用于消除apd雪崩信號(hào)輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種用于消除APD雪崩信號(hào)輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置，包括門電路、APD、第一運(yùn)算放大器、相減電路、比較器甄別電路、偏置電路VDC1、第二運(yùn)算放大器、二極管、四通道DAC電壓控制電路和偏置電路VDC2；偏置電路VDC2用于調(diào)節(jié)二極管的結(jié)電容的大小，使二極管的結(jié)電容特性與APD的結(jié)電容特性一致；第二運(yùn)算放大器放大二極管輸出信號(hào)并濾除二極管輸出信號(hào)中的高頻成分；相減電路對(duì)APD輸出信號(hào)和二極管輸出信號(hào)進(jìn)行相減處理后，輸出相減后的信號(hào)給比較器甄別電路；比較器甄別電路輸出探測(cè)信號(hào)。總之，本實(shí)用新型基本能夠徹底地濾除尖峰噪聲，而且成本低，使探測(cè)器的工作頻率和線性度大大提高。
【專利說(shuō)明】用于消除APD雪崩信號(hào)輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型是一種新型的用于消除單光子探測(cè)器雪崩信號(hào)輸出端的尖峰噪聲的自差分電路，尤其涉及一種用于消除APD雪崩信號(hào)輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]目前的紅外單光子探測(cè)器常選擇INGaAsP/InP雪崩光電二極管(APD)，并使APD工作于擊穿電壓之上(蓋革模式)，以發(fā)揮其極限靈敏度，即所謂的蓋革模式。在蓋革模式下為保證探測(cè)器連續(xù)、正常工作，必須及時(shí)抑制雪崩。而門模技術(shù)能夠有效的抑制雪崩，最大限度地提高APD的探測(cè)性能。然而門控抑制脈沖加在APD上時(shí)會(huì)產(chǎn)生尖峰噪聲電壓，這是由于APD本身也是二極管的一種，它與普通二極管一樣具有結(jié)電容，這使得當(dāng)門脈沖加到APD上時(shí)，APD會(huì)對(duì)門信號(hào)產(chǎn)生一種微分效應(yīng)，從而形成上下對(duì)稱的尖鋒噪聲(峰峰值上百毫伏)，這樣一來(lái)當(dāng)光子激發(fā)AH)雪崩時(shí)，輸出的微弱的雪崩信號(hào)(峰峰值幾個(gè)毫伏)將會(huì)煙沒在這個(gè)龐大的尖峰噪聲中。更可怕的是尖峰噪聲和雪崩信號(hào)在頻譜上并不是完全分開的，這使得雪崩信號(hào)的提取成為了一個(gè)普遍難題。
[0003]傳統(tǒng)的雪崩信號(hào)提取的技術(shù)方案中也有很多搭建自差分電路的嘗試。但往往沒有達(dá)到較好的效果，其尖峰噪聲只是在一定程度上被衰減，并沒有真正被濾除，如圖1，這種直接對(duì)雪崩輸出信號(hào)做差分的方法并不能完全抵消尖峰噪聲。目前也有很多是采用定制無(wú)源低通濾波器的方案，并在低通濾波器后面加上多級(jí)運(yùn)算放大器，如圖2，該方案也只能盡可能地分離尖峰噪聲和雪崩信號(hào)。其最終效果是實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)被衰減了的尖峰噪聲的峰值上疊加了一個(gè)可被區(qū)分的雪崩信號(hào)。但由于低通濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸入阻抗在整個(gè)頻譜上為一個(gè)恒定值，因此無(wú)法做到完美的阻抗匹配，這使得輸出的尖峰噪聲的波形會(huì)有幾十ns的震蕩拖尾，這將導(dǎo)致探測(cè)器觸發(fā)頻率改變時(shí)相應(yīng)的尖峰噪聲也會(huì)發(fā)生明顯變形，從而隨著頻率變化探測(cè)器的探測(cè)效率也發(fā)生很大變化，探測(cè)器的線性度非常差。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種用于消除APD雪崩信號(hào)輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置。本用于消除APD雪崩信號(hào)輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置能夠消除尖峰噪聲，從而方便地提取雪崩信號(hào)，并且沒有無(wú)源低通濾波器方案帶寬有限的缺點(diǎn)，而且成本比定制的無(wú)源低通濾波器低。
