Электронный модуль обработки сигналов лавинных фотодиодов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электронный модуль обработки сигналов лавинных фотодиодов

Дворников О.В., Чеховский В.А., Дятлов В.Л., Прокопенко Н.Н., Манжула В.Г.

Введение

При создании различных оптико-электронных приборов возникает проблема регистрации видимого излучения малой интенсивности, которая обычно решается как путем совершенствования фотоприемников, преобразующих фотоны в электрический сигнал, так и аналоговых устройств, осуществляющих предварительную обработку сигналов фотоприемников (преобразование ток-напряжение, усиление, фильтрацию и др.). В качестве фотоприемников часто применяются вакуумные фотоэлектронные умножители (ФЭУ), p-i-n фотодиоды, лавинные фотодиоды (ЛФД), кремниевые ФЭУ [1-4].

В ЛФД усиление генерируемого фототока происходит за счет ударной (лавинной) ионизации носителей заряда в сильном электрическом поле внутри области пространственного заряда (ОПЗ) p-n перехода. Преимуществом ЛФД является высокое быстродействие, широкий динамический диапазон, более низкое, чем в ФЭУ напряжение питания, малые размеры, низкая чувствительность к воздействию магнитного поля и радиации.

Коэффициент усиления ЛФД существенно возрастает при увеличении напряжения смещения, при этом также увеличивается коэффициент избыточного шума, температурная и режимная нестабильность усиления и допустимый технологический разброс величины усиления. Кроме того, росту усиления ЛФД препятствует наступление пробоя p-n перехода (лавинного умножения носителей заряда в ОПЗ при отсутствии регистрируемого излучения). Таким образом, для регистрации излучения малой интенсивности с помощью ЛФД необходимо либо выбирать их режим работы с большим усилением (около 1000) и разрабатывать сложные схемы режимной и температурной стабилизации, либо устанавливать меньшую величину усиления (50100), но совершенствовать схемы предварительной обработки сигналов, а именно увеличивать отношение сигнал/шум.

Целью настоящей статьи является рассмотрение малошумящего электронного модуля, созданного на основе специализированной аналоговой интегральной схемы (ИС) для регистрации импульсных сигналов ЛФД.

1. Особенности электронного модуля «CRP-MDL-1»

Во многих схемах включения ЛФД представляет собой источник импульсов тока, характеризующийся высоким внутренним сопротивлением и емкостью величиной от десятков до сотен пикофарад. Обычно ЛФД соединяется с устройством, которое преобразует входной импульс тока в выходное напряжение с длительностью, достаточной для обработки последующими каскадами [5].

При коротких сигналах ЛФД для этих целей чаще всего применяются импульсные преобразователи заряда в напряжение, так называемые зарядочувствительные усилители (ЗЧУ). Если импульс тока имеет протяженную плоскую вершину, которую необходимо зарегистрировать, то используются импульсные преобразователи тока в напряжение (трансрезистивные усилители - ТРУ). ТРУ обладают малым входным сопротивлением и благодаря этому также применяются при работе с ЛФД больших емкостей и высокой частоте поступления входных импульсов.

Ранее на базовом матричном кристалле АБМК-1.3 была создана аналоговая ИС (рис. 1) для датчиков космической аппаратуры [6], которая включает:

- инструментальный усилитель (ИУ), выполненный по классической схеме на трех операционных усилителях (U2A, U2B, U2C на рисунке 1) и позволяющий с помощью внешнего резистора, подключенного между выводами InINV1 и InINV2, устанавливать коэффициент усиления постоянного напряжения в диапазоне от 2 до 200 и уменьшать полосу пропускания за счет внешнего конденсатора, соединенного с выводом Cor3;

- два предусилителя на операционных усилителях (ОУ) с головными n-p-n- биполярными транзисторами и компенсацией входного тока;

- два предусилителя (U4A, U4B на рис. 1) на инвертирующих усилителях напряжения с «головными» полевыми транзисторами с p-n- переходом и каналом p-типа (p-ПТП) и токовым аттенюатором (ТА) для реализации функции так называемого «активного резистора». Цепь отрицательной обратной связи (ООС) может быть образована внешним резистором с номиналом до 1 ГОм (либо внешним резистором и ТА), внутренним C_FINT = 0,9 пФ и внешним C_F конденсаторами, с суммарной емкостью до 20 пФ. датчик электронный космический

Рис. 1. - Функциональная схема аналоговой ИС для датчиков космической аппаратуры

На одном кристалле расположены все рассмотренные аналоговые блоки, однако в зависимости от типа применяемого источника сигнала и требований к выполняемым аналоговым функциям при сборке кристалла в корпус осуществляют присоединение выводов к определенному набору аналоговых компонентов [6].

