LOW NOISE PHOTORECEIVER

Abstract: 1. Photoreceiver device for a narrow band useful signal, of the type comprising a photomultiplier transducer (10) associated with a controlled polarisation circuit (15, 16) which regulates the multiplier factor thereof, a main amplifier (11) connected between the output of the photomultiplier and the output terminal (12) of the photoreceiver device as well as a polarisation control chain connected between the output of the main amplifier (11) and the control input of the polarisation circuit, a device in which, - it being noted that the output terminal finally gives the useful signal, of level Ns , a noise multiplied by the transducer of level Nb ; due to the ambient illumination as well as to inherent characteristics of the transducer and a noise not multiplied by the transducer, of level Nx , due solely to inherent characteristics of the transducer and of the main amplifier, these noise levels being assigned to the same width of reference band, - the control chain comprises : a level detector circuit (130, 131) connected to the output of the amplifier (11) for detecting the general output level there of Ns + Nb + Nx , an auxiliary signal generator (21) of predetermined level linked with a reference level K and a comparator (14) where of the two inputs respectively receive the output of the detector circuit (130, 131) and a signal drawn from the output of the auxiliary signal generator (21, 230, 231), where as its output controls the polarisation circuit (15), in order that the latter respects the relationship : Ns + Nb + Ns = K, characterized by the fact that : - the auxiliary signal generator (21) produces a signal (FR) where of the frequency band is separated from that of the useful signal of the transducer. - this signal is applied to the input of the main amplifier (11) with the output of the phototransducer, - the detector circuit comprises a band-cut filter (130) connected to the output of the main amplifier (11), eliminating the auxiliary signal and followed by a level detector stage (131), as well as a band-pass filter (230) connected to the output of the main amplifier (11), selecting the auxiliary signal and followed by a second level detector stage (231) and - the comparator (14) receives at its input the respective outputs of the two level detector stages (131, 231), so that : - when the level Ns of the useful signal is much less than the noise levels Nb and Nx , the control condition is Nb + Nx = K, - when the level Ns of the useful signal is of the same order as that of the noises, it being noted that the amplified noise is then negligible, the control operates with automatic gain control in order to keep the output signal of the photoreceiver device substantially constant, - where as when the level Ns of the useful signal is much higher than the levels Nb and Ns of the noises, the polarisation circuit (15) produces a predetermined polarisation corresponding to a minimal multiplier factor.

Description: Dispositif photorécepteur à faible bruit La présente invention concerne les dispositifs photorécepteurs, et s'applique en particulier aux télécommunications et en télémétrie électro-optique. On connaît déjà des dispositifs photorécepteurs comportant un transducteur photoélectrique à facteur multiplicateur variable par polarisation, tel qu'une photodiode à avalanche ou un tube photomultiplicateur. A ce transducteur sont ajoutés un circuit commandé de polarisation, un amplificateur principal monté entre la sortie du photomultiplicateur et la borne de sortie du dispositif photorécepteur, et une chaîne d'asservissement de polarisation montée entre la sortie de l'amplificateur principal et l'entrée de commande du circuit de polarisation. Différentes structures ont été proposées pour la chaîne d'asservissement, le plus souvent en vue de compenser l'effet des variations de température sur le facteur multiplicateur du transducteur. De telles chaînes d'asservissement visent donc à stabiliser le point de polarisation du transducteur, qui est en général une photodiode à avalanche. De nombreuses applications, et en particulier la télémétrie électro-optique, nécessitent que lton obtienne un excellent rapport signal sur bruit. En effet, les télémètres électro-optiques opèrent à l'heure actuelle à très grande distance, et ctest le rapport signal sur bruit du transducteur photorécepteur qui définit la distance maximale de fonc tionnemen convenable. La présente invention a essentiellement pour but de fournir un dispositif photorécepteur présentant un rapport signal sur bruit très adapté. La demanderesse a observé que, dans un dispositif récepteur du