Способ порогового обнаружения оптических сигналов Российский патент 2023 года по МПК G01R19/175 H01L31/107 

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 способы стабилизации лавинного режима фотодиода, например, путем термокомпенсации рабочей точки напряжения смещения [2].

Известен способ порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, напряжение смещения которого поддерживают путем стабилизации частоты шумовых импульсов, возникающих при пороговой обработке смеси сигнала и шума [3]. Недостатком этого способа является зависимость лавинного режима от выставленного порога срабатывания. Это приводит к неправильному выбору рабочей точки фотодиода и ухудшению пороговой чувствительности.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, заключающийся в приеме сигналов, преобразовании их в электрические, усилении и сравнении с пороговым уровнем, согласно которому предварительно устанавливают безлавинный режим фотодиода путем подачи на него низкого напряжения смещения и стабилизируют пороговый уровень по частоте шумовых превышений порога f, затем фиксируют порог на этом уровне, увеличивают его в раз и увеличивают напряжение смещения до тех пор, пока частота шумовых превышений порога не достигнет первоначальной величины f, после чего фиксируют напряжение смещения фотодиода, увеличивают пороговый уровень в раз и приступают к приему сигналов [4].

Недостатком этого способа является произвольность устанавливаемых параметров в широких пределах. Это может отрицательно повлиять на точный выбор оптимальной рабочей точки фотодиода и порогового уровня и, тем самым, на пороговые характеристики при измерениях.

Задачей изобретения является упрощение подготовительного режима и обеспечение оптимальной чувствительности во всех условиях эксплуатации при гарантированной вероятности ложных срабатываний и максимальном быстродействии.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающем пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно устанавливают безлавинный режим фотодиода путем подачи на него низкого напряжения смещения и стабилизируют пороговый уровень по частоте шумовых превышений порога f, затем фиксируют порог на этом уровне, увеличивают его в раз и увеличивают напряжение смещения до тех пор, пока частота шумовых превышений порога не достигнет первоначальной величины f, после чего фиксируют напряжение смещения фотодиода, увеличивают пороговый уровень в раз, причем, устанавливают параметры повышения порога равными частоту f устанавливают в соответствии с соотношением где α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода, f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, f_p - предельно допустимая частота превышения порога шумовыми выбросами в рабочем режиме, после чего приступают к приему сигналов.

Параметры α и f₀ определяют при проведении предварительных измерений в процессе проектирования, а значения f_p, и f устанавливают в качестве постоянных аппаратных параметров.

Фиг. 1 представляет циклограмму способа. На фиг. 2 приведены графики зависимости частоты шумовых выбросов f_p в рабочем режиме от частоты f превышений порога в подготовительном режиме при разных значениях параметра α. На фиг. 3 показана типичная зависимость квадрата отношения сигнал/шум от коэффициента лавинного умножения. На фиг. 4 представлена структурная схема аппаратуры, реализующей способ. На фиг. 1 представлена циклограмма способа.

Подготовка к приему сигналов включает первый и второй подготовительный циклы (фиг. 1).

Τ₁ - длительность первого подготовительного цикла - установка порога U.

Т₂ - длительность переходного процесса из первого во второй подготовительный цикл, установка порога Um.

Т₃ - длительность второго подготовительного цикла - установка оптимальной лавины.

Т₄ - длительность переходного процесса из второго подготовительного цикла в рабочий режим - установка порога U_paб.

Т₅ - длительность рабочего режима.

Известно [5-8], что в безлавинном режиме (М=1) квадрат среднеквадратического значения шума σ на выходе фотодиода

где σ₀ и σ₁ - соответственно среднеквадратические значения неумножаемой (σ₀) и умножаемой (σ₁) составляющих шума.

Частота f пересечений порога U шумовыми выбросами в безлавинном режиме [9]

Где - частота пересечения шумом нулевого порога; R’’(0) - вторая производная корреляционной функции шума на входе порогового устройства R(τ) при задержке τ=0 [9]. Зная частоты f и f₀ из (2) можно определить отношение порог/шум

В лавинном режиме [5]

где α - параметр шум-фактора лавинного умножения F=М^α, определяемый материалом и структурой фотодиода [4-7].

