一種單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路，利用APD-PIN二極管結(jié)電容平衡法、貝塞爾低通濾波器和寬帶射頻低噪聲放大器，對門控信號(hào)導(dǎo)致的微分噪聲進(jìn)行濾除，提取有用的雪崩信號(hào)。該提取電路可以很好地保持雪崩信號(hào)的形狀，并以較低的成本獲得了較高的信噪比。
【專利說明】一種單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路及其應(yīng)用，屬于微弱光探測的

【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 單光子探測器的目的是探測單光子量級(jí)的微弱光信號(hào)。一個(gè)單光子探測器通常包 含光電探測器件（光電倍增管，雪崩光電二極管等）、器件驅(qū)動(dòng)電路和輸出信號(hào)提取電路。 雪崩光電二極管（APD)由于工作速度高、體積小巧而被廣泛采用。由于單光子探測器中的 AH)工作于蓋革模式下，其產(chǎn)生的雪崩電流需要及時(shí)猝滅以保護(hù)APD，并使器件可以進(jìn)行下 一次探測。門控猝滅是目前普遍采用的方法，該方法使單光子探測器可以有很高的工作速 度和探測效率，同時(shí)可以降低暗計(jì)數(shù)和后脈沖概率；然而門控信號(hào)自身會(huì)通過APD的結(jié)電 容耦合至輸出端，成為微分噪聲，且幅度通常大于所產(chǎn)生的雪崩信號(hào)。因此，自門控單光子 探測器出現(xiàn)以來，如何有效地從噪聲中提取出微弱的雪崩信號(hào)就成為了人們探究的重點(diǎn)。
[0003] 雪崩信號(hào)的提取通常分為兩部分，一是微分噪聲的濾除，二是雪崩信號(hào)的放大。目 前濾除微分噪聲的常見方法包括帶阻濾波、低通濾波、正弦門控相消法、自差分平衡法、電 容平衡法、雙AH)平衡法等多種方法。然而，這些方法均存在一些不足：帶阻濾波和低通濾 波可以很好地濾除微分噪聲，可以達(dá)到很好抑制效果，但滾降快、抑制比高的濾波器對雪崩 信號(hào)波形的破壞很大，拖尾現(xiàn)象嚴(yán)重，且該方法在門控頻率低時(shí)幾乎不可用。正弦門控相消 法通常用于高頻，且限制了門控的波形形狀只能為正弦。自差分平衡法由于采用延遲線來 實(shí)現(xiàn)噪聲的自我抵消，只能用于單一門控頻率，對頻率變化非常敏感。電容平衡法由于采用 固定電容，與APD結(jié)電容在特性上存在差異，其噪聲抑制性能有限。雙APD平衡法是目前較 好的方法，然而該方法需要使用兩只特性近似的APD，但只有一個(gè)AH)能工作在最佳狀態(tài)， 成本高昂。在濾除微分噪聲的同時(shí)，需要將微弱的雪崩信號(hào)放大至高于背景噪聲，方可進(jìn)行 有效的鑒別。降低放大電路和噪聲消除電路自身的噪聲對提高信噪比同樣具有重要意義。 上述平衡法很多時(shí)候要使用差分放大器，而差分放大器的噪聲系數(shù)比單端射頻放大器高出 數(shù)dB。此外，在門控微分噪聲幅度很大時(shí)，即便是無源濾波器件也不可避免地會(huì)產(chǎn)生較大的 帶限白噪聲。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有的技術(shù)不足，本發(fā)明提出了一種單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路，該電 路是基于APD-PIN二極管結(jié)電容平衡法、貝塞爾低通濾波器和寬帶射頻低噪聲放大器的雪 崩信號(hào)提取電路，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了較高的信噪比。其中AH)為雪崩光電二極管。
[0005] 本發(fā)明還提供上述單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路的應(yīng)用。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路，包括APD-PIN結(jié)電容平衡電路，貝塞爾低 通濾波器和寬帶射頻低噪聲放大器，ATO-PIN結(jié)電容平衡電路的輸出端與貝塞爾濾波器的 輸入端相連，貝塞爾低通濾波器的輸出端與寬帶射頻低噪聲放大器的輸入端相連，Aro產(chǎn)生 的雪崩信號(hào)通過APD-PIN結(jié)電容平衡電路和貝塞爾低通濾波器降噪后，經(jīng)過寬帶射頻低噪 聲放大器被放大輸出。射頻變壓器存在約Γ的相位不均衡，導(dǎo)致上述平衡電路僅對低頻或 特定的高頻頻段抑制比較高，有時(shí)需要進(jìn)一步濾除殘余的噪聲。作為平衡電路的補(bǔ)充，貝塞 爾型無源LC低通濾波器是很好的選擇。無源的貝塞爾型低通濾波器具有和巴特沃斯型一 樣簡單的電路形式，雖然其阻帶滾降率較差，但其具有最平坦的群時(shí)延，對于頻譜較寬的雪 崩信號(hào)，該濾波器可以盡可能保持雪崩波形的形狀完好。
