 光電探測器輸入信噪比
表1為用噪聲發(fā)生器法測得的一組噪聲電壓數(shù)據(jù)。

由表1中測量數(shù)據(jù)可觀察到，測得的噪聲仍可能受到外界的影響。這里要特別強調(diào)的是，由于所測試的地點實驗室比較集中，干擾源也有可能會相對多一些，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，要使得測量數(shù)據(jù)更準確，在測量時間上還是采用了午夜測量。
測量數(shù)據(jù)選用平均值，將測得的Eni=0．45μV作為APD探測器光電信號前置放大器的等效輸入噪聲。其結(jié)果數(shù)據(jù)對計算探測器光電信號前置放大器輸入信噪比，以及做APD的有關(guān)噪聲實驗提供了十分重要的參數(shù)。
通常信號電流為0．001μA，在負載電阻上信號電壓近似為0．001μA×100 kΩ=0．000 1 V。

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

將XDll多用信號發(fā)生器送4．5μV信號，以頻率f=1 MHz為例測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，相當于電信號動態(tài)范圍22．5 dB，那么整個APD探測器光電信號前置放大器總的動態(tài)范圍電信號應(yīng)為73．8 dB。

5 結(jié) 語
本文以光電器件與光電探測器前級的最佳匹配，降低光電探測器前級的噪聲系數(shù)為出發(fā)點，介紹了在要求較高的光探測場合，前置放大器第一級選用低噪聲的分體器件設(shè)計的方法。還介紹了通過自制的噪聲發(fā)生器，對光電探測器前置放大器的等效輸入噪聲進行了測試，從而獲得了信噪比這個重要參數(shù)。通過對APD光電探測器的上述理論分析和實驗結(jié)果驗證，該APD光電探測電路具有噪聲系數(shù)小，信噪比高，結(jié)構(gòu)簡單，易于調(diào)試等優(yōu)點。為設(shè)計其他要求較高的低噪聲光電探測電路系統(tǒng)提供了經(jīng)驗。