Квадрат отношения сигнал/шум

Обратная η² величина (квадрат отношения шум/сигнал)

Производная этой величины

Минимум отношения шум/сигнал обеспечивается при dW/dM=0.

Условие (8) выполняется при

Частота шумовых превышений порога в лавинном режиме

Подстановка (9) в (10 дает выражение частоты шумовых превышений порога при Μ=М_опт. С учетом всегда имеющего место условия σ₀² >> σ₁²

Из (2) и (11) получается отношение частот f(M=М_опт) и f(M=1).

Подстановка (3) в (12) дает

Как следует из (12) и (13), при постоянных значениях коэффициента а, зависящего от конструкции фотодиода, и U/σ, задаваемом частотой f, отношение f(Μ_опт)/f полностью определяется этими параметрами и также является постоянным параметром способа.

Согласно [4] частота f может быть любой в самом широком диапазоне при выполнении условий

и

Основное расчетное соотношение предлагаемого способа вытекает из (2) и (11).

Из равенства этих частот при следует

откуда отношение порогов во втором и первом подготовительных циклах

При произвольном выборе частоты f [4] параметры и определяемые выражениями (16) и (17), могут отличаться; это усложняет конструкцию системы, ее отладку и метрологическое обеспечение, что ведет к увеличению трудоемкости и нестабильности характеристик в процессе эксплуатации.

Согласно предлагаемому решению коэффициенты повышения порога приняты равными: Это, с одной стороны, позволяет унифицировать процесс изготовления и отладки, а, с другой стороны, однозначно определяет частоту f. Это обеспечивает однородность продукции и стабильность поддержания ее характеристик. При этом номинальная частота f определяется равенством выражений (16) и (17):

откуда

где α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода, f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, f_p - предельно допустимая частота превышения порога шумовыми выбросами в рабочем режиме. Все эти параметры определяются конструкцией аппаратуры и устанавливаются заранее в процессе проектирования.

Регулировку рабочей частоты f можно осуществлять по методике шумовой автоматической регулировки порога [8]. На фиг. 2 приведены регулировочные характеристики для трех типов лавинных фотодиодов - германиевого (α=1), кремниевого (α=0,5) и арсенид-галлиевого (α=0,3). На начальном участке эти характеристики носят логарифмически-линейный характер. Это облегчает методику и метрологию регулировки.

С уменьшением α регулировочная характеристика становится более пологой.

Для α=1 крутизна характеристики равна 25 кГц f на декаду f_p. При этом за длительность цикла Τ=0,1 с происходит в среднем N=2500 шумовых выбросов, то есть случайное отклонение N составляет всего Для α=0,5 и α=0,3 крутизна составляет соответственно 150 кГц/дек и 300 кГц/дек, а случайный разброс N за Τ=0,01 с не превышает 2%.

Регулировка коэффициента лавинного умножения Μ осуществляется в первом подготовительном цикле и полностью определяется параметрами и α, известными с высокой точностью. Это позволяет поддерживать лавинный режим однозначно и устойчиво.

Особенность предлагаемого способа - постоянство параметров (16) и (17), выбираемых на этапе проектирования и неизменных в процессе эксплуатации во всех условиях. Вторая существенная особенность - одинаковая частота f в первом и втором подготовительных режимах позволяет выбирать ее в максимальной близости к предельной частоте f₀, что дает возможность реализовать минимальное время выхода на рабочий режим и минимальные случайные колебания аппаратной оценки частоты при реализации способа. Третья важная особенность данного способа - в области оптимальной лавины имеет место слабая зависимость отношения сигнал/шум от коэффициента лавинного умножения. На фиг. 3 представлен типичный для этой зависимости график. При оптимальном значении коэффициента лавинного умножения М_опт=26 на границах широкого диапазона Μ от 18 до 46 происходит лишь пятипроцентное ухудшение отношения сигнал/шум, а в диапазоне Μ от 21 до 32 отношение сигнал шум ухудшается всего на 1,5%.