[0008] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路，包括一個(gè)APD-PIN結(jié) 電容平衡電路，一個(gè)或多個(gè)貝塞爾低通濾波器和一個(gè)或多個(gè)寬帶射頻低噪聲放大器；
[0009] 所述APD-PIN結(jié)電容平衡電路包括兩個(gè)具有相近或相同結(jié)電容的雪崩光電二極 管D1和PIN二極管D2,門控信號(hào)通過兩個(gè)容值相同的電容C1和電容C2分別耦合至雪崩光 電二極管D1和PIN二極管D2的陰極，雪崩光電二極管D1的陰極連接至偏置電壓Vbl，PIN 二極管D2的陰極連接至偏置電壓Vb2,雪崩光電二極管D1和PIN二極管D2的陽極分別連 接至射頻變壓器T1的初級(jí)繞組兩端，射頻變壓器T1的次級(jí)繞組一端接地，另一端輸出雪崩 信號(hào)。通過調(diào)整APD-PIN結(jié)電容平衡電路中PIN二極管D2的控制電壓Vb2,使其結(jié)電容與 雪崩光電二極管D1的結(jié)電容盡可能相同，D1和D2在T1初級(jí)繞組兩端產(chǎn)生相同的噪聲信 號(hào)。
[0010] 根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，在雪崩光電二極管D1陽極處連接電阻R4,在PIN二極管D2的 陽極處連接可調(diào)電阻R5。此處設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于，以提供直流通路和阻抗匹配，并對電路進(jìn)行 微調(diào)達(dá)到最佳效果。
[0011] 如上述單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路的應(yīng)用，APD-PIN結(jié)電容平衡法抑制微分 噪聲的原理如下：將兩個(gè)直流偏置電壓分別施加在APD和PIN二極管的陰極，同時(shí)將同一個(gè) 門控信號(hào)分別施加在Aro和PIN二極管的陰極：當(dāng)Aro的工作偏置電壓確定以后，其結(jié)電容 即為一定值，調(diào)節(jié)PIN二極管的偏置電壓，使其結(jié)電容與APD的結(jié)電容相等，此時(shí)APD輸出 的微分噪聲和PIN二極管輸出的微分噪聲具有相同的幅度和形狀，將這兩個(gè)輸出接入射頻 變壓器的初級(jí)繞組，微分噪聲為共模信號(hào)，AH)產(chǎn)生的雪崩信號(hào)為差模信號(hào)；此時(shí)將次級(jí)繞 組的一端接地，共模信號(hào)被抑制，差模信號(hào)即雪崩信號(hào)得以成功提?。?br> [0012] 采用貝塞爾低通濾波器作為平衡電路的補(bǔ)充；
[0013] 所述雪崩信號(hào)通過寬帶射頻低噪聲放大器進(jìn)行放大。雪崩信號(hào)的頻譜較寬，幅度 較小，對放大器的噪聲特性和頻率特性都有較高要求，而對放大器的精度和增益的平坦性 不敏感。因此，與運(yùn)算放大器和差分放大器相比，具有固定增益的寬帶射頻低噪聲放大器更 適合雪崩信號(hào)的放大。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0015] 1.本發(fā)明采用與Aro結(jié)構(gòu)和特性相似的射頻PIN二極管作為電容平衡器件，其性 能接近雙Aro平衡法的性能，且成本低廉。該平衡電容與濾波器同時(shí)使用時(shí)，降低了對濾波 器的性能的要求，減小了濾波器的噪聲輸入功率，從而降低了濾波器自身產(chǎn)生的熱噪聲。
[0016] 2.本發(fā)明采用射頻變壓器抑制共模的微分噪聲。射頻變壓器是無源器件，在保證 高抑制比的同時(shí)，幾乎不引入新的噪聲，與單端輸入的低噪聲寬帶射頻放大器一起使用，可 以得到低至ldB左右的噪聲系數(shù)；相比之下，差分放大器的噪聲系數(shù)通常高于6dB。
[0017] 3.本發(fā)明采用貝塞爾型無源LC低通濾波器可以很好地保持雪崩脈沖的形狀，不 產(chǎn)生拖尾振蕩，有利于減小后級(jí)鑒別器的判決門限，提高探測效率和計(jì)數(shù)速率。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)框圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中APD-PIN結(jié)電容平衡電路的電路原理圖；
[0020] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中9階貝塞爾低通濾波器的電路原理圖；
