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1、光电二极管前置放大器组件 黄有志刘定宣 屯庆光电技术研究所 摘要 经 过 有关 光电探测器资料分 析指出 , 研制各种 光 电探测 器 一前 置放 大器组件是当前主要发展方向之一 。 文章在介绍各种组件型号 , 性能之后 , 重汽阐述 了光电二极 管一前置放大 器组件的设计及典型 实用线路 。 一 、 引言 半导体光 电二极管是高速 、 低噪声及高 响应 度的光 电探测器 。 国内外已对各种光探 测 器进行了广泛的研究和生产 。 硅 、 锗探测 器的值 才 均在 一“ 一 一“ 的 数量级 , 接近理论值 。 要进一步提高器件的 性能 , 靠它 本身潜力不大 。 对于,一族化 合物探测器 ,
2、相对于雪崩光 电二极管 而言 , 管制作工艺简单 , 已有产品出 售 。 而则工艺难度较大 , 一般 增 益 仅在一之 间 。 迄今为止 , 还处 于基础研 制阶段 。 鉴于此 , 多数学者认为 , 用管 与场效应晶体管的组件来取代 , 无论在经济上 , 还是在使用上都比较有利 。 特别 对长波长 光的探测 , 其优越性更为突 出 。 关于 一 组件与相比较的优缺 点 , 国内外已广泛进 行 了理论分析及实验比 较 , 其结论基 本一致 。 就目前光探测器的研 制水平而言 , 在 拜 波段 , 一 组 件的性能与一个相 当 。而 一一 组件的性能则比单个优越 。 在一 卜 波段 , 或一族组
3、件则比更好 。 尽竹夫客吊 , 长距离光纤通讯的发展已 移 向民波 长方而 , 在 中短距离领域 , 短 波 一长方面 的应用技术已经成熟 。 因此 , 研制两 种光 电二极管前置放大器集成化的组件 , 是 当前光探测技术的主要发展方向之一 。 集成 化的组件一般体积小 , 造价低 , 稳定性及可 靠性高 , 整机设计及一般使用均比较灵活方 便 。 二 、 光源 、 探测器及放大器 众所 周知 , 各种激光仪器均要求 体积 小 、 重量轻 , 稳定性 、 可靠性高及造价低 。 因此 , 在整机设计时 , 对光源 , 探测器 及放 大器三者必项进 行最佳方案选择 。 一 般说 来 , 增大光源发
4、射功率 , 会增加 整机重量和 造价 、 同时还由于散热 、 寿命等原 因致使光 源制作变得更加困难 。 最经济的办法是提高 仪器接收系统的灵敏度并将信号进行放大 即选用适当的探测器与高性能放 大器 相匹 配 。 由于任何激光光源均发出谱线较窄的光 波 , 而光探测器的光谱响应范围一般则比较 宽 , 峰值 响应视器件种类而异 , 因而就出现 了光源 与探测器种类的选配问题 , 表给出 了各种光源与可选用探测器之间的对 应关 系 。 应该特别指出 , 到目前 为止 , 对一 拜拼波段光的探测 , 仍大见采川 、 探 测器 。 近 两年 , 外对室温下 二了 乍的 裹光滚与探测路 光 、 叹 、父
5、 长探测 , 曰, 曰曰 ,犷 卜 一 , 卜 ,一 。 。 冬 几 一,一, 。 一 一 , 。 林 , 各种光式 弓止 亏年 探测 器制作技术 已经突破并作 出 了实用器 件 。估 计将 大大促进激光应 用技术的发 展 。 探 测 器 与放大器的配合 , 一 般有两种形 式光 电二极管与用场效应答作 输 入级 的放大器组件相 配 合称 光电 放大器组 件光电二极管前置放大器组件 。 前 者是将前放与主放集成在一起与特另型号的 探测器配套使用 。 后者是将探测器 与前放 集 成一个组件 。 目前国外 光 电放一 器组件品种 较多 , 频率特性及封装形式 等均有较大的 差 异 , 其典型 代表