type précité, la borne de sortie donne finalement le signal utile, un bruit multiplié par le transducteur, du à 11 éclairement ambiant ainsi qu'à des caractéristiques propres du transducteur, et un bruit non multiplié par le transducteur, du seulement à des caractéristiques propres du transducteur et de l'amplificateur principal. Selon l'invention, aux faibles valeurs du signal utile, la channe d'asservissement obéit à la cond1- tion Nb + Nx = K, ou' N b désigne le niveau du bruit multiplié et Nx le niveau prédéterm.iné du bruit non multiplié, ces niveaux de bruits étant rapportés à la même largeur de bande de référence, tandis que K désigne une constante prédéterminée. Très avantageusement, K est inférieur à d d-2 Nx Le facteur d est défini par le fait que la multiplication du niveau de bruit par le transducteur est jproportionnelle à Md, lorsque la multiplication du niveau go signa utile par le transaucteur est proportionnelle à . En règle générale, la valeur de d varie, suivant le gain M, entre environ 2,3 et environ 3, du moins pour les meilleurs photodiodes à avalanche. Certains types de photodiodes peuvent avoir un d minimum voisin de la valeur 3. Dans la pratique, la chaîne d'asservissement selon l'invention comporte un circuit détecteur de niveau relié à la sortie de l'amplificateur, un générateur de signal auxiliaire du niveau prédéterminé lié à K, et un comparateur dont les deux entrées re çoivent respectivement la sortie du circuit détecteur et un signal tiré de la sortie du générateur de signal, tandis que sa sortie commande le circuit de polarisation. Dans un mode de réalisation largement préférentiel, le générateur de signal auxiliaire produit un signal dont la bande de fréquence est disjointe de celle du signal utile du transducteur ; ce signal est appliqué à l'entrée de l'amplificateur principal avec la sortie du photodétecteur ; le circuit détecteur comporte un filtre coupe-bande éliminant le signal auxiliaire, suivi d'un étage détecteur de niveau ; il est prévu un second circuit détecteur comportant un filtre passe-bande sélectionnant le signal auxiliaire, suivi Åatun second étage détecteur de niveau ; et le comparateur reçoit comme entrées les sorties respectives des deux étages détecteurs de niveau. En faisant transiter le signal auxiliaire par l'amplificateur principal, on s'affranchit des dérives en températures des circuits électroniques, puisque ce signal auxiliaire traverse les mêmes étages amplificateurs que le signal utile et les bruts. il stest également avéré avantageux que la chaîne d'asservissement comporte un amplificateur à large bande inséré entre la sortie de 11 amplificateur principal et les entrées des deux circuits détecteurs. Dans un mode de réalisation particulier, le signal auxiliaire est un signal alternatif sinusoîdal. Selon une autre caractéristique de l1inven- tion, le circuit détecteur de niveau détecte l'ensem- ble du niveau de sortie de l'amplificateur principal, soit Ns + Nb + Nx' où Ns désigne le niveau du signal utile, et que le circuit de polarisation produit une polarisation prédéterminée lorsque le niveau du signal utile est largement supérieur aux niveaux des bruits, au moyen de quoi la chaîne d'asservissement obéit à la condition Nb + Nx = K aux faibles valeurs du signal utile, elle agit en commande automatique de gain aux valeur intermédiaires du signal utile et elle fixe un facteur multiplicateur prédéterminé aux fortes valeur du signal utile. Cette polarisation prédéterminée est avantageusement choisie pour définir un facteur multiplicateur égal à quelques unités environ. Le transducteur photoélectrique utilisé selon la présente invention est de préférence une photodiode à avalanche, mais on peut également utiliser un tube photomultiplicateur. D'autres caractéristiques et avantages de 11 invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels La Figure 1 est le schéma de principe d'un dispositif photorécepteur selon la présente invention La Figure 2 est un schéma électrique é quivalent permettant de définir le niveau du signal utile du transducteur, le niveau du bruit amplifié par le transducteur, et le niveau du bruit non amplifié par celui-ci La Figure 3 est le schéma électrique de principe d'un mode de réalisation préférentiel de l'invention ; et Le Figures 4 et 5 sont différents diagrammes illustrant les relations entre des grandeurs entrant en ligne de compte selon l'invention. La description détaillée qui va suivre vise une application de télémétrie électro-optique. On sait que ces télémètres utilisent un rayon lumineux modulé en amplitude à une fréquence assez élevée, voisine de 10 MHz en général. Un photorécepteur