一种单光子探测器雪崩信号提取电路及其应用的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种单光子探测器雪崩信号提取电路，利用APD-PIN二极管结电容平衡法、贝塞尔低通滤波器和宽带射频低噪声放大器，对门控信号导致的微分噪声进行滤除，提取有用的雪崩信号。该提取电路可以很好地保持雪崩信号的形状，并以较低的成本获得了较高的信噪比。
【专利说明】一种单光子探测器雪崩信号提取电路及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种单光子探测器雪崩信号提取电路及其应用，属于微弱光探测的
【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 单光子探测器的目的是探测单光子量级的微弱光信号。一个单光子探测器通常包 含光电探测器件（光电倍增管，雪崩光电二极管等）、器件驱动电路和输出信号提取电路。 雪崩光电二极管（APD)由于工作速度高、体积小巧而被广泛采用。由于单光子探测器中的 AH)工作于盖革模式下，其产生的雪崩电流需要及时猝灭以保护APD，并使器件可以进行下 一次探测。门控猝灭是目前普遍采用的方法，该方法使单光子探测器可以有很高的工作速 度和探测效率，同时可以降低暗计数和后脉冲概率；然而门控信号自身会通过APD的结电 容耦合至输出端，成为微分噪声，且幅度通常大于所产生的雪崩信号。因此，自门控单光子 探测器出现以来，如何有效地从噪声中提取出微弱的雪崩信号就成为了人们探究的重点。
[0003] 雪崩信号的提取通常分为两部分，一是微分噪声的滤除，二是雪崩信号的放大。目 前滤除微分噪声的常见方法包括带阻滤波、低通滤波、正弦门控相消法、自差分平衡法、电 容平衡法、双AH)平衡法等多种方法。然而，这些方法均存在一些不足：带阻滤波和低通滤 波可以很好地滤除微分噪声，可以达到很好抑制效果，但滚降快、抑制比高的滤波器对雪崩 信号波形的破坏很大，拖尾现象严重，且该方法在门控频率低时几乎不可用。正弦门控相消 法通常用于高频，且限制了门控的波形形状只能为正弦。自差分平衡法由于采用延迟线来 实现噪声的自我抵消，只能用于单一门控频率，对频率变化非常敏感。电容平衡法由于采用 固定电容，与APD结电容在特性上存在差异，其噪声抑制性能有限。双APD平衡法是目前较 好的方法，然而该方法需要使用两只特性近似的APD，但只有一个AH)能工作在最佳状态， 成本高昂。在滤除微分噪声的同时，需要将微弱的雪崩信号放大至高于背景噪声，方可进行 有效的鉴别。降低放大电路和噪声消除电路自身的噪声对提高信噪比同样具有重要意义。 上述平衡法很多时候要使用差分放大器，而差分放大器的噪声系数比单端射频放大器高出 数dB。此外，在门控微分噪声幅度很大时，即便是无源滤波器件也不可避免地会产生较大的 带限白噪声。
【发明内容】
[0004] 针对现有的技术不足，本发明提出了一种单光子探测器雪崩信号提取电路，该电 路是基于APD-PIN二极管结电容平衡法、贝塞尔低通滤波器和宽带射频低噪声放大器的雪 崩信号提取电路，以较低的成本实现了较高的信噪比。其中AH)为雪崩光电二极管。
[0005] 本发明还提供上述单光子探测器雪崩信号提取电路的应用。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种单光子探测器雪崩信号提取电路，包括APD-PIN结电容平衡电路，贝塞尔低 通滤波器和宽带射频低噪声放大器，ATO-PIN结电容平衡电路的输出端与贝塞尔滤波器的 输入端相连，贝塞尔低通滤波器的输出端与宽带射频低噪声放大器的输入端相连，Aro产生 的雪崩信号通过APD-PIN结电容平衡电路和贝塞尔低通滤波器降噪后，经过宽带射频低噪 声放大器被放大输出。射频变压器存在约Γ的相位不均衡，导致上述平衡电路仅对低频或 特定的高频频段抑制比较高，有时需要进一步滤除残余的噪声。作为平衡电路的补充，贝塞 尔型无源LC低通滤波器是很好的选择。无源的贝塞尔型低通滤波器具有和巴特沃斯型一 样简单的电路形式，虽然其阻带滚降率较差，但其具有最平坦的群时延，对于频谱较宽的雪 崩信号，该滤波器可以尽可能保持雪崩波形的形状完好。