[0021] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中低噪聲寬帶射頻放大器的電路原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，但不限于此。
[0023] 實(shí)施例1、
[0024] -種單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路，包括APD-PIN結(jié)電容平衡電路，貝塞爾低 通濾波器和寬帶射頻低噪聲放大器，ATO-PIN結(jié)電容平衡電路的輸出端與貝塞爾濾波器的 輸入端相連，貝塞爾低通濾波器的輸出端與寬帶射頻低噪聲放大器的輸入端相連，AH)產(chǎn)生 的雪崩信號(hào)通過APD-PIN結(jié)電容平衡電路和貝塞爾低通濾波器降噪后，經(jīng)過寬帶射頻低噪 聲放大器被放大輸出。
[0025] 所述單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路，包括一個(gè)APD-PIN結(jié)電容平衡電路，一個(gè) 或多個(gè)貝塞爾低通濾波器和一個(gè)或多個(gè)寬帶射頻低噪聲放大器；
[0026] 所述APD-PIN結(jié)電容平衡電路包括兩個(gè)具有相近或相同結(jié)電容的雪崩光電二極 管D1和PIN二極管D2,門控信號(hào)通過兩個(gè)容值相同的電容C1和電容C2分別耦合至雪崩光 電二極管D1和PIN二極管D2的陰極，雪崩光電二極管D1的陰極連接至偏置電壓Vbl，PIN 二極管D2的陰極連接至偏置電壓Vb2,雪崩光電二極管D1和PIN二極管D2的陽極分別連 接至射頻變壓器T1的初級(jí)繞組兩端，射頻變壓器T1的次級(jí)繞組一端接地，另一端輸出雪崩 信號(hào)。在雪崩光電二極管D1陽極處連接電阻R4,在PIN二極管D2的陽極處連接可調(diào)電阻 R5。
[0027] 實(shí)施例2、
[0028] 如實(shí)施例1所述單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路的應(yīng)用，將兩個(gè)直流偏置電壓分 別施加在Aro和PIN二極管的陰極，同時(shí)將同一個(gè)門控信號(hào)分別施加在Aro和PIN二極管的 陰極：當(dāng)Aro的工作偏置電壓確定以后，其結(jié)電容即為一定值，調(diào)節(jié)PIN二極管的偏置電壓， 使其結(jié)電容與APD的結(jié)電容相等，此時(shí)APD輸出的微分噪聲和PIN二極管輸出的微分噪聲 具有相同的幅度和形狀，將這兩個(gè)輸出接入射頻變壓器的初級(jí)繞組，微分噪聲為共模信號(hào)， Aro產(chǎn)生的雪崩信號(hào)為差模信號(hào)；此時(shí)將次級(jí)繞組的一端接地，共模信號(hào)被抑制，差模信號(hào) 即雪崩信號(hào)得以成功提??；
[0029] 采用貝塞爾低通濾波器作為平衡電路的補(bǔ)充；
[0030] 所述雪崩信號(hào)通過寬帶射頻低噪聲放大器進(jìn)行放大。
[0031] 實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)具體如圖1所示，包含APD-PIN結(jié)電容平衡電路1，三級(jí)貝塞 爾濾波器2和兩級(jí)寬帶射頻低噪聲放大器3級(jí)聯(lián)。各電路模塊間使用50歐姆同軸電纜相 連。本實(shí)施例外部連接的直流偏置電壓源為線性穩(wěn)壓電源，門控信號(hào)為重復(fù)頻率0. 1MHz至 200MHz的脈沖信號(hào)。
[0032] 以下為各部分電路的詳細(xì)說明：
[0033] APD-PIN結(jié)電容平衡電路如圖2所示。1GHz的門控信號(hào)通過50歐姆同軸電纜接 入電路，在50歐姆電阻R3處終端匹配。該門控信號(hào)通過電容C1耦合至雪崩光電二極管D1 陰極處，通過C2耦合至PIN二極管D2陰極處，C1與C2相等。APD通過R1連接至偏置電 壓Vbl，PIN二極管通過R2連接至偏置電壓Vb2。電阻R4和可調(diào)電阻R5為AH)和PIN二 極管提供直流通路，并使射頻變壓器阻抗匹配。由于PIN二極管和AH)的RC特性不可避免 地存在細(xì)微的差別，除調(diào)整電壓Vb2外，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R5可獲得最佳的噪聲抑制效果。 門控信號(hào)通過兩只二極管的結(jié)電容耦合至陽極，分別加在射頻變壓器T1的初級(jí)繞組兩端， 其中Aro端可能含有光子引發(fā)的雪崩信號(hào)。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量選用結(jié)電容和Aro工作時(shí)的 結(jié)電容相近的PIN二極管，同時(shí)保持Aro側(cè)和PIN側(cè)的走線對稱，以保證到達(dá)T1兩端的噪 聲信號(hào)相同。