[0005]為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采取的技術(shù)方案為:用于消除APD雪崩信號(hào)輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置，包括依次串聯(lián)的門電路、APD、第一運(yùn)算放大器、相減電路、比較器甄別電路和偏置電路VDCl ;其特征在于:還包括第二運(yùn)算放大器、二極管、四通道DAC電壓控制電路和偏置電路VDC2 ;所述門電路、APD、第一運(yùn)算放大器、相減電路和比較器甄別電路依次串聯(lián)；四通道DAC電壓控制電路的第一輸出端CHl與偏置電路VDC2電連接，偏置電路VDC2的輸出端與二極管電連接，二極管的還分別與第二運(yùn)算放大器的輸入端以及門電路電連接，第二運(yùn)算放大器的輸出端與相減電路的輸入端電連接；四通道DAC電壓控制電路的第二輸出端CH2與比較器甄別電路的輸入端電連接，四通道DAC電壓控制電路的第三輸出端CH3與偏置電路VDCl的輸入端電連接，偏置電路VDCl的輸出端與APD的輸入端電連接；所述偏置電路VDC2用于調(diào)節(jié)二極管的結(jié)電容的大小，使二極管的結(jié)電容特性與APD的結(jié)電容特性一致；所述第一運(yùn)算放大器用于放大APD輸出信號(hào)并濾除APD輸出信號(hào)中的高頻成分，所述第二運(yùn)算放大器放大二極管輸出信號(hào)并濾除二極管輸出信號(hào)中的高頻成分；所述相減電路對(duì)Aro輸出信號(hào)和二極管輸出信號(hào)進(jìn)行相減處理后，輸出相減后的信號(hào)給比較器甄別電路；比較器甄別電路輸出探測(cè)信號(hào)。
[0006]進(jìn)一步的，還包括與比較器甄別電路電連接并且用于對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行整形的脈沖整形電路。
[0007]所述探測(cè)器工作的蓋革模式是目前公認(rèn)的比較通用的做法，其過(guò)程就是:首先使得APD管制冷到_50°C的低溫下，該溫度是APD能發(fā)生雪崩的條件之一，另外還需在APD管的陰極加上大概50V以上的高壓偏置，這時(shí)還不足以使得AH)雪崩二極管產(chǎn)生雪崩光電流，該電壓只是一個(gè)預(yù)偏置電壓。實(shí)際應(yīng)用中是在光子到達(dá)APD的時(shí)刻再在APD的陽(yáng)極加上一個(gè)下拉的電壓脈沖，即門脈沖，相當(dāng)于給光子“開門”，那么當(dāng)光子達(dá)到APD管的時(shí)候APD上的陰極和陽(yáng)極的電壓差就等于高壓偏置電壓加上門脈沖電壓，這兩個(gè)電壓疊加后才使得光子到達(dá)的時(shí)候AH)管是具備雪崩條件的。四通道DAC電壓控制電路用于設(shè)置偏置電路VDC1、VDC2的偏置電壓，設(shè)置比較器輸入端的甄別電壓。偏置電路VDC2加在普通二極管的兩端，二極管的結(jié)電容是隨著偏壓改變而改變的，通過(guò)調(diào)整該電壓使得其結(jié)電容和APD管的結(jié)電容達(dá)到一致，從而達(dá)到輸出波形的一致性。
[0008]本實(shí)用新型為一種自差分電路，其原理是引入一個(gè)二極管，所述二極管為普通二極管即可，將普通二極管并連在APD上，并且搭建一個(gè)與APD雪崩信號(hào)提取電路完全對(duì)稱的電路，這兩路對(duì)稱電路組成一個(gè)自差分電路，APD的輸出信號(hào)包括尖峰噪聲和雪崩信號(hào)，普通二極管的輸出信號(hào)為尖峰噪聲，這樣再通過(guò)相減電路徹底消除其中的尖峰噪聲，使得真正的雪崩信號(hào)被提取出來(lái)。具體而言，本實(shí)用新型針對(duì)傳統(tǒng)方案中的各種缺點(diǎn)做出了優(yōu)化。首先是用普通二極管代替APD搭建匹配電路，并且單獨(dú)使用了一路偏壓控制電路，通過(guò)單獨(dú)調(diào)節(jié)偏置電壓來(lái)改變二極管的結(jié)電容大小，使二極管和APD的結(jié)電容特性達(dá)到一致；然后在進(jìn)行相減之前用運(yùn)算放大器本身的帶寬特性來(lái)濾除Aro和二極管輸出信號(hào)中的高頻成分，即用運(yùn)算放大器發(fā)揮信號(hào)放大和信號(hào)濾波的作用。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了經(jīng)過(guò)該有源濾波電路后不再有各種雜亂的高頻噪聲，兩路信號(hào)得到了很好的一致性，從而經(jīng)過(guò)后續(xù)相減電路后尖峰噪聲信號(hào)能夠完全抵消，使得真正的雪崩信號(hào)被提取出來(lái)。這使得探測(cè)器在工作頻率變化時(shí)探測(cè)效率依然保持優(yōu)越的線性度。簡(jiǎn)言之，本實(shí)用新型使用了通用二極管搭建對(duì)稱電路，并且使用單獨(dú)偏置電路來(lái)調(diào)節(jié)二極管結(jié)電容，使之匹配AH)結(jié)電容特性，使得輸出信號(hào)對(duì)稱性更優(yōu)；本實(shí)用新型不直接對(duì)APD和二極管輸出信號(hào)做相減，而是利用雪崩信號(hào)放大電路，即第一運(yùn)算放大器，對(duì)Aro輸出信號(hào)做一次有源濾波，濾除高頻雜波，得出理想的對(duì)稱信號(hào)，從而使相減后的噪聲信號(hào)非常小，基本能控制在15mv以內(nèi)。