[0008] 根据本发明优选的，所述单光子探测器雪崩信号提取电路，包括一个APD-PIN结 电容平衡电路，一个或多个贝塞尔低通滤波器和一个或多个宽带射频低噪声放大器；
[0009] 所述APD-PIN结电容平衡电路包括两个具有相近或相同结电容的雪崩光电二极 管D1和PIN二极管D2,门控信号通过两个容值相同的电容C1和电容C2分别耦合至雪崩光 电二极管D1和PIN二极管D2的阴极，雪崩光电二极管D1的阴极连接至偏置电压Vbl，PIN 二极管D2的阴极连接至偏置电压Vb2,雪崩光电二极管D1和PIN二极管D2的阳极分别连 接至射频变压器T1的初级绕组两端，射频变压器T1的次级绕组一端接地，另一端输出雪崩 信号。通过调整APD-PIN结电容平衡电路中PIN二极管D2的控制电压Vb2,使其结电容与 雪崩光电二极管D1的结电容尽可能相同，D1和D2在T1初级绕组两端产生相同的噪声信 号。
[0010] 根据本发明优选的，在雪崩光电二极管D1阳极处连接电阻R4,在PIN二极管D2的 阳极处连接可调电阻R5。此处设计的优点在于，以提供直流通路和阻抗匹配，并对电路进行 微调达到最佳效果。
[0011] 如上述单光子探测器雪崩信号提取电路的应用，APD-PIN结电容平衡法抑制微分 噪声的原理如下：将两个直流偏置电压分别施加在APD和PIN二极管的阴极，同时将同一个 门控信号分别施加在Aro和PIN二极管的阴极：当Aro的工作偏置电压确定以后，其结电容 即为一定值，调节PIN二极管的偏置电压，使其结电容与APD的结电容相等，此时APD输出 的微分噪声和PIN二极管输出的微分噪声具有相同的幅度和形状，将这两个输出接入射频 变压器的初级绕组，微分噪声为共模信号，AH)产生的雪崩信号为差模信号；此时将次级绕 组的一端接地，共模信号被抑制，差模信号即雪崩信号得以成功提取；
[0012] 采用贝塞尔低通滤波器作为平衡电路的补充；
[0013] 所述雪崩信号通过宽带射频低噪声放大器进行放大。雪崩信号的频谱较宽，幅度 较小，对放大器的噪声特性和频率特性都有较高要求，而对放大器的精度和增益的平坦性 不敏感。因此，与运算放大器和差分放大器相比，具有固定增益的宽带射频低噪声放大器更 适合雪崩信号的放大。
[0014] 本发明的优点是：
[0015] 1.本发明采用与Aro结构和特性相似的射频PIN二极管作为电容平衡器件，其性 能接近双Aro平衡法的性能，且成本低廉。该平衡电容与滤波器同时使用时，降低了对滤波 器的性能的要求，减小了滤波器的噪声输入功率，从而降低了滤波器自身产生的热噪声。
[0016] 2.本发明采用射频变压器抑制共模的微分噪声。射频变压器是无源器件，在保证 高抑制比的同时，几乎不引入新的噪声，与单端输入的低噪声宽带射频放大器一起使用，可 以得到低至ldB左右的噪声系数；相比之下，差分放大器的噪声系数通常高于6dB。
[0017] 3.本发明采用贝塞尔型无源LC低通滤波器可以很好地保持雪崩脉冲的形状，不 产生拖尾振荡，有利于减小后级鉴别器的判决门限，提高探测效率和计数速率。
【专利附图】
【附图说明】
[0018] 图1为本发明实施例的电路结构框图；
[0019] 图2为本发明实施例中APD-PIN结电容平衡电路的电路原理图；
[0020] 图3为本发明实施例中9阶贝塞尔低通滤波器的电路原理图；
[0021] 图4为本发明实施例中低噪声宽带射频放大器的电路原理图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细说明，但不限于此。
[0023] 实施例1、
[0024] -种单光子探测器雪崩信号提取电路，包括APD-PIN结电容平衡电路，贝塞尔低 通滤波器和宽带射频低噪声放大器，ATO-PIN结电容平衡电路的输出端与贝塞尔滤波器的 输入端相连，贝塞尔低通滤波器的输出端与宽带射频低噪声放大器的输入端相连，AH)产生 的雪崩信号通过APD-PIN结电容平衡电路和贝塞尔低通滤波器降噪后，经过宽带射频低噪 声放大器被放大输出。
[0025] 所述单光子探测器雪崩信号提取电路，包括一个APD-PIN结电容平衡电路，一个 或多个贝塞尔低通滤波器和一个或多个宽带射频低噪声放大器；
