Фотоприемное устройство Советский патент 1992 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в системах для измерения и контроля параметров источников излучения, а также в системах оптической связи

Лавинные фотодиоды, обладающие внутренним усилением, широко используются в фотоприемных устройствах, от которых требуется высокое отношение сигнала к шуму на их выходе. Сильная зависимость коэффициента лавинного умножения Мэтих фотодиодов от напряжения смещения и температуры Т вынуждает использовать прецизионную стабилизацию напряжения смещения лавинног о фотодиода. Однако известно, что отношение сигнала к шуму на выходе лавинного фотодиода зависит от коэффициента лавинного умножения, и при равенстве дробового и теплового шумов имеет место оптимальный коэффициент умножения Мопт, при котором отношение сигнала к шуму на выходе фогоприемника имеет максимальное значение Поэтому понятно, что система стабилизации, поддерживающая неизменным напряжение смэ- щения лавинного фотодиода в изменяющихся температурных условиях, но обеспечивает потенциальной чувствительности фотоприемника, поскольку зависимость М(Т) при неизменном напряжении смещения лавинного фотодиода отличается от зав юимости М0пт(Т)

Наиболее близким к изобретению является фотоприемное устройство, содержащее стабилизируемый лавинный фотодиод и последовательно соединенные усилитель шумовых импульсов фотодиода, формирователь импульсов калиброванной длительности и амплитуды, эмиттерный повторитель, интегратор и управляемый стабилизатор напряжения смещения лавинного фотодиода. Поскольку в таком устройстве напряжение смещения лавинною фотодиода зависит от частоты следования шумовых импульсов на выходе усилителя, го замкнутая система автоматического регулисо

С

ч

00

со

Сл)

ю о

рования позволяет поддерживать эту частоту постоянной в изменяющихся температур- ных условиях. Однако из-за того, что собственный шум усилителя зависит от температуры, а общий шум на его выходе системой автоматического регулирования поддерживается постоянным, относительный вклад шумов лавинного фотодиода в шумовой сигнал на выходе усилителя будет изменяться с изменением температуры. Это приводит к тому, что отклонение коэффициента лавинного умножения в лавинном фотодиоде от оптимального значения зависит от температурных условий эксплуатации устройства. Это обстоятельство особенно сильно ограничивает возможности использования лавинных -фотодиодов в фотоприемных устройствах, реализующих статистический одноквантовый метод регистрации информации в нестабильных температурных условиях.

Цель изобретения - повышение точности поддержания оптимального значения коэффициента лавинного умножения лавинного фотодиода фотоприемного устройства в изменяющихся температурных условиях.

Поставленная цель достигается тем, что в фотоприемное устройство, содержащее последовательно соединенные стабилизируемый лавинный0фотодиод и первый усилитель шумовых импульсов лавинного фотодиода, а также последовательно соединенные формирователь импульсов калибро- ванной длительности и амплитуды, эмиттерный повторитель, интегратор, управляемый стабилизатор напряжения питания лавинного фотодиода, дополнительно введены второй усилитель шумовых импульсов, аналогичный первому, первый и второй формирователи коротких импульсов одинаковой длительности и амплитуды, первая и вторая схемы 2И, схема задержки и схема 2И-НЕ, причем один вход первой схемы 2И соединен с выходом первого формирователя, а второй через последовательно соеди- ненные второй усилитель и второй формирователь соединен с выходом стабилизируемого лавинного фотодиода, один вход схемы 2И-НЕ через схему задержки соединен с выходом первого формирователя, а второй - с выходом второго формирователя, выходы первой схемы 2И и схемы 2И-НЕ соединены с входами второй схемы 2И, выход которой подключен к входу формирователя калиброванной длительности и амплитуды.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство содержит стабилизируемый лавинный фотодиод 1 и подключенный к его выходу первый усилитель 2 шумовых импульсов, а также последовательно соедипенные формирователь 3 импульсов калиброванной длительности, эмиттерный повторитель 4, интегратор 5 и управляемый стабилизатор 6 напряжения питания лавинного фотодиода 1, а также дополнительно

введенные второй усилитель 7 шумовых импульсов, аналогичный первому, первый и второй формирователи 8, 9 коротких импульсов, первую 10 и вторую 11 схемы 2И, схему 12 задержки и схему 2И-НЕ 13. Один

вход первой схемы 2И 10 соединен с выходом первого формирователя 8 коротких импульсов, а другой через последовательно соединенные второй усилитель 7 шумовых импульсов и второй формирователь 9 коротких импульсов - с выходом стабилизируемого лавинного фотодиода 1-; один вход схемы 2И-НЕ 13 через схему 12 задержки соединен с выходом первого формирователя 8, а другой - с выходом второго формирователя

9; выходы первой схемы 2И-НЕ 13 соединены с входами второй схемы 2И 11, выход которой подключен к входу формирователя 3 импульсов калиброванной длительности и амплитуды.

