ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО
PHOTODETECTOR

Изобретение относится к быстродействующим измерителям мощности оптического излучения и может быть использовано в системах оптической локации.
Известны фотоприемные устройства на лавинных фотодиодах - патент США 4.015.118 опубл. 29.03.1977, патент РФ 1.679.212 опубл. 23.09.1991, в которых для стабилизации лавинного фотодиода (ЛФД) используют опорное оптическое излучение.
Наиболее близким к заявляемому устройству является фотоприемное устройство на двух лавинных фотодиодах - ж. Радиопромышленность. Вып. 2, 1996 г., в котором стабилизация коэффициента умножения ЛФД осуществляется одновременно со стабилизацией величины выходного видеосигнала, непосредственно по принимаемому оптическому сигналу.
В прототипе осуществляется стабилизация просуммированного сигнала двух каналов на уровне 0,7 В. В диапазоне входных оптических сигналов 0,3 нВт-3 нВт у регулируемых усилителей максимальный коэффициент усиления. Балансировка чувствительности двух каналов (чувствительности двух ЛФД) приводит, по сути, к устройству на одном лавинном фотодиоде.
Данное устройство описано в патенте РФ 1.679.212 при отсутствии опорного источника оптического излучения.
Цель изобретения - увеличение отношения сигнал/шум при использовании регулирования коэффициента умножения ЛДФ непосредственно по принимаемому оптическому сигналу.
На фиг. 1 приведена блок-схема фотоприемного устройства, на фиг. 2 - графики зависимости коэффициента лавинного умножения от мощности принимаемого оптического сигнала в заявляемом устройстве и в прототипе.
Устройство, описанное в патенте РФ 1.679.212, состоит из лавинного фотодиода 1, усилителя 2, фильтра 3, компаратора 4, дискриминатора длительности импульсов 5 и регулируемого источника питания 6. Выход регулируемого источника питания 6 соединен с лавинным фотодиодом 1. Выход усилителя 2 также соединен с блоком оценки сигнала 7. Кроме того, в устройстве использованы источник опорного напряжения 8, высокочастотный генератор 9 и блок синхронизации 10, соединенный как с дискриминатором длительности импульсов 5, так и с блоком оценки сигналов 7. Надо отметить, что на регулируемый источник питания 6, после окончания видеосигнала строки, подается с дискриминатора длительности импульсов 5 один из двух импульсов управления - на увеличение или на уменьшение напряжения источника питания лавинного фотодиода. В прототипе отсутствует эталонный источник импульсного оптического излучения, описанный в патенте РФ 1.679.212.
Как описано в патенте РФ 1.679.212 - первый вход дискриминатора длительности импульсов 5 соединен с выходом компаратора 4. Первый и второй выходы дискриминатора длительности импульсов 5 соединены соответственно с первым и вторым входами регулируемого источника питания 6, выход которого соединен с лавинным фотодиодом 1.
В заявляемом устройстве стабилизация коэффициента умножения ЛФД осуществляется по принимаемому сигналу. Введение в устройство дополнительного усилителя 11, детектора 12 и использование в качестве фильтра 3 полосового фильтра позволяет достичь поставленной цели изобретения - увеличить отношение сигнал/шум при использовании регулирования коэффициента лавинного умножения непосредственно по принимаемому оптическому сигналу.
В заявляемом устройстве вход дополнительного усилителя 11 соединен с выходом полосового фильтра 3, вход которого соединен с усилителем 2. Выход дополнительного усилителя 11 соединен с детектором 12, выход детектора 12 соединен с первым входом компаратора 4.
Устройство содержит последовательно соединенные лавинный фотодиод 1, усилитель 2, полосовой фильтр 3, дополнительный усилитель 11, детектор 12, компаратор 4, дискриминатор длительности импульсов 5 и регулируемый источник питания 6. Выход регулируемого источника питания 6 соединен с лавинным фотодиодом 1. Выход усилителя 2 также соединен с блоком оценки сигнала 7. В устройстве использованы источник опорного напряжения 8, соединенный со вторым входом компаратора 4, высокочастотный генератор 9, соединенный со вторым входом дискриминатора длительности импульсов 5 и блок синхронизации 10, выход которого соединен с третьим входом дискриминатора длительности импульсов 5 и вторым входом блока 7.
В прототипе стабилизация коэффициента умножения ЛФД осуществляется дискриминатором длительности импульсов 5 одновременно со стабилизацией величины (уровня) выходного видеосигнала. В прототипе сигналы от участков местности с максимальными коэффициентами отражения поддерживаются на уровне 0,7 В. В настоящее время, во многом благодаря переходу к записи цифровой, а не аналоговой информации, стабилизация уровня аналогового выходного видеосигнала фотоприемного устройства менее важна, чем обеспечения максимального отношения сигнал/шум во всем диапазоне мощностей принимаемых лазерных сигналов.