В свою очередь при рассмотренной методике выхода на рабочий режим номинальное значение частоты f может поддерживаться с высокой точностью. Нетрудно показать, что десятипроцентная ошибка задания частоты f приводит к отклонению Μ всего на 5%. Это делает возможным достижение практически любой точности М_опт при минимальном значении параметра fT, в основном, определяющем случайное отклонение f от номинального значения.

Пример 1

Исходные данные:

(σ₀/σ₁)²=900; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f₀=10⁷ Гц; f=4⋅10⁵ Гц; f_paб=1 Гц.

Пример 2 (то же при высокой температуре или при фоновой засветке, уменьшающих отношение σ₀/σ₁)

Исходные данные:

(σ₀/σ₁)²=100; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f₀=10⁷ Гц; f=4⋅10⁵ Гц; f_paб=1 Гц.

Время усреднения Τ датчиков частоты выбирают из условия (14) при учете соотношения Τ ~ Т_г [7], где Т_г - время выхода на режим.

Пример 3

Исходные данные:

(σ₀/σ₁)²=900; α=0,5 (Si лавинный фотодиод); f₀=10⁷ Гц; f=4⋅10⁵ Гц; f_paб=1 Гц.

откуда Τ=100/f=2,5⋅10^-4 с.

Время подготовки к работе Т_п ~ 2 Τ=5⋅10^-4 с.

В известном способе при тех же допущениях время Т_п ~ 1-3 с [8], то есть выигрыш по сравнению с аналогом составляет четыре порядка, что позволяет использовать предлагаемый способ в быстродействующих частотных системах. При этом методическая стабильность предлагаемого способа обеспечивает его применение в самых широких условиях эксплуатации.

Пример 4

Исходные данные:

f=4⋅10⁵ Γц. Τ=2,5⋅10^-4 с.

fT=100. Μ=26.

Относительное среднеквадратическое отклонение ошибки задания частоты f равно При этом относительное среднеквадратическое отклонение σ_М коэффициента лавинного умножения от номинального значения составит 5%. То есть в стандартных пределах ±3σ_М окажется диапазон Μ от 22 до 30, что, как видно из фиг. 3, может привести к ухудшению отношения сигнал/шум относительно потенциального значения не более чем на 1%.

Возможный вариант приемника по предлагаемому способу (фиг. 4) содержит лавинный фотодиод 1, выход которого через согласующий усилитель 2 и управляемые аттенюаторы 3 и 4 подключен ко входу порогового формирователя импульсов 5. Выход последнего связан со входами датчиков частоты 6 и 7. Датчик 6 подключен к управляющему входу порогового формирователя 5, а датчик 7 - к источнику смещения фотодиода 8. Датчики 6 и 7 и аттенюаторы 3 и 4 подключены к блоку управления 9. На выходе порогового формирователя установлен ключ 10, связанный с блоком управления.

Способ осуществляется следующим образом.

Предварительно (на этапе проектирования) устанавливают: частоту f₀, определяемую полосой пропускания приемного тракта 1-4 до входа порогового формирователя; частоту f, удовлетворяющую оговоренным выше ограничениям и особенностям примененных аппаратных средств; частоту f_paб - по предъявляемым техническим требованиям; параметр а, определяемый конструкцией фотодиода; интервал усреднения Τ датчика частоты.

Перед приемом сигналов включают подготовительный режим, в течение которого устанавливают оптимальные параметры приемного тракта - коэффициент лавинного умножения фотодиода и порог срабатывания порогового устройства. С этой целью на первом этапе с помощью блока управления 9 открывают аттенюаторы 3 и 4 и устанавливают на источнике смещения 8 низкий уровень напряжения смещения, соответствующий коэффициенту лавинного умножения Μ=1. Одновременно устанавливают порог срабатывания U формирователя 5 так, чтобы частота f шумовых превышений порога соответствовала номинальному значению. По достижении установившегося значения порога U с помощью блока управления включают аттенюатор 3, вносящий ослабление и тем самым поднимающий эквивалентный порог до уровня Одновременно с помощью блока управления включают датчик частоты 7, управляющий коэффициентом лавинного умножения фотодиода путем подачи на него напряжения смещения, при котором частота шумовых срабатываний в лавинном режиме f_M снова станет равна частоте f, установленной в безлавинном режиме.