[0009]總之，本實(shí)用新型基本能夠徹底地濾除尖峰噪聲，另外，比定制的無(wú)源低通濾波器低很多，并且沒有低通濾波的帶寬限制，使探測(cè)器的工作頻率和線性度大大提高。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1的電路原理示意圖。
[0011]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例1的電路結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0012]實(shí)施例1
[0013]參見圖1和圖2，本用于消除APD雪崩信號(hào)輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置，包括依次串聯(lián)的門電路、APD、第一運(yùn)算放大器、相減電路、比較器甄別電路和偏置電路VDCl ;還包括第二運(yùn)算放大器、二極管、四通道DAC電壓控制電路和偏置電路VDC2 ;所述門電路、APD、第一運(yùn)算放大器、相減電路和比較器甄別電路依次串聯(lián)；四通道DAC電壓控制電路的第一輸出端CHl與偏置電路VDC2電連接，偏置電路VDC2的輸出端與二極管電連接，二極管的還分別與第二運(yùn)算放大器的輸入端以及門電路電連接，第二運(yùn)算放大器的輸出端與相減電路的輸入端電連接；四通道DAC電壓控制電路的第二輸出端CH2與比較器甄別電路的輸入端電連接，四通道DAC電壓控制電路的第三輸出端CH3與偏置電路VDCl的輸入端電連接，偏置電路VDCl的輸出端與APD的輸入端電連接；所述偏置電路VDC2用于調(diào)節(jié)二極管的結(jié)電容的大小，使二極管的結(jié)電容特性與APD的結(jié)電容特性一致；所述第一運(yùn)算放大器用于放大AH)輸出信號(hào)并濾除AH)輸出信號(hào)中的高頻成分，所述第二運(yùn)算放大器放大二極管輸出信號(hào)并濾除二極管輸出信號(hào)中的高頻成分；所述相減電路對(duì)APD輸出信號(hào)和二極管輸出信號(hào)進(jìn)行相減處理后，輸出相減后的信號(hào)給比較器甄別電路；比較器甄別電路輸出探測(cè)信號(hào)。還包括與比較器甄別電路電連接并且用于對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行整形的脈沖整形電路。
【權(quán)利要求】
1.一種用于消除APD雪崩信號(hào)輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置，包括依次串聯(lián)的門電路、APD、第一運(yùn)算放大器、相減電路、比較器甄別電路和偏置電路VDCl ;其特征在于:還包括第二運(yùn)算放大器、二極管、四通道DAC電壓控制電路和偏置電路VDC2 ;所述門電路、APD、第一運(yùn)算放大器、相減電路和比較器甄別電路依次串聯(lián)；四通道DAC電壓控制電路的第一輸出端CHl與偏置電路VDC2電連接，偏置電路VDC2的輸出端與二極管電連接，二極管的還分別與第二運(yùn)算放大器的輸入端以及門電路電連接，第二運(yùn)算放大器的輸出端與相減電路的輸入端電連接；四通道DAC電壓控制電路的第二輸出端CH2與比較器甄別電路的輸入端電連接，四通道DAC電壓控制電路的第三輸出端CH3與偏置電路VDCl的輸入端電連接，偏置電路VDCl的輸出端與AH)的輸入端電連接；所述偏置電路VDC2用于調(diào)節(jié)二極管的結(jié)電容的大小，使二極管的結(jié)電容特性與APD的結(jié)電容特性一致；所述第一運(yùn)算放大器用于放大APD輸出信號(hào)并濾除APD輸出信號(hào)中的高頻成分，所述第二運(yùn)算放大器放大二極管輸出信號(hào)并濾除二極管輸出信號(hào)中的高頻成分；所述相減電路對(duì)Aro輸出信號(hào)和二極管輸出信號(hào)進(jìn)行相減處理后，輸出相減后的信號(hào)給比較器甄別電路；比較器甄別電路輸出探測(cè)信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于消除APD雪崩信號(hào)輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置，其特征在于:還包括與比較器甄別電路電連接并且用于對(duì)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行整形的脈沖整形電路。
【文檔編號(hào)】H03H11/04GK204231308SQ201420410961
【公開日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月24日
【發(fā)明者】蔣金鳳, 劉云, 苗春華, 趙義博, 韓正甫 申請(qǐng)人:安徽問(wèn)天量子科技股份有限公司