6、如表 与表 所列 。 光电二极管前置放大器组件分为宽带和 窄带 两种 。 一种带宽与增益为固定式 , 另一 种为带宽增益 ,耳 调式 , 其典型组件特性如表 所列 。 裹光电 制造厂 次大器组件型号及制造工厂 暑冷 几 型 一号 七 、 一 袋异 、 一号 , 功 卜 了几 石入 亏几 , 一 , , 了 东京已针以一洲 , 丁鱿 了 丁 , , 日本电 产 、 衰光电放大器组件的率特性及封袭形式 型号增益带宽 二 封装 一 特殊 双列 一 型号 一 报一 一 一 一 一汤 一 推 飞 一 封 了狡 一 双列 上述表 一中所列各种放大器组件 , 均 采用作输入级 时 , 由于的噪声等 原因 ,
7、 一般低频组件输入级采川 一 , 而高频组件则用 “ 一一 。 裹前放大器组件特性及封袭 一 装 一 列封 一 双 型号 灵敏度频率特性 一翌麻 需 吐 一一一 林 一 一 双列 方盒式 双列输出 协 协 一 一 一 一 三 、 光电二极管前置放大 器组件的设计 组件设计的一般要求 一般激光仪器的接收系统 , 除几何光路 外或光纤接收线路由探测器 , 前置放大 器及主放大器三部份组成 , 如图所示 。在实 际应用中 , 由于光信号往往非常微弱 , 要把 信 号放大到足够大 , 就需要多级放大 。 怎样 选择适当的元件及连接方式进 行放大是组件 线路设计者应充分考虑的问题 。 对于一般通 用宽带
8、前置放大器组件 , 应考虑下述几点 电电 派 图接收线路原理图 在规定的频率范围内 , 线路应保 证信号无失真地进行初步放大 , 并由前级顺 利地送到末级 , 输出应有一定 信噪比及信 号幅值 。 光电二极管 与前置放大以及前放 与主放大器 之间在频率 , 输入及输出特性等 方面应互相匹配 。 各晶体管在较长时间工 作中 , 应 保证正常的工作点 。 在允许的温度变化范围 内 , 温漂应限制到最小 。 整个组件应采用 电容小 、 电阻谊 小及无电感的线路 , 从而减小组件薄膜的体 积并使工艺简单化 。 要达到上述目的 , 设计制作前置放大器 组件就必须精选元器件及散热良好的基片 , 否则将会给
9、用户 增加不必要的麻烦 。 目前光电二极管一前置放大器组件 , 少 数采用全 固体集成 , 一般均是混合集成 , 陶 瓷基板 , 薄膜线路及特殊封装 。 光 电二极管前皿放大器组件的设计 光 电二极管的设计 光电二极管 , 一般是在全耗尽条件 下使用 , 它的噪声取决 于器件的漏 电流 历 频响则决定 于器件对 矩形脉冲光输出幅值的 前沿 , 一般几值很小 , 因而固有噪声可忽略 不计 。 若规定响应输出波形的 幅值 由 到的前沿为器件的上升时间 , 则 二了 艺 。十 于 。十 于 , 式中 。为收集时间, 为扩散时间 , 器 件决定于一的响应时间 , 在一般情况下 。 肚。尤 十 二。 式
10、中 , 为器件的结 电容 , 。 为金属 电极 与氧化层之间的电容 , 尸。为封装电容 即 管壳 电容 , , , 为外引线电容 , , 为负 载 电阻 , 为串联电阻 。 如果电极金属与 十 层 或层系微合金 , 则接 触良好 , 值 较小并月只 与基片大小 、 厚度 及材料有关 。 一般值的选取 , 既要注意它对 器件值 的影响 , 又要考虑它对组件输出 , 输入特性 的影响 。 对 于 一 光电 二极管 , 在 拼 波 长 , 其硅片厚度只需 件 就能吸 收 左右的信号光 。 实际上多数管的 耗 尽 区宽度 终 , 故 , 。这 时 式可简化为 二 扩矛于 若管采用减小横向电阻的 收集极