Чаще всего, усилители U4A, U4B включают в виде ЗЧУ или ТРУ, выходы которых OutP3, OutP4 соответственно соединяют с входами InNI1 и InNI2 инструментального усилителя, а между выводом BiasP2 блока смещения U3C и шиной нулевого потенциала включают резистор R_BIAS, изменение сопротивления которого позволяет увеличивать ток стока «головных» p-ПТП усилителей U4A, U4B. Один ЗЧУ (ТРУ) применяется для обработки сигнала, второй - для установления опорного напряжения на входе ИУ. Преимуществом описанной схемы является малое изменение параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов (температуры, проникающей радиации, синфазных наводок), а недостатком - относительно высокий уровень шумов из-за несовершенства фильтра верхних частот, реализованного только на ИУ с одним внешним конденсатором, соединенным c выводом Cor3.

Главной задачей решаемой при создании электронного модуля обработки сигналов лавинных фотодиодов была минимизация уровня шумов путем оптимального соединения аналоговых блоков, показанных на рис. 1, и выбора параметров элементов ООС при минимальном использовании дополнительных активных компонентов.

Упрощенная схема разработанного модуля «CRP-MDL-1» (без расположенных на плате стабилизаторов напряжения, фильтрующих конденсаторов, RC-цепей, задающих рабочий режим ЛФД) приведена на рисунке 2, а на рисунке 3 - фотография макетного образца. Только активный элемент U5 является сдвоенным ОУ типа AD8056, остальные активные элементы принадлежат специализированной аналоговой ИС.

Рис. 2. - Упрощенная электрическая схема электронного модуля

Канал предварительной обработки сигнала ЛФД представляет собой последовательное соединение ЗЧУ и активного полосового фильтра со структурой CR-RC³ и ступенчатой регулировкой коэффициента преобразования (K_QV) входного заряда в выходное напряжение электронного модуля. ЗЧУ реализован на инвертирующем усилителе U4B, охваченным ООС через RC-цепь с сопротивлением RA1 = 10 МОм и емкостью 1,91 пФ (параллельное соединение внутреннего конденсатора, величиной 0,91 пФ, с конденсатором CA5 = 1 пФ) [7-9]. Полосовой фильтр образует инвертирующий усилитель U4A, ИУ со ступенчатой регулировкой усиления U2, входящие в состав специализированной ИС, с соответствующими RC-цепями, причем ограничение полосы пропускания ИУ осуществляют конденсаторы, соединенные с выводами Cor1- Cor3.

Установка коэффициента преобразования тракта K_QV производится путем выбора требуемой комбинации подключения резисторов RA18-RA21 к выводам «G1» и «G2» ИУ с помощью smd- коммутатора SWA1.

Выходной усилитель U5B и источник U5A опорного напряжения, поступающего на вывод REF ИУ, выполнены на двухканальном ОУ AD8056. Съем сигнала с ЛФД осуществляется через разъем JA2 и разделительный конденсатор CA2 (10-100 нФ). В модуль встроена цепь калибровки/тестирования, включающая разъем JA1, резистор RA3 (51 Ом) и конденсатор CA1(1±10% пФ), соединенный с узлом A- in.

2. Результаты измерений основных характеристик

Измерения параметров модуля осуществлялись с помощью осциллографа Agilent MSO6052A и контрольно-измерительного комплекса «УНИПРО», включающего осциллограф В-423, генератор сигналов произвольной формы В-332 и аналого-цифровой порт В-381.

При измерениях основное внимание уделялось параметрам, характеризующим работу модуля с емкостными источниками токовых импульсов, а именно [6]:

- зависимости K_QV от емкости источника сигнала (C_D) для короткого токового тестового импульса с зарядом Q_IN, получаемого при прохождении ступеньки напряжения V_IN через калибровочный конденсатор CA1, Q_IN = V_INC_A1; датчик электронный космический

- зависимости временем пика выходного сигнала T_P от C_D;

- зависимости эквивалентного шумового заряда (ENC, equivalent noise charge) от C_D. Под эквивалентным шумовым зарядом понимается входной заряд, вызывающий на выходе системы сигнал, равный среднеквадратическому значению напряжения шумов. Обычно величина ENC описывается среднеквадратическим значением заряда, выраженным в количестве электронов (e).

