CC BY
478
УДК [681.586.7:621.383.5]:6621.391.63 ББК [32.96-044.3:32.854.2]:32.889
Нгуен Суан Мань, Г. А. Попов
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ В ОПТОВОЛОКОННЫ1Х СИСТЕМАХ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ
Nguyen Xuan Manh, G. A. Popov
USE OF AVALANCHE PHOTODIODES IN FIBER-OPTIC SYSTEMS OF MEASUREMENT OF THE PARAMETERS
Рассматривается задача использования лавинных фотодиодов для приема светового сигнала для контроля изменений параметров оптоволоконных линий на основе съема внешнего излучения. Проанализированы особенности функционирования, условия работы лавинного фотодиода. Выявлена и обоснована необходимость усиления сигнала, а также рассчитаны коэффициент усиления и отношение сигнал/шум выходного сигнала для последующей его обработки.
Ключевые слова: лавинный фотодиод, трансимпедансный усилитель, контроль температуры, микроконтроллер.
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.
Key words: 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 X, нм: 400-1 000;
— длина волны в пике чувствительности Xp, нм: 800;
— оптическая чувствительность S, M = 1, X = 800 нм (A/W): 0,5;
— величина умножения QE, M = 1, X = 800 нм, %: 75;
— напряжение пробоя, VBR Id = 100 нА: обычное - 150 В, максимальное - 200 В;
— температурный коэффициент (В/°С): 0,65;
— тёмновой ток, Id: обычный - 0,05 нА, максимальный - 0,5 нА;
— частота среза/ при RL = 50 Q: 1 000 МГц;
— терминальная ёмкость Ct: 1,5 пФ;
— коэффициент шума x при X = 800 нм: 0,3;
— коэффициент усиления при X = 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.
REVERSE VOLTAGE (V)
Рис. 1. Влияние усиления от напряжения ЛФД Hamamatsu S2381
M = 1
( и Y
V иь J
(1)
где Ub - напряжение пробоя. Показатель степени n принимает значения от 2 до б, в зависимости от температуры и характеристики материала, структуры р-п-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 - б0-400 В;
- максимальный выходной ток - 1,25 мА;
- 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: ^ - ток, генерируемый приемным световым сигналом;
У0 - обратное напряжение; 10 - ток ЛФД; С,- - соединенная емкость; Rsh - сопротивление резистора шунта; I’ - ток резистора шунта; Rs - сопротивление последовательного резистора;
У0 - выходное напряжение; 10 - выходной ток
Выходной ток 10 задается выражением (2) [4], и рис. 4 показывает зависимость температурного коэффициента напряжения от температуры окружающей среды.
I0 = IL - ID -1 = IL - IS (exp q^r -1) -1
kT
(2)
где IS - обратный ток насыщения ЛФД; q - заряд электрона; k - коэффициент Больцмана; Т абсолютная температура ЛФД.
Voltage Bias Vs. Ambient Temperature (M=100)
ІбОу
1* 7v___-
12 lv^
95v__
Ambient Temperature |'C)
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 ТМР275, имеющий следующие основные параметры:
- точность измерения - 0,5 °С;
- диапазон измерения - 20-100 °С;
- интерфейс с микроконтролем через 12С.
Функциональная схема системы контроля температуры и регулирования напряжения показана на рис. 5.
ЛФД
Етсо 04-1
][
ЦАП
БАС0828085
Етсо 04-2
Темп. Датчик ТМР275
Микроконтроллер
РІС16Б877А
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.
Замедляющая
система
излучение
Избыточный шум
Т емпературный шум
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 ^ или шума из резистора, величина которого аппроксимирует сопротивление шунтируемого резистора Rsh и дробового шума Iж и Iж [5, 6]:
(3)
4kTB
—, (4)
где k - постоянная Больцмана, k = 1,38 х 10-23; Т- абсолютная температура ЛФД, К; В - полоса пропускания, МГц.
При обратном напряжении всегда есть темновой ток, дробовой шум 1Ж темнового тока задается уравнением (3).
150 = ^2д10в (5)
где q - заряд электрона — 1,602176565(35)^10 19 Кл; 1о - темновой ток; В - ширина диапазона шума.
Когда фототок 1Ь порождается падающим светом, 1ж задается уравнением
18Ь = >/2С11, В, (6)
Если 1Ь >> 0,026/Яхк Я ~ 108 Гц) или 1Ь >> 1В, 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 (В), которая вы-
ражается в единице А/Гц12.
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.
