用于消除apd雪崩信號輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種用于消除APD雪崩信號輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置，包括門電路、APD、第一運算放大器、相減電路、比較器甄別電路、偏置電路VDC1、第二運算放大器、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)二極管的結電容的大小，使二極管的結電容特性與APD的結電容特性一致；第二運算放大器放大二極管輸出信號并濾除二極管輸出信號中的高頻成分；相減電路對APD輸出信號和二極管輸出信號進行相減處理后，輸出相減后的信號給比較器甄別電路；比較器甄別電路輸出探測信號?？傊?，本實用新型基本能夠徹底地濾除尖峰噪聲，而且成本低，使探測器的工作頻率和線性度大大提高。
【專利說明】用于消除APD雪崩信號輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型是一種新型的用于消除單光子探測器雪崩信號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雪崩信號輸出端的尖峰噪聲的自差分濾波裝置。

【背景技術】
[0002]目前的紅外單光子探測器常選擇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器連續(xù)、正常工作，必須及時抑制雪崩。而門模技術能夠有效的抑制雪崩，最大限度地提高APD的探測性能。然而門控抑制脈沖加在APD上時會產(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電容，這使得當門脈沖加到APD上時，APD會對門信號產(chǎn)生一種微分效應，從而形成上下對稱的尖鋒噪聲(峰峰值上百毫伏)，這樣一來當光子激發(fā)AH)雪崩時，輸出的微弱的雪崩信號(峰峰值幾個毫伏)將會煙沒在這個龐大的尖峰噪聲中。更可怕的是尖峰噪聲和雪崩信號在頻譜上并不是完全分開的，這使得雪崩信號的提取成為了一個普遍難題。
[0003]傳統(tǒng)的雪崩信號提取的技術方案中也有很多搭建自差分電路的嘗試。但往往沒有達到較好的效果，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，這種直接對雪崩輸出信號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源低通濾波器的方案，并在低通濾波器后面加上多級運算放大器，如圖2，該方案也只能盡可能地分離尖峰噪聲和雪崩信號。其最終效果是實現(xiàn)了在一個被衰減了的尖峰噪聲的峰值上疊加了一個可被區(qū)分的雪崩信號。但由于低通濾波器無法實現(xiàn)輸入阻抗在整個頻譜上為一個恒定值，因此無法做到完美的阻抗匹配，這使得輸出的尖峰噪聲的波形會有幾十ns的震蕩拖尾，這將導致探測器觸發(fā)頻率改變時相應的尖峰噪聲也會發(fā)生明顯變形，從而隨著頻率變化探測器的探測效率也發(fā)生很大變化，探測器的線性度非常差。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型所要解決的技術問題是針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種用于消除APD雪崩信號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，并且沒有無源低通濾波器方案帶寬有限的缺點，而且成本比定制的無源低通濾波器低。
[0005]為解決上述技術問題，本實用新型采取的技術方案為:用于消除APD雪崩信號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算放大器的輸入端以及門電路電連接，第二運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)二極管的結電容的大小，使二極管的結電容特性與APD的結電容特性一致；所述第一運算放大器用于放大APD輸出信號并濾除APD輸出信號中的高頻成分，所述第二運算放大器放大二極管輸出信號并濾除二極管輸出信號中的高頻成分；所述相減電路對Aro輸出信號和二極管輸出信號進行相減處理后，輸出相減后的信號給比較器甄別電路；比較器甄別電路輸出探測信號。
[0006]進一步的，還包括與比較器甄別電路電連接并且用于對探測信號進行整形的脈沖整形電路。
