Способ стабилизации лавинного режима фотодиода Российский патент 2022 года по МПК G01R19/175 G01S7/48 

Описание патента на изобретение RU2778045C1

Предлагаемое изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности, к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных системах.

Известен способ приема оптических сигналов с помощью лавинных фотодиодов [1]. Известны также способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [2].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ стабилизации режима лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих в фотодиоде в процессе лавинного умножения [3].

Недостатком этого способа является возможность введения фотодиода в режим микроплазменного пробоя [4]. Микроплазменные импульсы тока имеют прямоугольную форму и постоянную амплитуду, которая возрастает по мере увеличения обратного напряжения. Увеличение тока накачки сопровождается увеличением длительности импульсов и уменьшением скважности [5]. В таком режиме шум лавинного фотодиода состоит из двух независимых составляющих - нормального шума [6] и «телеграфного» шума микроплазм. Микроплазменная составляющая шума фотодиода не сопоставима по статистическим характеристикам с нормальной составляющей, и ее участие в процессе регулирования смещения фотодиода непредсказуемо [7]. При некоторых температурных условиях регулировка лавинного режима по частоте шумовых выбросов фотодиода включая микроплазмы, может привести к выходу системы на неоптимальный режим лавинного умножения, т.е. к ухудшению пороговой чувствительности фотоприемного устройства или к недопустимой вероятности ложных срабатываний, вызванных микроплазмами.

Задачей изобретения является достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазм и нормального шума фотоприемного канала.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе стабилизации лавинного режима фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении принятым сигналом заданного порога срабатывания Uпор1, контролируют частоту f микроплазменных импульсов относительно порога Uпор2>Uпор1, а напряжение смещения Uсм фотодиода постепенно повышают до уровня Uсм, при котором частота f сначала растет до максимального значения fmax, а затем снижается до предельно допустимого значения fmin, после чего приступают к приему сигналов.

Порог срабатывания Uпор1 порогового устройства может быть установлен с помощью шумовой автоматической регулировки порога.

На фиг. 1 представлена схема фотоприемного устройства, реализующего данный способ. На фиг. 2 - графики коэффициента лавинного умножения М и вероятности регистрации микроплазм W в зависимости от напряжения смещения Uсм лавинного фотодиода. На фиг. 3 показаны примеры реализации шума на выходе приемного тракта в разных фазах регулирования напряжения смещения фотодиода:

а) до появления микроплазм;

б) в режиме импульсных микроплазменных пробоев;

в) в рабочем режиме.

Там же указаны нижний амплитудный уровень 9 микроплазм и уровень 10 рабочего порога, реализуемого пороговым устройством.

Реализующее способ фотоприемное устройство (фиг. 1) содержит последовательно включенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2 и пороговое устройство 3. Напряжение смещения подается на фотодиод I от последовательно включенных источника питания 4 и схемы смещения 5. Пороговое устройство 3 охвачено цепью обратной связи в виде схемы шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП) 6, включенной между выходом порогового устройства и его управляющим входом. Схема смещения управляется переключателем лавинного режима 7. Синхронизация работы производится блоком управления 8, связанным с блоками 6 и 7.

Способ осуществляется следующим образом.

По команде от блока управления 8 включаются схема смещения 5 и схема ШАРП 6. Схема смещения повышает напряжение смещения фотодиода, обеспечивая увеличение коэффициента лавинного умножения до предварительного уровня. Порог срабатывания порогового устройства 3 с помощью схемы ШАРП [8] поддерживает частоту шумовых превышений порога на заданном уровне, отрабатывая увеличение среднеквадратического значения нормального шума Ку Iш2, где

Ку - коэффициент передачи тракта от фотодиода до входа порогового устройства;

I0*2 - квадрат неумножаемого шумового тока;

е - заряд электрона;

I1 - первичный обратный ток фотодиода;

Δf - полоса пропускания приемного тракта;

М - коэффициент лавинного умножения;

Мα - шум-фактор лавинного умножения;

α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода [6].

Постоянная времени схемы ШАРП должна обеспечивать постоянное отношение порог/шум при заданной скорости изменения Iш2 [8, 9].

Неумножаемый шум I0*2=Ir2+Im2 не зависит от напряжения смещения и включает тепловой шум нагрузки

где K - коэффициент шума, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, R - сопротивление нагрузки,

и дробовой шум насыщенных микроплазм

где Im0 - постоянный ток микроплазменного пробоя.