После выхода на режим f_M=f, напряжение смещения фотодиода с помощью блока управления фиксируют на достигнутом уровне и командой с блока управления включают аттенюатор 4, вносящий ослабление Одновременно открывают ключ 10, пропускающий выходные импульсы формирователя 5 на выход. Таким образом, осуществляется переход в рабочий режим приема оптических сигналов. При этом частота шумовых срабатываний на выходе не превышает заданного допустимого значения f_p, а коэффициент лавинного умножения фотодиода Μ=М_опт обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум.

Таким образом, описанный способ решает поставленную задачу - упрощение подготовительного режима и обеспечение оптимальной чувствительности во всех условиях эксплуатации при гарантированной вероятности ложных срабатываний и максимальном быстродействии.

Источники информации

1. Росс М. Лазерные приемники. - М.: Мир., 1969. - 520 с.

2. Патент РФ №2248670. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения. 2005 г.

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

4. Патент РФ №2755602. Способ порогового обнаружения оптических сигналов. - прототип.

5. 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.

6. Анисимова И.Д. и др. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. Под ред. В.И. Стафеева. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

7. Филачев А.М., Таубкин И.И., Тришенков М А. Твердотельная фотоэлектроника. Фотодиоды. - М.: Физматкнига, 2011. - 448 с.

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

9. Тихонов В.И. Выбросы случайных процессов. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1970, С. 392.

Изобретение относится к приему сигналов, в частности, к технике выделения сигналов из шума с помощью лавинных фотодиодов и может быть использовано в локации, связи и любой области, где требуется обеспечение наилучшей реальной чувствительности. Способ порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, предварительно устанавливают безлавинный режим фотодиода путем подачи на него низкого напряжения смещения и стабилизируют пороговый уровень по частоте шумовых превышений порога f, затем фиксируют порог на этом уровне, увеличивают его в раз и увеличивают напряжение смещения до тех пор, пока частота шумовых превышений порога не достигнет первоначальной величины f, после чего фиксируют напряжение смещения фотодиода, увеличивают пороговый уровень в раз, причем, устанавливают параметры повышения порога равными частоту f устанавливают в соответствии с соотношением где α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода, f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, f_p - предельно допустимая частота превышения порога шумовыми выбросами в рабочем режиме, после чего приступают к приему сигналов. Технический результат изобретения заключается в упрощении подготовительного режима и обеспечении оптимальной чувствительности во всех условиях эксплуатации при гарантированной вероятности ложных срабатываний и максимальном быстродействии. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 пр.

1. Способ порогового обнаружения оптических сигналов с помощью лавинного фотодиода, включающий пороговую обработку сигналов и формирование выходных импульсов с помощью порогового устройства при превышении сигналом с выхода фотодиода заданного порога срабатывания, отличающийся тем, что предварительно устанавливают безлавинный режим фотодиода путем подачи на него низкого напряжения смещения и стабилизируют пороговый уровень по частоте шумовых превышений порога f, затем фиксируют порог на этом уровне, увеличивают его в раз и увеличивают напряжение смещения до тех пор, пока частота шумовых превышений порога не достигнет первоначальной величины f, после чего фиксируют напряжение смещения фотодиода, увеличивают пороговый уровень в раз, причем, устанавливают параметры повышения порога равными а частоту f устанавливают в соответствии с соотношением где α - коэффициент, определяемый материалом фотодиода, f₀ - частота пересечения шумом нулевого уровня, f_p - предельно допустимая частота превышения порога шумовыми выбросами в рабочем режиме, после чего приступают к приему сигналов.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что параметры α и f₀ определяют при проведении предварительных измерений в процессе проектирования, а значения f_p, и f устанавливают в качестве постоянных аппаратных параметров.