[0007]所述探測器工作的蓋革模式是目前公認的比較通用的做法，其過程就是: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，該電壓只是一個預偏置電壓。實際應用中是在光子到達APD的時刻再在APD的陽極加上一個下拉的電壓脈沖，即門脈沖，相當于給光子“開門”，那么當光子達到APD管的時候APD上的陰極和陽極的電壓差就等于高壓偏置電壓加上門脈沖電壓，這兩個電壓疊加后才使得光子到達的時候AH)管是具備雪崩條件的。四通道DAC電壓控制電路用于設置偏置電路VDC1、VDC2的偏置電壓，設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，二極管的結電容是隨著偏壓改變而改變的，通過調(diào)整該電壓使得其結電容和APD管的結電容達到一致，從而達到輸出波形的一致性。
[0008]本實用新型為一種自差分電路，其原理是引入一個二極管，所述二極管為普通二極管即可，將普通二極管并連在APD上，并且搭建一個與APD雪崩信號提取電路完全對稱的電路，這兩路對稱電路組成一個自差分電路，APD的輸出信號包括尖峰噪聲和雪崩信號，普通二極管的輸出信號為尖峰噪聲，這樣再通過相減電路徹底消除其中的尖峰噪聲，使得真正的雪崩信號被提取出來。具體而言，本實用新型針對傳統(tǒng)方案中的各種缺點做出了優(yōu)化。首先是用普通二極管代替APD搭建匹配電路，并且單獨使用了一路偏壓控制電路，通過單獨調(diào)節(jié)偏置電壓來改變二極管的結電容大小，使二極管和APD的結電容特性達到一致；然后在進行相減之前用運算放大器本身的帶寬特性來濾除Aro和二極管輸出信號中的高頻成分，即用運算放大器發(fā)揮信號放大和信號濾波的作用。實驗驗證了經(jīng)過該有源濾波電路后不再有各種雜亂的高頻噪聲，兩路信號得到了很好的一致性，從而經(jīng)過后續(xù)相減電路后尖峰噪聲信號能夠完全抵消，使得真正的雪崩信號被提取出來。這使得探測器在工作頻率變化時探測效率依然保持優(yōu)越的線性度。簡言之，本實用新型使用了通用二極管搭建對稱電路，并且使用單獨偏置電路來調(diào)節(jié)二極管結電容，使之匹配AH)結電容特性，使得輸出信號對稱性更優(yōu)；本實用新型不直接對APD和二極管輸出信號做相減，而是利用雪崩信號放大電路，即第一運算放大器，對Aro輸出信號做一次有源濾波，濾除高頻雜波，得出理想的對稱信號，從而使相減后的噪聲信號非常小，基本能控制在15mv以內(nèi)。
[0009]總之，本實用新型基本能夠徹底地濾除尖峰噪聲，另外，比定制的無源低通濾波器低很多，并且沒有低通濾波的帶寬限制，使探測器的工作頻率和線性度大大提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1為本實用新型實施例1的電路原理示意圖。
[0011]圖2為本實用新型實施例1的電路結構示意圖。

【具體實施方式】
[0012]實施例1
[0013]參見圖1和圖2，本用于消除APD雪崩信號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算放大器的輸入端以及門電路電連接，第二運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)二極管的結電容的大小，使二極管的結電容特性與APD的結電容特性一致；所述第一運算放大器用于放大AH)輸出信號并濾除AH)輸出信號中的高頻成分，所述第二運算放大器放大二極管輸出信號并濾除二極管輸出信號中的高頻成分；所述相減電路對APD輸出信號和二極管輸出信號進行相減處理后，輸出相減后的信號給比較器甄別電路；比較器甄別電路輸出探測信號。還包括與比較器甄別電路電連接并且用于對探測信號進行整形的脈沖整形電路。
【權利要求】
1.一種用于消除APD雪崩信號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算放大器的輸入端以及門電路電連接，第二運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)二極管的結電容的大小，使二極管的結電容特性與APD的結電容特性一致；所述第一運算放大器用于放大APD輸出信號并濾除APD輸出信號中的高頻成分，所述第二運算放大器放大二極管輸出信號并濾除二極管輸出信號中的高頻成分；所述相減電路對Aro輸出信號和二極管輸出信號進行相減處理后，輸出相減后的信號給比較器甄別電路；比較器甄別電路輸出探測信號。
2.根據(jù)權利要求1所述的用于消除APD雪崩信號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探測信號進行整形的脈沖整形電路。
【文檔編號】H03H11/04GK204231308SQ201420410961
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權日:2014年7月24日
【發(fā)明者】蔣金鳳, 劉云, 苗春華, 趙義博, 韓正甫 申請人:安徽問天量子科技股份有限公司