Результаты измерений приведены в таблице и на рис. 3 - 6.

Рис. 3. - Зависимость времени пика T_P от емкости источника сигнала C_D для различных значений коэффициента преобразования K_Q0, измеренного при C_D = 0, Q_IN = 10 фКл

Рис. 4. - Зависимость коэффициента преобразования K_QV от емкости источника сигнала C_D при Q_IN = 10 фКл

Рис. 5. - Форма выходного сигнала при Q_IN =10 фКл и различной емкости источника сигнала C_D: 0, 10, 100 и 300 пФ

Рис. 6. - Эквивалентный шумовой заряд ENC в зависимости от емкости источника сигнала C_D для разных значений K_Q0

Основные параметры модуля «CRP-MDL-1»

Анализ результатов измерений позволяет утверждать, что разработанный модуль обладает сочетанием параметров, обеспечивающим эффективную обработку сигналов ЛФД с различной внутренней емкостью, а увеличение тока стока головных p-ПТП усилителей за счет включения внешнего резистора R_BIAS существенно уменьшает влияние входной емкости на коэффициент преобразования, время пика, эквивалентный шумовой заряд.

Заключение

На основе разработанной нами на базовом матричном кристалле АБМК-1.3 специализированной аналоговой ИС для датчиков космической аппаратуры создан электронный модуль обработки сигналов ЛФД. Модуль позволяет преобразовать короткие токовые импульсы емкостных источников сигнала в выходное напряжение и характеризуется следующими основными параметрами:

- диапазон регулировки коэффициента преобразования входного заряда в выходное напряжение от 25 до 180 мВ/фКл;

- эквивалентный шумовой заряд при нулевой емкости источника сигнала от 418 до 510 электронов при коэффициенте преобразования от 28 до 112 мВ/фКл и времени пика от 1,5 до 2,5 мкс;

- увеличение эквивалентного шумового заряда при увеличении емкости источника сигнала на 1 пФ от 18 до 22 электронов при коэффициенте преобразования от 28 до 112 мВ/фКл и времени пика от 1,5 до 2,5 мкс.

Литература

1. Полупроводниковые фотоприемники: Ультрафиолетовый, видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра / И.Д. Анисимова [и др.]. - М.: Радио и связь, 1984. - 216 с.

2. Korpar, S. Status and perspectives of solid state photon detectors / S. Korpar // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 2011. - Vol. A639. - P. 88-93.

3. Danilov, M. Novel photo-detectors and photo-detector systems / M. Danilov // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 2009. - Vol. A604. - P. 183-189.

4. Cavallari, F. Progress on avalanche photodiodes for the CMS electromagnetic calorimeter / F. Cavallari // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 1998. - Vol. 409. - P. 564-569.

5. Абрамов, И.И. Проектирование аналоговых микросхем для прецизионных измерительных систем / И.И. Абрамов, О.В. Дворников. - Минск: Акад. упр. при Президенте Респ. Беларусь, 2006. - 286 с.

6. Дворников, О.В. Универсальная аналоговая микросхема для датчиков космической аппаратуры / О.В. Дворников, В.А. Чеховский, В.Л. Дятлов // Современная электроника. - 2011. - № 3. - С. 56-65.

7. Крутчинский, С.Г. Радиационно-стойкий измерительный усилитель на базе мультидифференциальных входных каскадов [Электронный ресурс] / С.Г. Крутчинский, А.С. Исанин, Н.Н. Прокопенко, В.Г. Манжула // Инженерный вестник Дона, 2012, №3. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1045 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

8. Манжула, В.Г. Вариативный синтез схемы операционного усилителя с пониженным напряжением смещения нуля [Электронный ресурс] / В.Г. Манжула, И.Б. Пугачев, Н.Н. Прокопенко // Инженерный вестник Дона, 2012, №3. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1037 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

9. Манжула, В.Г. Интерферометрический интерфейс системы определения относительных координат радиоизлучающих объектов [Электронный ресурс] / В.Г. Манжула, С.Г. Крутчинский, А.В. Савенко, В.В. Воронин // Инженерный вестник Дона, 2012, №3. - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n3y2012/1027 (доступ свободный) - Загл. с экрана. - Яз. рус.

Размещено на Allbest.ru