Выходной сигнал
ОС
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]:
V = -
R
f
Rf Ipd, 1 + /ю—
A
(7)
где Rf - сопротивление обратной связи; ш- частота работы; Av - коэффициент усилителя при открытой цепи; Ipd - выходной ток ЛФД.
При нижней пороговой частоте имеем ш = 0, поэтому V = -RfIpd, и тогда сопротивление
V
обратной связи равно Rf =------.
1pd
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 X = 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:
I = sph M • P = 0,5-100 • 5 -10-6 = 0,25.10-3 А.
max pn 1 1
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 Q.
Этот коэффициент относится к двум интегральным схемам: k = 12 (1 + 9) = 13,2 k Q.
Ёмкость обратной связи, в зависимости от полосы пропускания частот, находится по формуле
C
f ynRf Af
(8)
Предложим, полосы пропускания частот А/ = 100 МГц, тогда емкость обратной связи будет
В принципиальной схеме, показанной на рис. 8, токовый источник 12 и входной конденсатор С4 представляют APD. Интегральная схема Ш и резистор Я2 представляют собой трансим-педансный усилитель. Резистор Я2 и конденсатор обратной связи С3 используются, чтобы управлять частотным откликом. Часть (и2, R4, Ю) регулирует выходное напряжение в диапазоне 1-5 В, соответствующей использованному аналого-цифровому преобразователю.
Шум усилителя. Предлагается использовать ИС ОРА847ГО 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 а = 0,85 нВ/-у/Гц. Предложим, что полоса пропускания частот - 100 МГц. Выходное напряжение шума будет:
Итак, на основе предлагаемой схемы обеспечивается величина выходного сигнала 3,3 В 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. Карих Е. Д. Оптоэлектроника / Е. Д. Карих. - Минск: БГУ, 2000. - 263 с.
3. http.7/www.kumnong.co.kr/kum/emco/img/q.pdf.
4. ФриманР. Волоконно-оптические системы связи / Р. Фриман. - М.: Техносфера, 2003. - С. 153-155.
5. http: //www. ti.com/lit/ds/symlink/tmp275.pdf.
6. Сумкин В. Р. Измерение малых и сверхмалых мощностей оптического излучения и инфракрасного диапазона / В. Р. Сумкин, В. Б. Рудницкий, А. Н. Сергеев, А. Н. Карасов // Фотон-Экспресс. - 2003. - № 5 (31). - С. 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.
Ua = к• ал/B = 13,2-103 • 0,85•10-12л/ш8 = 112 мкВ.
Вторым источником шума является температурный шум:
Uth = V4kTB =74(1,38.10-23)298 -13200 • 108 = 147 мкВ.
Шум, создаваемый ЛФД, усиливается, и величина усиленного сигнала шума равна:
Uph = Ц2qIphB = 13,2 • 10^2(1,38 • 10-23 )0,25 • 10-3 • 108 = 13,2 •Ю3 • 0,83 •10-8 = 109 мкВ.
Тогда сумма выходного шума будет: ип = 112 + 147 +109 = 378 мкВ. Отношение сигнал/шум будет:
К = 20• 1о§(3,3/378-10-6) = 78,8 дБ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
REFERENCES
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. Karikh E. D. Optoelektronika [Optoelectronics]. Minsk, BGU, 2000. 263 p.
3. http: //www.kumnong. co.kr/kum/emco/img/q.pdf.
4. Friman R. Volokono-opticheskie sistemy sviazi [Fiber-optical communication systems]. Moscow, Tekhnosfera Publ., 2003, pp. 153-155.
5. http://www.ti.com/lit/ds/symlink/tmp275.pdf.
6. Sumkin V. R., Rudnitskii V. B., Sergeev A. N., Karasov A. S. Izmerenie malykh i sverkhmalykh moshchnostei op-ticheskogo izlucheniia i infrakrasnogo diapazona [Measurement of small and micro powers of optical radiation and infrared range]. Foton-Ekspress, 2003, no. 5 (31), pp. 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.
Статья поступила в редакцию 23.05.2013
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Нгуен Суан Мань — Астраханский государственный технический университет; аспирант кафедры «Информационная безопасность»; [email protected].
Nguyen Xuan Manh — Astrakhan State Technical University; Postgraduate Student of the Department "Information Security"; [email protected].
Попов Георгий Александрович — Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; зав. кафедрой «Информационная безопасность»; [email protected].
Popov Georgiy Aleksandrovich — Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Head of the Department "Information Security"; [email protected].