permet de retrouver le signal de modulation, qui est immédiatement appliqué à un étage amplifica- teur à faible bruit. La demanderesse a observé que la puissance équivalente au bruit de l'ensemble comprenant une photodiode semi-conductrice classique et un étage amplificateur à faible bruit, ramenée à l'entrée de la photodiode, était largement supérieure à la puissance de bruit de la photodiode classique ellemême. Il apparaît donc que la limitation sur le plan du bruit d'un dispositif photorécepteur à photodiode classique est due au premier étage amplificateur qui suit la diode. La demanderesse a observé également que l'emploi du gain d'avalanche dans une photodiode à avalanche permet d'augmenter le signal de sortie de la photodiode, et par là de réduire l'effet du bruit de l'amplificateur qui la suit. Le problème pratique est qu'au delà d'un certain seuil, variable avec la température, l'augmentation du facteur multiplicateur de la photodiode à avalanche s'accompagne d'une 2Ug- mentation très rapide du bruit. La Figure 1 illustre le schéma de principe d'un dispositif photodétecteur selon l'invention. Classiquement, une photodiode à avalanche 10 reçoit un flux lumineux constitué par exemple d'un faisceau infrarouge modulé à une fréquence F de l'ordre de 10 Hz. La sortie de la photodiode 10, dont un signal électrique de fréquence F, est appliquée à un amplificateur principal ; et la sortie de celui-ci donne sur la borne de sortie 12, en plus des bruits, un signal utile qui sera traité ensuite par les circuits de réception d'un télémètre. La photodiode à avalanche 10 reçoit une tension de polarisation définie par le circuit de commande de polarisation 15, à partir d'un circuit d'alimentation haute tension 16 (les tensions de polarisation atteignent couramment la centaine de Volts). La demanderesse a fait différentes observations, à partir du schéma équivalent de la Figure 2 qui est une représentation en sources de courant de l'entrée de l'amplificateur principal Il - i5 désigne le courant associé au signal utile - ib désigne le courant associé au bruit multiplié par la photodiode, car dépendant de l'avalanche, et i ix désigne le courant associé au bruit non multiplié par l'avalanche. Le courant de signal utile i5 dépend du photocourant utile Iph, dans la photodiode, de llin- dice de modulation m du faisceau lumineux reçu, ainsi que du facteur multiplicateur M de la photodiode à avalanche ; la valeur moyenne du niveau de signal utile s'écrit EMI6.1 (courbe A ; Figure 4) Le courant de bruit amplifié ib dépend de la somme Ipho+Io du photocourant total T pour pho o pho M=1 (y compris l'éclairement ambiant), et du courant de fuite en volume Io de la photodiode, de la largeur de bande bf, de la charge q d'un électron, et d'un coefficient d, compris généralement entre 2,3 et 3, et caractéristique de la photodiode. La valeur moyenne du niveau de bruit amplifié peut s'écrire EMI7.1 = 2 . q . #f (Ipho+Io) . Nd (courbe B Figure 4) Enfin, le courant de bruit non amplifié ix dépend de la résistance série de la photodiode, de son courant de fuite de surface, et du courant de bruit de l'étage amplificateur, ramené à son entrée. Ces paramètres, qui peuvent être connus à l'avance, sont notés Ix. La valeur moyenne du niveau de bruit non amplifié s'écrit EMI7.2 = 2 . q . 1x . #f (courbe C ; Figure 4) On notera que Nx est connu à l'avance. En écrivant le rapport signal sur bruit EMI7.3 on observe que celui-ci est maximal (courbe D : Figure 4) pour EMI7.4 La demanderesse a finalement remarqué qu'à cette relation correspond la condition suivante sur le bruit total EMI7.5 (Courbe E ; Figure 4) L'expérience a cependant nortré que, pour éviter des instabilités, il est important de prer.cre d Nb + Nx = K où K est inférieur à / d - 2 Nx, qui est connu à l'avance. Pour certeines applications, des d valeurs de K très voisines de d - 2 @ nir, mais il est généralement souhaitable de prendre une valeur de K qui ne soit pas trop proche de d/d - 2 Nx. On reviendra maintenant à la réalisation de la Figure 1. Un circuit détecteur 13 (Figure 1) redresse la sortie de ltamplificatrur principal 11, fournissart donc un niveau N5 + Nb + Nx signal qui est appliqué à une première entrée d'un comparateur 14. Un circuit de référence 20 produit un niveau auxiliaire de référence, prédéterminé, égal à K, appliqué à la seconde entrée du comparateur 14. Celui-ci agit donc sur le circuit de polarisation 15 en tant qu'asservissement de constante de temps convenable pour faire respecter la relation N5 + Nb + Nx = K On voit immédiatement que cette condition n'est pas identique à Nb + Nx = K. Elle se confond cependant avec elle aux faibles