Устройство работает следующим образом. Шумовой сигнал стабилизируемого лавинного фотодиода 1 после усиления в усилителях 2 и 7 и формирования в формирователях 8 и 9 регистрируется схемой 2И

10. Если схемой 2И 10 регистрируется щ импульсов в единицу времени, то ги пд+пу, где пд- число совпадающих (коррелированных) импульсов на выходе схемы 2И 10. обусловленных шумовыми импульсами стабилизируемого фотодиода; пу - число случайно совпадающих импульдов на входах схемы 2И 10, обусловленных шуКлами усилителей 2 и 7. Схемой 12 задержки импульсная последовательность с выхода формчрователя 8 задерживается на время t т, р,е т - длительность импульсов, формируемых формирователями 8 и 9, поэтому схемой 2И- НЕ 13 регистрируется в единицу времени совпадающих импульсов. Поскольку

полярность импульсов с выхода схемы 2И- НЕ 13 противрположна полярности импульсов с выхода схемы 2И 10. то число импульсов, регистрируемых схемой 2И 11 пз те пч - П2 пд +Пу - пу Пд. Импульсами с

выхода схемы 2И 11 осуществляется запуск формирователя 3, выходной импульс, которого через эмиттерный повторитель 4 поступает на интегратор 5, выходным сигналом которого осуществляется управление стаби/

r o

лизатором б напряжения питания лавинного фотодиода 1. На выходе интегратора 5 выделяется сигнал управления, пропорциональный пд, не зависящий от шумов усилителей 2 и 7. Тогда, учитывая связь между дисперсией шумов лавинного фотодиода и частотой следования N(Unop) шумовых импульсов, амплитуда которых превышает некоторый ПОрОГ Unop

О

N(Unoph RTexp ( - IjSSg. ) ,

где . л, d2P(r)

dT2

р(г) - коэффициент корреляции шума на выходе лавинного фотодиода, т$ -дисперсия шума лавинного фотодиода, можно видеть, что шумы усилителей 2 и 7 не оказывают влияния на точность поддержания частоты следования шумовых импульсов лавинного фотодиода. Это, в свою очередь, означает, что точность поддержания М на оптимальном уровне сохраняется в широком диапазоне температур, т.е. реализуется цель изобретения.

Формула изобретения Фотоприемное устройство, содержащее последовательно соединенные стабилизируемый лавинный фотодиод и усилитель шумовых импульсов лавинного фотодиода, а также последовательно соединенные формирователь импульсов калиброванной длительности и амплитуды, эмит- терный повторитель, интегратор и управляемый стабилизатор напряжения питания лавинного фотодиода, отличающееся тем, что, с целью повышения точности поддержания оптимального значения коэффициента лавинного умножения лавинного фотодиода в изменяющихся температурных условиях, в него дополнительно- введены второй усилитель шумовых импульсов лавинного фотодиода, аналогичный первому, первый и второй формирователи коротких импульсов одинаковой длительности и амплитуды, первая и вторая схемы 2И, схема задержки и схема 2И-НЕ, причем один вход первой схемы 2И соединен с выходом первого формирователя коротких им- пульсов, соединенного с первым

усилителем шумовых импульсов лавинного фотодиода, а второй через последовательно соединенные второй усилитель шумовых импульсов и второй формирователь коротких импульсов соединен с выходом стэбилизируемого лавинного фотодиода, один вход схемы 2И-НЕ через схему задержки соединен с выходом первого формирователя коротких импульсов, а второй - с выходом второго формирователя коротких импульсов, выходы первой схемы 2И и схемы 2И- НЕ соединены с входами второй схемы 2И. выход которой подключен к входу формирователя калиброванной длительности и амплитуды.

Сущность изобретения: фотоприемное устройство содержит стабилизируемый лавинный фотодиод, два усилителя шумовых импульсов лавинного фотодиода, два формирователя коротких импульсов, две схемы 2И, схему задержки, схему 2И-НЕ, формирователь импульсов калиброванной длительности и амплитуды, эмиттерный повторитель, интегратор и управляемый стабилизатор напряжения смещения лавинного фотодиода.В устройстве благодаря стабилизации частоты следования шумовых импульсов с выхода лавинного фотодиода поддерживается оптимальное значение коэффициента лавинного умножения диода в широком температурном диапазоне 1 ил.