USE OF AVALANCHE PHOTODIODES IN FIBER-OPTIC SYSTEMS OF MEASUREMENT OF THE PARAMETERS
Authors:
1.
Astrakhan State Technical University
2.
Astrakhan Technical State University
Type:
Article
Pages:
from 104
to 111
Status:
Published
Received:
05.04.2013
Accepted:
28.02.2020
Published:
25.04.2013
Subject area:
VAC 05.12.2013 Системы, сети и устройства телекоммуникаций
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK [681.586.7:621.383.5]:6621.391.63
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK [32.96-044.3:32.854.2]:32.889
VAC 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)
VAC 05.13.06 Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (по отраслям)
VAC 05.13.10 Управление в социальных и экономических системах
VAC 05.13.18 Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ
VAC 05.13.19 Методы и системы защиты информации, информационная безопасность
UDK [681.586.7:621.383.5]:6621.391.63
GRNTI 20.01 Общие вопросы информатики
GRNTI 28.01 Общие вопросы кибернетики
GRNTI 49.01 Общие вопросы связи
GRNTI 50.01 Общие вопросы автоматики и вычислительной техники
GRNTI 82.01 Общие вопросы организации и управления
BBK [32.96-044.3:32.854.2]:32.889
Language:
Russian
Keywords:
avalanche photodiode, transimpedance amplifier, control temperature, microcontroller
Abstract (English):
The problem of the using of avalanche photodiodes as photo-receiver for control of changes in parameters of fiber-optic lines based on the reception of the external radiation. The special features of functioning and the working conditions of avalanche photodiode are analyzed. The need for signal amplification is identified and justified and the coefficient of amplification and the relation signal/noise of the output signal for further processing are calculated.
The problem of the using of avalanche photodiodes as photo-receiver for control of changes in parameters of fiber-optic lines based on the reception of the external radiation. The special features of functioning and the working conditions of avalanche photodiode are analyzed. The need for signal amplification is identified and justified and the coefficient of amplification and the relation signal/noise of the output signal for further processing are calculated.
Keywords:
avalanche photodiode, transimpedance amplifier, control temperature, microcontroller
avalanche photodiode, transimpedance amplifier, control temperature, microcontroller
Введение В настоящее время оптоволоконные линии широко применяются во многих областях, например связи, медицине, технике. Отметим также их широкое применение в системах сбора и обработки данных. Большие возможности заложены в них и с точки зрения использования в качестве чувствительных элементов приема излучения. На современном рынке измерительных систем и датчиков доминирующее положение продолжают занимать электронные измерительные технологии, которые предполагают преобразование измеряемого параметра в электрический сигнал и его последующую обработку. В системах измерения для приема светового сигнала от оптоволоконной линии, содержащей информацию об изменениях измеряемых параметров, применяются лавинные фотодиоды (ЛФД). Они имеют ряд преимуществ по сравнению с другими приборами при приеме световых сигналов. Лавинные фотодиоды имеют высокую скорость и чувствительность благодаря использованию внутреннего механизма усиления на основе обратного напряжения. Одним из наиболее важных достоинств ЛФД является обеспечение принципиальной возможности считывания сигнала, проходящего через оптоволоконную линию без разрушения или разъединения самой линии, а лишь на основе считывания светового сигнала, излучаемого через поверхность линии. Данное свойство может быть использовано при создании систем неразрушающего контроля на основе оптоволоконных линий. Но на работу ЛФД сильно влияют изменения температуры