valeurs du signal utile (zone 1 ; Figure 5), là où un très bon rapport signal sur bruit est important. Et elle est très simple à réaliser, ne nécessitant aucune éparation du signal utile et des différents bruits. Aux valeurs intermédiaires du signal utile (frontières zones 1 et 2 ; Figure 5), pour lesquelles le bruit amplifié n'est pas encore négligeable devant le signal utile, les niveaux de signal utile Ns et de bruit multiplié Nb participent ensemble à l'asservis- entent du facteur multiplicateur M, ce qui fournit une commande automatique de gan, propriété intéressanie en particulier dans les télémètres. Dans la zone 2, la commande automatique de gain se fait essentiel lement d'après le signal utile. Enfin, en présence d'un fort signal utile (zone 3 ; Figure 5), le circuit de polarisation fixe une polarisation prédéterminée de la photodiode, correspondant à un faible facteur multiplicateur de l'ordre de quelques unités (5 par exemple). d En ce qui concerne le rapport K/Nx = d-2 celui-ci doit être inférieur à 7,67 pour des photodiodes à avalanche où d = 2,3 dans la zone des gains intermédiaires ; cette limite descend progressivement aux valeurs extrêmes du gain ou pour des photodiodes dont d minimum est plus grand que 2,3. La demanderesse a considéré que la valeur K = 2.NX est satisfaisante pour l'application aux télémètres, et convient pour la quasi totalité des photodiodes à avalanche actuellement disponibles. On remarquera qu'avec K = 2.NX, , la condition d'asservissement s'écrit Ns + Nb = Nxe En présence d'un fort signal utile, le terme Nb devient négligeable, et l'on obtient Ns = Nx. Corrélativement le rapport signal sur bruit est égal à l'unité, mais en considérant toute la largeur de bande # f. Comme le signal utile occupe une petite largeur de bande (obtenue par filtrage dans des circuits récepteurs du télémètre, non représentés), il suffit de choisir af suffisamment grand pour avoir le rapport signal sur bruit désiré. La Figure 5 résume le fonctionnement de l'asservissement et illustre schématiquement les variations en échelle logarithmique de M, (Nb + Nx) et Ns en fonction du niveau de photocourant utile (Iph)t pour M = 1, également en échelle logarithmique - pour (Iph)2 < SO, l'asservissement main tient Nb = N ; le facteur K décroît avec le niveau de signal (Iph)2 tandis que le rapport signal sur bruit y croit (zone 1) ; on voit l'influence de lté- clairement ambiant lo - à partir de (lph)2 = SO (zone 2), le rapo port signal bruit y est maintenu constant ; de son côté, le facteur H continue à décroître, et avec lui le bruit amplifié par la photodiode Nb. Dans la zone 3, le gain M est constant, et l'asservissement n'agit plus. L'ajustement du niveau de signal peut se faire, si nécessaire, en agissant sur la transmission optique du systeme (diaphragme filtre gris) ou sur le gain de l'électronique en aval de 12. On décrira maintenant, en référence à la Figure 3, le mode de réalisation actuellement préféré de l'invention. Le signal de référence est appliqué à l'entrée de l'amplificateur principal 11, avec le signal de sortie de la photodiode 10. Il conserve le niveau 2.NX, , en tenant compte des facteurs d'amplification concernés ; mais il est constitué d'un signal situé dans une bande de fréquences extérieur a celle du signal utile. De préférence, c'est un signal si nusoïdal pur dont la fréquence Fr est de l'ordre de 7 à 8 IGHz. La sortie de l'amplificateur principal Il est appliquée à un amplificateur auxiliaire à large bande 17, suivi du circuit détecteur 13 précité, lequel comporte maintenant un filtre coupe-bande éliminant la bande de fréquences du signal de référence, puis un détecteur de niveau 131, dont la sortie arrive à la première entrée du comparateur 14. Un second ensemble détecteur, également connecté à la sortie de 11 amplificateur à large bande 17, comprend un filtre passe bande 2302 sélectionnant la bande de fréquences du signal de référence, puis un détecteur de niveau 231, dont la sortie est connectée à la seconde entrée du comparateur 14. Le fonctionnement est le mérne que pour le dispositif de la Figure 1. Mais la réalisation de la Figure 3 élimine l'effet des dérives en température des circuits électroniques, puisque le signal de reférence traverse les mimas étages amplificateurs que le signal et le bruit. En allant très près du rapport signal sur bruit optimal, aux faibles niveaux du signal utile, le dispositif de l'invention améliore sensiblement les performances d'un dispositif photorécepteur à photodiode à avalanche. Celui-ci s'applique en particulier aux télémètres électro-optiques opérant à grande distance, et ce quel que soit l'éclairement ambiant.