По мере роста напряжения смещения фотодиода увеличивается не только нормальная составляющая (2) умножаемого шума IM2, но и вероятность W(Uсм) возникновения микроплазменных пробоев [7] (фиг. 2б). При дальнейшем росте напряжения смещения активизируются все центры, порождающие микроплазмы, и их разряд становится квазипостоянным ввиду резкого снижения вероятности выключения микроплазм: с увеличением тока на один порядок вероятность выключения уменьшается на несколько порядков [11].

Напряжение смещения увеличивают до уровня Uсм=Uсм1, при котором микроплазменный пробой становится постоянным (фиг. 2в), о чем свидетельствует прекращение выбросов, превышающих порог Uпор2, после чего сигналом с выхода переключателя лавинного режима 7 фиксируют напряжение смещения на достигнутом уровне в).

Скорость увеличения напряжения смещения должна обеспечивать надежное измерение частоты f с заданной доверительной вероятностью ошибки измерения [10] за каждый шаг приращения Uсм.

Эффективность способа можно оценить следующим образом.

С учетом (1), (2) квадрат отношения шум/сигнал может быть записан в виде

где JM2=2eI1Δƒ.

Производная (5) по М

Условие нуля производной

или

откуда

Пример

Темновой ток фотодиода I1=10-9А; постоянный ток микроплазм Im0=10-7 А [4]; температура Т=300 К; коэффициент шума K=2; полоса пропускания Δf=107 Гц; сопротивление нагрузки R=104 Ом; коэффициент α=0,5.

При этих исходных данных

JM2=2eIxΔƒ=2⋅1,6⋅10-19⋅10-9⋅107=3,2⋅10-21 А2;

Im2=2eIm0Δƒ=2⋅1,6⋅10-19⋅10-7⋅107=3,2⋅10-19 А2;

Квадрат отношения шум/сигнал

В отсутствие микроплазменного шума, то есть, при Im0=0

и

Проигрыш в отношении сигнал/шум из-за влияния квазинепрерывного микроплазменного пробоя в предлагаемом режиме равен то есть влияние шума микроплазм практически устраняется.

Описанная процедура позволяет заблокировать взрывной характер микроплазменного процесса и, тем самым, устранить влияние микроплазм и обеспечить достоверный прием сигналов при оптимальном уровне лавинного умножения.

Таким образом, решается задача изобретения - достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев.

Источники информации

1 Росс М. Лазерные приемники. - «Мир», М., 1969 г.

2 Патент РФ №2 248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.

3 US pat. 4,077,718. Receiver for optical radar. 1978. - прототип.

4 Филачев A.M., Таубкин И.И., Тришенков M.A. Твердотельная фотоэлектроника. Физические основы. Москва, Физматгиз. 2007, - С. 345.

5 Вишневский А.И., Руденко В.С., Платонов А.П. Силовые ионные и полупроводниковые приборы. Учебное пособие для вузов. Под редакцией В.С. Руденко. Москва, Высшая школа, 1975.

6 Вильнер В.Г., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н. Анализ входной цепи фотоприемного устройства с лавинным фотодиодом и противошумовой коррекцией. Оптико-механическая промышленность, 1981, №9, - с. 59.

7. Шашкина А.С. и др. Лавинный пробой p-n-перехода в задачах радиотехники. - Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2016, том 16, №5, с. 864-871.

8 Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. - Оптико-механическая промышленность, 1984, №5, с. 39-41.

9 Патент РФ №2718856. Способ автоматической стабилизации частоты пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса, 2020 г.

10 Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Москва, Высшая школа, 1977, - 480 С.

11 Мусаев A.M. Механизм выключения микроплазм при лавинном пробое p-n-структур кремния. - Физика и техника полупроводников, 2016, том 50, вып. 10, с. 1370-1373.