окружающей среды и величины обратного напряжения. Поэтому при использовании ЛФД, во-первых, необходимо обеспечивать требуемые условия работы и соответствующую данному ЛФД точку работы. Во-вторых, для обработки сигналов от ЛФД нужно усилить эти сигналы до уровней, достаточных для последующей его обработки. При рассмотрении этих вопросов в качестве образца нами был выбран датчик фирмы Hamamatsu S2381 как один из наиболее чувствительных и надежных. Основные параметры эксплуатации ЛФД Проведем анализ параметров ЛФД, которые влияют на процесс его внедрения и экплуатации. Критерий выбора ЛФД: - напряжение смещения; - чувствительность при спектральном пике; - минимальный темновой ток; - температурный коэффициент; - стоимость. Датчик фирмы Hamamatsu S2381, выбранный нами в качестве образца на основе поиска в сети Интернет и анализа доступной литературы, имеет следующие характеристики [1]: - диапазон спектрального отклика λ, нм: 400–1 000; - длина волны в пике чувствительности λp, нм: 800; - оптическая чувствительность S, M = 1, λ = 800 нм (A/W): 0,5; - величина умножения QE, M = 1, λ = 800 нм, %: 75; - напряжение пробоя, VBR Id = 100 нA: обычное – 150 В, максимальное – 200 В; - температурный коэффициент (В/ºC): 0,65; - тёмновой ток, Id: обычный – 0,05 нА, максимальный – 0,5 нА; - частота среза fc при RL = 50 Ω: 1 000 МГц; - терминальная ёмкость Ct: 1,5 пФ; - коэффициент шума x при λ = 800 нм: 0,3; - коэффициент усиления при λ = 800 нм: 100. Как было отмечено выше, эффективность работы ЛФД в существенной степени зависит от величины обратного напряжения и температурного режима работы. Рассмотрим эти показатели применительно к выбранному типу ЛФД. Стабилизация обратного напряжения. Коэффициент умножения (усиления) ЛФД зависит от напряженности электрического поля, приложенного к лавине слоя. Как правило, чем выше обратное напряжение, тем выше коэффициент усиления. Однако, если обратное напряжение превышенно увеличивает, то происходит падение напряжения, т. к. ток протекает через последовательный резистор и нагрузку, в результате чего напряжение, приложенное к лавинному слою, уменьшается. Это означает, что ЛФД изначально имеет оптимальную величину коэффициента подачи обратного напряжения, при котором происходит максимальное усиление, и значение этого коэффициента зависит от напряжения. Эмпирическая формула (1) [2] показывает сильную зависимость коэффициента лавинного умножения от приложенного обратного напряжения. На рис. 1 показана характеристика типичных усилений от обратного напряжения при различных значениях температуры. Рис. 1. Влияние усиления от напряжения ЛФД Hamamatsu S2381 , (1) где Ub – напряжение пробоя. Показатель степени n принимает значения от 2 до 6, в зависимости от температуры и характеристики материала, структуры p-n-перехода. Поэтому ЛФД требуется подача высокого стабильного напряжения. Лавинный фотодиод Hamamatsu S2381 работает в диапазоне напряжения 80–180 В, в качестве преобразователя напряжения рекомендуется использовать преобразователь Emco Q04, который имеет следующие характеристики (рис. 2) [3]: - максимальный входной ток при полной нагрузке – менее 100 мА; - выходное напряжение – 60–400 В; - максимальный выходной ток – 1,25 мA; - пульсации выходных напряжений – 0,1 % p-p. Рис. 2. Электрическая схема преобразователя напряжения Emco Q04 Контроль температуры и регулирование напряжения. Рассмотрим эквивалентную схему ЛФД (рис. 3). Рис. 3. Эквивалентная схема ЛФД: IL – ток, генерируемый приемным световым сигналом; VD – обратное напряжение; ID – ток ЛФД; Cj – соединенная емкость; Rsh – сопротивление резистора шунта; I’ – ток резистора шунта; Rs – сопротивление последовательного резистора; V0 – выходное напряжение; I0 – выходной ток Выходной ток I0 задается выражением (2) [4], и рис. 4 показывает зависимость температурного коэффициента напряжения от температуры