Claims: REVENDICATIONS 1 - Dispositif photorécetteur pour signal utile à bande étroite, du type comprenant un transducteur photomultiplicateur associé à un circuit de polarisation commandée qui en règle le facteur multiplicateur, un amplificateur principal monté entre la sortie du photomultiplicateur et la borne de sortie du dispositif photorécenteur, ainsi qu'une channe d'as servissement de polarisation montée entre la sortie de l'amplificateur Principal et entrée de commande du circuit de polarisation, caract6risé, étant observé que la borne de sortie donne finalement le signal utile, un bruit multiplié par le transducteur, du à l'éclairement ambiant ainsi qu'à des caractéristiques propres du transducteur, et un bruit non multiplié par le transducteur, du seulement à des caractéristiques Propres du transducteur et de l'amplificateur principal, par le fait qu'aux faibles valeurs du signal utile, la chaîne d'asservissement obéit à la condition Nb + Nx = K, où Nb désigne le niveau du bruit multiplié et Nx le niveau precetermîné du bruit non multiplié, ces niveaux de bruit étant rapportes à la msme largeur de bande de référence, tandis que K désigne une constante prédéterminee. 2 - Dispositif photorécepteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que K est inférieur à d/d - 2 Nx, tandis que la multiplication du niveau de bruit tar le transucteur est DroDortionnelle à Nd, que la multiplication du niveau de signal utile tar le tranaducteur est troportionnelle à M2 , et que le transducteur possède une valeur de d qui évolue entre environ 2,3 et environ 3, en fonction du facteur multiplicateur M. 3 - Dispositif photorécepteur selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que la channe d'asservissement comporte un circuit détecteur de niveau relié à la sortie de l'amplifica- teur, un générateur de signal auxiliaire de niveau prédéterminé lia à K, et un comparateur dont les deux entrées reçoivent respectivement la sortie du circuit détecteur et un signal tiré de la sortie du générateur de signal, tandis eue sa sortie commande le circuit de polarisation. 4 - Dispositif photorécepteur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le gene- rateur de signal auxiliaire produit un signal dont la bande de fréquences est disjointe de celle du signal utile du transducteur, que ce signal est atli- au à l'entrée de l'amplificateur Principal avec la sortie du phototransducteur, que le circuit détecteur comporte un filtre coupe-bande éliminant le signal auxiliaire, suivi d'un étage détecteur de niveau, qu'il est prévu un second circuit détecteur compor- tant un filtre passe-bande sélectionnant le signal auxiliaire, suivi d'un second étage détecteur de niveau, et que le comparateur reçoit comte entrées les sorties respectives des deux étages détecteurs de niveau. 5 - Dispositif photorécepteur selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la chaîne d'asservissement comporte un amplificateur à large bande inséré entre la sortie de l'amplificateur rin- cipal et les entrées des deux circuits détecteurs. 5 - Dispositif photorécepteur selon l'une des revendications L et 5, caractérisé par ne fait le sinal auxiliaire est un signal alternatif inusoïdal. 7 - Dispositif photorécepteur selon l'une ces revendications 3 à 6, caractérisé ta le fait cue le circuit détecteur de niveau détecte l'ensemble du niveau de sartie de l'amplificateur principal, soit Ns + Nb + Nx, où Ns désigne le niveau du signal utile, et @u le circuit de polarisation produit une polarisation prédéterminée lorsque le niveau du signal utile est largement supérieur aux niveaux des bruits, au moyen de quoi la chaîne d'asservissement obéit à la condition Nb + Nx = K aux faibles valeurs du signal utile, elle egit en commande automatique de rain ux valeurs intermédiaires du signal utile et elle fixe un facteur multiplicateur prédéterminé aux fortes valeurs du signal utile. 8 - Dispositif photorécepteur selon l'une des revendications ; à 7, caractérisé par le fait que le transducteur photoélctrique est une photodiode à avalanche. 9 - Dispositif photorécepteur selon ne des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que l transducteur photoélctrique est un tube photomulti plicateur.

Inventors: LE HELLOCO, GUY YVES MARIE, LE ROCH, JEAN-PAUL LOUIS MARIE
Applicants: SOCIETE D'ETUDES RECHERCHES ET CONSTRUCTIONS ELECTRONIQUES SERCEL
Application year: 1980
Main classification: G01S7
IPC codes: H01J43, H04B10, H01L31, H03G3, G01S7