В заявляемом устройстве регулирование коэффициента умножения ЛФД осуществляется по величине шумов усиленного принимаемого оптического сигнала путем стабилизации величины дробовых шумов ЛФД.
Цель изобретения достигается введением в устройство дополнительного усилителя 11, детектора 12, и использованием в качестве фильтра 3 полосового фильтра с полосой пропускания около середины рабочей полосы частот усилителя или немного меньше середины рабочей полосы частот усилителя.
н
в
в
н
с
Полосовой фильтр - фильтр, пропускающий электрические сигналы в интервале частот от f до f. Верхняя частота пропускания f примерно на 20-30% больше нижней частоты пропускания f. Дробовые шумы ЛФД зависят от мощности принимаемого оптического сигнала - Р и коэффициента лавинного умножения М. Напряжение шумов ЛФД на выходе дополнительного усилителя 11:
где L - постоянная величина, зависящая от схемотехнической реализации устройства, в первую очередь от коэффициента усиления усилителей 2 и 11, а также характеристик фильтра 3.
вых
Это переменное напряжение U поступает в детектор 12, детектируется, фильтруется и в компараторе 4 сравнивается с опорным напряжением источника 8. Более точная формула дробовых шумов ЛФД (2.32) приведена в книге - Основы оптоэлектроники. Пер. с яп. - М.: Мир, 1988.
В устройстве, в зависимости от мощности принимаемого оптического сигнала в диапазоне 0,3 нВт-12 нВт, осуществляется регулирование коэффициента лавинного умножения М. Диапазон входных сигналов 1 нВт-6 нВт наиболее информативен. Это мощность отраженных лазерных сигналов от участков местности с максимальными коэффициентами отражения на типичных высотах полета носителя.
c
0,5
Pc
c
c
Фотоприемное устройство стабилизируется по максимальным сигналам в течение строки (точнее - по их уровню шумов). В таблице 1 приведены значения максимального выходного сигнала фотоприемного устройства - U, мВ, отношение сигнал/шум - S/N, а также величина уменьшения коэффициента лавинного умножения K=М/M и нормированное значение коэффициента шума ЛФД - F* (относительно F при P=0,5 нВт), при различной мощности сигнала P, нВт.
с
Графики зависимости коэффициента лавинного умножения М от мощности принимаемого сигнала Р в диапазоне от 0,3 нВт до 12 нВт в заявляемом устройстве и в прототипе приведены на фиг. 2
с
ос
Реперная мощность входного оптического сигнала при стабилизации ЛФД равна 0,5 нВт. На фиг. 2 коэффициент лавинного умножения M y различных фотоприемных устройств одинаков (оптимизирован) при Р=0,5 нВт. Цель такой оптимизации: получение максимально возможного, не менее 10, отношения сигнал/шум, необходимого для работы инфракрасной лазерной аппаратуры осмотра местности на максимальных высотах. При равенстве дробовых шумов ЛФД и тепловых шумов усилителя имеет место оптимальный коэффициент умножения, при котором отношение сигнал/шум является максимальным. В прототипе суммарный уровень шумового тока двух каналов, приведенный к входу, равен 0,4 нА, шумы сопротивлений обратной связи R=330 кОм равны шумам полевых транзисторов с р-n переходом. При оптимальном коэффициенте лавинного умножения и характеристиках полосового фильтра, определенных по формуле изобретения, дробовые шумы ЛФД в 1,3-1,4 раза больше тепловых шумов усилителя, так как в этой полосе частот шумы предусилителей фотоприемного устройства в основном определяются шумами сопротивлений обратной связи.
В таблице 1 приведены характеристики ФПУ в диапазоне мощностей принимаемого сигнала 1,0 нВт-6 нВт. В диапазоне мощностей максимального сигнала в течение строки 6 нВт-12 нВт целесообразно использовать регулировку коэффициента лавинного умножения, аналогичную используемой в патенте РФ 1.679.212 (во втором контуре АРУ опорное напряжение равно 2,5 В). Использование двух контуров АРУ возможно при расстановке приоритетов команд управления, так команда второго контура АРУ на уменьшение М является первоочередной. В диапазоне 6 нВт-12 нВт выходной сигнал ФПУ стабилизируется на уровне 2,5 В - при этом отношение сигнал/шум больше 40.
В заявляемом устройстве обеспечивается существенно большее отношение сигнал/шум, чем в прототипе, что позволяет при его использовании в инфракрасной лазерной аппаратуре осмотра местности хорошо распознавать объекты наблюдения в ночных условиях.