11、 , 则 。 的影响将会进一步减小 。 的设计 关于电参数的计算 , 早已有 成熟的 理论 , 在 此不必多谈 。 一般的跨导 及 电 容主要决定 于栅级条纹的宽 一 长比 , 而 漏 电 流 ,的大 小 , 则取决于器件友而制 作工 艺 水平 。 由于具有输入阻抗高 , 跨导大及噪 声低等优点 , 常用于各种小信号放 大 器线路 中作输入级 。 如 图 、 所 示 。 在实际接 收线路中 , 由于光信 号很弱 , 而管或的噪声又很小 , 则要求 的电容及漏 电流 ,应尽 可能的小, 而 跨导 , 则应尽量地大 。 前者影 响组件的信 一噪比及带宽, 后者则影 响组件的动态范围 及响应度 。
12、实际计算时 , 取 , 及 , 之间 的折衷值 。 目前国外选 川的电参数特性 如表 所 示 。 衰 名称 国外组件用的电 , 橄 一 一 一 簇 八 镇 一一兰一品一 全 竺 竺 若采用图的线路 , 则要求的值更小 。 根据理论推导 , 跟随器的增益总小于 , 即 ,、 , 、 式中 。为交 流跨导 , 为洲极电阻 , 典关系 式为 、二 几 、 几召 , 、洲 , 裹 汽与 之间的关系 。 。 。 式中介 、为栅一 源 电阻 , 乙 日, 为输 出阻抗 。 由 式可知 , 当 , 为定他时 、哟大, 接 近于 。 如表所示 。 关际 卜 , 、的仇不 一 , 能 取得很大 , 否则将影响下
13、一级品体管的工作 点及带宽 。 前里放大器组件的设计 大多数组件设计采用反馈式线路 , 如图 所示 。 组件的增益 及带宽改变 , 是利用改变 线路中及的仇来实现 的 。 组件接收光信 卜 崎 凡丸 、 众 图一般放大器输八级线路 前置放大器组件 , 一般采用图的线路 作输入级 , 即跟随器输入级 。 它的频率响应 宽 , 输出阻抗低 , 便于与低 噪声双结型晶体管 放大级相匹配 , 可降低对电容的要求 。 匆放大器勿钟卜啄理冬 一 凡 玛 几 肺 号后输 出的信号官大小为 。 尸 式 中 , 为入射于光敏面内的 光 功率 , 为 器件的交 流响应度 , 与为反馈 电阻及 电 容 。 若组件的
14、截止频率为了 。, 则 二兀 对通用型组 件 , 频率响应一般从开 始 , 则 。 , 这时输出信号 、的公式可改写为 式中 为带宽 。 当输 入信 号与组件的噪 声 相 等时 , 即 、二 。、 则噪声等效功率为 兀 。 由式可知 , 为常数及很小时 , 组件 的值取决于 坎 。 。 奋 肠 , 呀, ,今 二 味 生 心 仍 二 一 吕 步 一 铸 宜奋 畴 二 一, 于 二 一网 。 勺勺 子 二 一 净州 匀子 ”刁 抑一万 阿 一 凡 玛 几 肺 号后输 出的信号官大小为 。 尸 式 中 , 为入射于光敏面内的 光 功率 , 为 器件的交 流响应度 , 与为反馈 电阻及 电 容 。 若组件的截止频率为了 。, 则 二兀 对通用型组 件 , 频率响应一般从开 始 , 则 。 , 这时输出信号 、的公式可改写为 式中 为带宽 。 当输 入信 号与组件的噪 声 相 等时 , 即 、二 。、 则噪声等效功率为 兀 。 由式可知 , 为常数及很小时 , 组件 的值取决于 坎 。 。 奋 肠 , 呀, ,今 二 味 生 心 仍 二 一 吕 步 一 铸 宜奋 畴 二 一, 于 二 一网 。 勺勺 子 二 一 净州 匀子 ”刁 抑一万 阿