Похожие патенты RU2778045C1

название год авторы номер документа
Способ стабилизации режима лавинного фотодиода 2021
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Землянов Михаил Михайлович
  • Кузнецов Евгений Викторович
  • Сафутин Александр Ефремович
  • Седова Надежда Валентиновна
RU2778976C1
Способ приема оптических сигналов 2021
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Землянов Михаил Михайлович
  • Кузнецов Евгений Викторович
  • Сафутин Александр Ефремович
  • Седова Надежда Валентиновна
RU2778047C1
Способ приема импульсных оптических сигналов 2021
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Землянов Михаил Михайлович
  • Кузнецов Евгений Викторович
  • Сафутин Александр Ефремович
  • Седова Надежда Валентиновна
RU2778048C1
Способ порогового обнаружения оптических сигналов 2021
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Землянов Михаил Михайлович
  • Кузнецов Евгений Викторович
  • Сафутин Александр Ефремович
  • Седова Надежда Валентиновна
RU2778629C1
Способ приема оптических импульсов 2021
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Землянов Михаил Михайлович
  • Кузнецов Евгений Викторович
  • Сафутин Александр Ефремович
  • Седова Надежда Валентиновна
RU2778046C1
Способ некогерентного накопления импульсных светолокационных сигналов 2022
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Землянов Михаил Михайлович
  • Кузнецов Евгений Викторович
  • Сафутин Александр Ефремович
  • Седова Надежда Валентиновна
RU2791151C1
Способ импульсного локационного измерения дальности 2022
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Землянов Михаил Михайлович
  • Короннов Алексей Алексеевич
  • Кузнецов Евгений Викторович
  • Сафутин Александр Ефремович
  • Седова Надежда Валентиновна
  • Шишкина Ирина Александровна
RU2792086C1
Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов 2022
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Землянов Михаил Михайлович
  • Кузнецов Евгений Викторович
  • Сафутин Александр Ефремович
  • Седова Надежда Валентиновна
RU2788940C1
Лазерный импульсный дальномер 2022
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Землянов Михаил Михайлович
  • Кузнецов Евгений Викторович
  • Сафутин Александр Ефремович
  • Седова Надежда Валентиновна
RU2791186C1
Способ приема оптических сигналов 2020
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Васильева Любовь Владимировна
  • Землянов Михаил Михайлович
  • Кузнецов Евгений Викторович
  • Мамин Алексей Владимирович
  • Сафутин Александр Ефремович
  • Седова Надежда Валентиновна
  • Турикова Галина Владимировна
RU2750442C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 778 045 C1

Реферат патента 2022 года Способ стабилизации лавинного режима фотодиода

Изобретение относится к приему оптических сигналов, в частности к технике приема сигналов с помощью лавинных фотодиодов, и может быть использовано в локации, связи и других фотоэлектронных системах. Способ стабилизации лавинного режима фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении принятым сигналом заданного порога срабатывания Uпор1, при этом контролируют частоту f микроплазменных импульсов относительно порога Uпор2>Uпор1, а напряжение смещения Uсм фотодиода постепенно повышают до уровня Uсм, при котором частота f сначала растет до максимального значения fmax, а затем снижается до предельно допустимого значения fmin, после чего приступают к приему сигналов. Порог срабатывания Uпор1 порогового устройства может быть установлен с помощью шумовой автоматической регулировки порога. Благодаря изобретению обеспечивается достижение предельной чувствительности во всех условиях эксплуатации с учетом микроплазменных пробоев и нормального шума. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 778 045 C1

1. Способ стабилизации лавинного режима фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении принятым сигналом заданного порога срабатывания Uпор1, отличающийся тем, что контролируют частоту f микроплазменных импульсов относительно порога Uпор2>Uпор1, а напряжение смещения Uсм фотодиода постепенно повышают до уровня Uсм, при котором частота f сначала растет до максимального значения fmax, а затем снижается до предельно допустимого значения fmin, после чего приступают к приему сигналов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что порог срабатывания Uпор1 порогового устройства устанавливают с помощью шумовой автоматической регулировки порога.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2022 года RU2778045C1

Способ изготовления планарного лавинного фотодиода 2016
  • Будтолаев Андрей Константинович
  • Будтолаева Анна Константиновна
  • Гришина Татьяна Николаевна
  • Хакуашев Павел Евгеньевич
  • Чинарева Инна Викторовна
RU2654386C1
Способ приема оптических сигналов 2020
  • Вильнер Валерий Григорьевич
  • Васильева Любовь Владимировна
  • Землянов Михаил Михайлович
  • Кузнецов Евгений Викторович
  • Мамин Алексей Владимирович
  • Сафутин Александр Ефремович
  • Седова Надежда Валентиновна
  • Турикова Галина Владимировна
RU2750442C1
CN 103389451 A, 13.11.2013
0
SU217196A1

RU 2 778 045 C1

Авторы

Вильнер Валерий Григорьевич

Землянов Михаил Михайлович

Кузнецов Евгений Викторович

Сафутин Александр Ефремович

Седова Надежда Валентиновна

Даты

2022-08-12Публикация

2021-11-22Подача