окружающей среды. , (2) где IS – обратный ток насыщения ЛФД; q – заряд электрона; k – коэффициент Больцмана; Т – абсолютная температура ЛФД. Рис. 4. Зависимость температурного коэффициента напряжения от температуры окружающей среды Как показано на рис. 4, при повышении температуры окружающей среды напряжение необходимо увеличить для поддержания постоянного усиления. Это значит, необходимо непрерывно контролировать температуру окружающей среды ЛФД и управлять напряжением обратной связи ЛФД. Рекомендуется использовать датчик температуры TMP275, имеющий следующие основные параметры: - точность измерения – 0,5 ºC; - диапазон измерения – 20–100 ºС; - интерфейс с микроконтролем через I2C. Функциональная схема системы контроля температуры и регулирования напряжения показана на рис. 5. Рис. 5. Функциональная схема системы контроля температуры и регулирования обратного напряжение Особенности усиления сигналов от ЛФД Выше мы обсуждали два основных условия, обеспечивающие нормальную работу ЛФД. Рассмотрим теперь проблему шума и коэффицента усиления ЛФД, т. к. от этих параметров зависит эффективная обработки сигнала на последующих этапах, в частности значение коэффициента сигнал/шум. Шум ЛФД. На рис. 6 показаны источники шумов ЛФД. Рис. 6. Источники шумов лавинного фотодиода Как и при использовании других фотодиодов, нижний предел обнаружения света определяется характеристикой шума. Шумовой ток кремниевого ЛФД складывается из суммы температурного шума IJ или шума из резистора, величина которого аппроксимирует сопротивление шунтируемого резистора Rsh и дробового шума ISD и ISL [5, 6]: , (3) , (4) где k – постоянная Больцмана, k = 1,38 x 10-23; Т – абсолютная температура ЛФД, K; В – полоса пропускания, МГц. При обратном напряжении всегда есть темновой ток, дробовой шум ISD темнового тока задается уравнением (3). , (5) где q – заряд электрона − 1,602176565(35)·10−19 Кл; ID – темновой ток; В – ширина диапазона шума. Когда фототок IL порождается падающим светом, ISL задается уравнением (6) Если IL >> 0,026/Rsh (Rsh ~ 108 Гц) или IL >> ID, дробовой шум в уравнении (6) становится преобладающей частью шума, а коэффициенты шума из уравнений (4) и (5) малые. Каждая из амплитуд этих источников шума пропорциональна квадрату полосы пропускания шума (B), которая выражается в единице А/Гц1/2. Усилитель. Конструктивно предлагается фотоприемное устройство (ФПУ), состоящее из фотодиода и широкополосного высокочувствительного усилителя. Усилители ФПУ традиционно делятся на предварительный и оконечный. На рис. 7 приведена схема ФПУ. Предварительный усилитель (ПУ) усиливает электрический сигнал, обеспечивающий наибольшее отношение сигнал/шум. Предварительный усилитель должен быть хорошо согласован с ЛФД и должен обеспечивать одновременно эффективную передачу энергии сигнала и малый уровень шума. Для получения малошумящего усиления применяются схемы самой различной структуры. Наименьшими шумами обладают высокоимпедансные усилители с интегрированием во входной цепи. По динамическому диапазону на первом месте оказывается трансимпедансный усилитель, за ним следуют низкоимпедансный и высокоимпедансный. По рабочему диапазону частот первенство принадлежит низкоимпедансному усилителю. В меньшем диапазоне частот возможно применение высокоимпедансного и, особенно, трансимпедансного усилителей. Учитывая все достоинства и недостатки схем усилителей, выбираем схему трансимпедансного усилителя. Оконечный усилитель (ОУ) осуществляет усиление, понижающее выходное сопротивление ФПУ, необходимое для работы устройства обработки сигнала. Рис. 7. Структурная схема ФПУ: ОС – цепь отрицательной обратной связи Фотоприемное устройство, как правило, работает при уровнях входной мощности, превышающих порог чувствительности. Запас входной мощности необходим для обеспечения надежности работы, т. к. с течением времени, вследствие