射頻變壓器的次級(jí)繞組一端接地，另一端通過同軸電纜連接至貝塞爾濾波器。 本實(shí)施例中，APD為工作在近紅外波段的InGaAs/InPAPD，型號(hào)為PGA-300 ;PIN二極管的型 號(hào)為HSMP-389B ;射頻變壓器為工作頻率2. 3MHz至2700MHz的寬帶射頻變壓器CX2156NL。 電路工作時(shí)，通過調(diào)整PIN二極管的偏置電壓Vb2,使其結(jié)電容接近AH)正常工作的結(jié)電容。 此時(shí)，T1兩端的噪聲信號(hào)基本相同，為共模信號(hào)，不會(huì)在初級(jí)繞組上產(chǎn)生電流；而雪崩信號(hào) 電流會(huì)作為差模信號(hào)流過T1的初級(jí)繞組，并使次級(jí)繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流輸出。
[0034] 實(shí)施例中使用9階無源LC貝塞爾型低通濾波器，如圖3所示，其在1. 25GHz處的 抑制比為18dB，-3dB點(diǎn)為550MHz，插入損耗小于2dB。該濾波器在本實(shí)施例中使用了三級(jí)， 1. 25GHz以上頻率的總抑制比大于54dB。
[0035] 實(shí)施例中使用型號(hào)為SGA4563Z的寬帶射頻低噪聲放大器，如圖4所示，它可以工 作在DC至2500MHz的寬帶范圍，具有25. 6dB的典型增益，噪聲系數(shù)1. 9dB。該放大器在本 實(shí)施例中使用了兩級(jí)，總放大倍數(shù)為50dB。
【權(quán)利要求】
1. 一種單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路，其特征在于，該電路包括APD-PIN結(jié)電容平 衡電路，貝塞爾低通濾波器和寬帶射頻低噪聲放大器，APD-PIN結(jié)電容平衡電路的輸出端與 貝塞爾濾波器的輸入端相連，貝塞爾低通濾波器的輸出端與寬帶射頻低噪聲放大器的輸入 端相連，AH)產(chǎn)生的雪崩信號(hào)通過APD-PIN結(jié)電容平衡電路和貝塞爾低通濾波器降噪后，經(jīng) 過寬帶射頻低噪聲放大器被放大輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路，其特征在于，所述單 光子探測器雪崩信號(hào)提取電路，包括一個(gè)APD-PIN結(jié)電容平衡電路，一個(gè)或多個(gè)貝塞爾低 通濾波器和一個(gè)或多個(gè)寬帶射頻低噪聲放大器； 所述APD-PIN結(jié)電容平衡電路包括兩個(gè)具有相近或相同結(jié)電容的雪崩光電二極管D1 和PIN二極管D2,門控信號(hào)通過兩個(gè)容值相同的電容C1和電容C2分別耦合至雪崩光電二 極管D1和PIN二極管D2的陰極，雪崩光電二極管D1的陰極連接至偏置電壓Vbl，PIN二 極管D2的陰極連接至偏置電壓Vb2,雪崩光電二極管D1和PIN二極管D2的陽極分別連接 至射頻變壓器T1的初級(jí)繞組兩端，射頻變壓器T1的次級(jí)繞組一端接地，另一端輸出雪崩信 號(hào)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路，其特征在于，在雪崩 光電二極管D1陽極處連接電阻R4,在PIN二極管D2的陽極處連接可調(diào)電阻R5。
4. 如權(quán)利要求1-3任意一項(xiàng)所述單光子探測器雪崩信號(hào)提取電路的應(yīng)用，將兩個(gè)直流 偏置電壓分別施加在APD和PIN二極管的陰極，同時(shí)將同一個(gè)門控信號(hào)分別施加在AH)和 PIN二極管的陰極：當(dāng)APD的工作偏置電壓確定以后，其結(jié)電容即為一定值，調(diào)節(jié)PIN二極 管的偏置電壓，使其結(jié)電容與AH)的結(jié)電容相等，此時(shí)APD輸出的微分噪聲和PIN二極管輸 出的微分噪聲具有相同的幅度和形狀，將這兩個(gè)輸出接入射頻變壓器的初級(jí)繞組，微分噪 聲為共模信號(hào)，AH)產(chǎn)生的雪崩信號(hào)為差模信號(hào)；此時(shí)將次級(jí)繞組的一端接地，共模信號(hào)被 抑制，差模信號(hào)即雪崩信號(hào)得以成功提??； 采用貝塞爾低通濾波器作為平衡電路的補(bǔ)充； 所述雪崩信號(hào)通過寬帶射頻低噪聲放大器進(jìn)行放大。
【文檔編號(hào)】G01J11/00GK104062018SQ201410323288
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】劉俊良, 李永富, 張春芳 申請人:山東大學(xué)