старения лазера, мощность передатчика уменьшается. Коэффициент усиления. Трансимпедансный усилитель должен быть разработан с учетом емкости ЛФД. В самом деле, в отличие от усилителя, независимо от устройства, подключенного к нему, трансимпедансный усилитель увидит изменение их характеристик из-за ЛФД, подключаемого к нему. Схема предварительного усилителя показана на рис. 8. Рис. 8. Электрическая схема предварительного усилителя Частотная характеристика ПУ оценивается по формуле (7) [7]: , (7) где Rf – сопротивление обратной связи; – частота работы; Аv – коэффициент усилителя при открытой цепи; Ipd – выходной ток ЛФД. При нижней пороговой частоте имеем = 0, поэтому , и тогда сопротивление обратной связи равно Предлагается использовать источник лазера SLED DXP0019, который имеет мощность P = 90 нВт при длине волны 800 нм. В измеряющих системах, использующих оптоволоконную линию, входная мощность фотоприемника приблизительно 5 нВт. Датчик S2381 имеет токовую чувствительность Sph = 0,5 А/Вт при М = 1 и λ = 800 нм. Если выбираем коэффициент умножения М = 100 (при обратном напряжении 134 B и комнатной температуре 20 °С), то максимальный выходной ток ЛФД будет равен: . Тогда, с целью получения выходного напряжения 3,3 B , значение коэффициента обратной связи должно быть равно: k = 3,3/0,25·10-3 = 13,2 k Ω. Этот коэффициент относится к двум интегральным схемам: k Ω. Ёмкость обратной связи, в зависимости от полосы пропускания частот, находится по формуле . (8) Предложим, полосы пропускания частот ∆f = 100 MГц, тогда емкость обратной связи будет В принципиальной схеме, показанной на рис. 8, токовый источник I2 и входной конденсатор C4 представляют APD. Интегральная схема U1 и резистор R2 представляют собой трансимпедансный усилитель. Резистор R2 и конденсатор обратной связи C3 используются, чтобы управлять частотным откликом. Часть (U2, R4, R3) регулирует выходное напряжение в диапазоне 1–5 В, соответствующей использованному аналого-цифровому преобразователю. Шум усилителя. Предлагается использовать ИС OPA847ID для усиления сигнала. У него два основных источника шума. Первый источник шума входного напряжения – шум по даташиту, связанный с входным сигналом; его коэффициент шума входного напряжения α = 0,85. Предложим, что полоса пропускания частот – 100 MГц. Выходное напряжение шума будет: Вторым источником шума является температурный шум: Шум, создаваемый ЛФД, усиливается, и величина усиленного сигнала шума равна: Тогда сумма выходного шума будет: Un = 112 + 147 +109 = 378 мкВ. Отношение сигнал/шум будет: Итак, на основе предлагаемой схемы обеспечивается величина выходного сигнала 3,3 B и отношение сигнал/шум 78,8 дБ, и, следовательно, блок обработки сигнала сможет выполнить последующую обработку этого сигнала из фотоприёмного устройства. Заключение Результаты, полученные в работе, позволяют использовать ЛФД S2381 в интегральной схеме фотоприемников. Выходной сигнал удовлетворяет требованиям, необходимым для его последующей обработки.
1. Characteristics and use of SI APD Hamamatsu Corporation. March 2011: http://sales.hamamatsu. com/assets/applications/SSD/Characteristics_and_use_of_SI_APD.pdf.
2. Karih E. D. Optoelektronika / E. D. Karih. – Minsk: BGU, 2000. – 263 s.
3. http://www.kumnong.co.kr/kum/emco/img/q.pdf.
4. Friman R. Volokonno-opticheskie sistemy svyazi / R. Friman. – M.: Tehnosfera, 2003. – S. 153–155.
5. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tmp275.pdf.
6. Sumkin V. R. Izmerenie malyh i sverhmalyh moschnostey opticheskogo izlucheniya i infrakrasnogo diapazona / V. R. Sumkin, V. B. Rudnickiy, A. N. Sergeev, A. N. Karasov // Foton-Ekspress. – 2003. – № 5 (31). – S. 20–24: http://www.fotonexpress.ru.
7. Texas Instruments Application Report, Noise Analysis in Operational Amplifier Circuits, SLVA043B, 2007: http://www.ti.com/lit/an/slva043b/slva043b.pdf.