[0026] 所述APD-PIN结电容平衡电路包括两个具有相近或相同结电容的雪崩光电二极 管D1和PIN二极管D2,门控信号通过两个容值相同的电容C1和电容C2分别耦合至雪崩光 电二极管D1和PIN二极管D2的阴极，雪崩光电二极管D1的阴极连接至偏置电压Vbl，PIN 二极管D2的阴极连接至偏置电压Vb2,雪崩光电二极管D1和PIN二极管D2的阳极分别连 接至射频变压器T1的初级绕组两端，射频变压器T1的次级绕组一端接地，另一端输出雪崩 信号。在雪崩光电二极管D1阳极处连接电阻R4,在PIN二极管D2的阳极处连接可调电阻 R5。
[0027] 实施例2、
[0028] 如实施例1所述单光子探测器雪崩信号提取电路的应用，将两个直流偏置电压分 别施加在Aro和PIN二极管的阴极，同时将同一个门控信号分别施加在Aro和PIN二极管的 阴极：当Aro的工作偏置电压确定以后，其结电容即为一定值，调节PIN二极管的偏置电压， 使其结电容与APD的结电容相等，此时APD输出的微分噪声和PIN二极管输出的微分噪声 具有相同的幅度和形状，将这两个输出接入射频变压器的初级绕组，微分噪声为共模信号， Aro产生的雪崩信号为差模信号；此时将次级绕组的一端接地，共模信号被抑制，差模信号 即雪崩信号得以成功提取；
[0029] 采用贝塞尔低通滤波器作为平衡电路的补充；
[0030] 所述雪崩信号通过宽带射频低噪声放大器进行放大。
[0031] 实施例的电路结构具体如图1所示，包含APD-PIN结电容平衡电路1，三级贝塞 尔滤波器2和两级宽带射频低噪声放大器3级联。各电路模块间使用50欧姆同轴电缆相 连。本实施例外部连接的直流偏置电压源为线性稳压电源，门控信号为重复频率0. 1MHz至 200MHz的脉冲信号。
[0032] 以下为各部分电路的详细说明：
[0033] APD-PIN结电容平衡电路如图2所示。1GHz的门控信号通过50欧姆同轴电缆接 入电路，在50欧姆电阻R3处终端匹配。该门控信号通过电容C1耦合至雪崩光电二极管D1 阴极处，通过C2耦合至PIN二极管D2阴极处，C1与C2相等。APD通过R1连接至偏置电 压Vbl，PIN二极管通过R2连接至偏置电压Vb2。电阻R4和可调电阻R5为AH)和PIN二 极管提供直流通路，并使射频变压器阻抗匹配。由于PIN二极管和AH)的RC特性不可避免 地存在细微的差别，除调整电压Vb2外，通过调节可调电阻R5可获得最佳的噪声抑制效果。 门控信号通过两只二极管的结电容耦合至阳极，分别加在射频变压器T1的初级绕组两端， 其中Aro端可能含有光子引发的雪崩信号。在设计时，应尽量选用结电容和Aro工作时的 结电容相近的PIN二极管，同时保持Aro侧和PIN侧的走线对称，以保证到达T1两端的噪 声信号相同。射频变压器的次级绕组一端接地，另一端通过同轴电缆连接至贝塞尔滤波器。 本实施例中，APD为工作在近红外波段的InGaAs/InPAPD，型号为PGA-300 ;PIN二极管的型 号为HSMP-389B ;射频变压器为工作频率2. 3MHz至2700MHz的宽带射频变压器CX2156NL。 电路工作时，通过调整PIN二极管的偏置电压Vb2,使其结电容接近AH)正常工作的结电容。 此时，T1两端的噪声信号基本相同，为共模信号，不会在初级绕组上产生电流；而雪崩信号 电流会作为差模信号流过T1的初级绕组，并使次级绕组产生感应电流输出。
[0034] 实施例中使用9阶无源LC贝塞尔型低通滤波器，如图3所示，其在1. 25GHz处的 抑制比为18dB，-3dB点为550MHz，插入损耗小于2dB。该滤波器在本实施例中使用了三级， 1. 25GHz以上频率的总抑制比大于54dB。
[0035] 实施例中使用型号为SGA4563Z的宽带射频低噪声放大器，如图4所示，它可以工 作在DC至2500MHz的宽带范围，具有25. 6dB的典型增益，噪声系数1. 9dB。该放大器在本 实施例中使用了两级，总放大倍数为50dB。
【权利要求】
1. 一种单光子探测器雪崩信号提取电路，其特征在于，该电路包括APD-PIN结电容平 衡电路，贝塞尔低通滤波器和宽带射频低噪声放大器，APD-PIN结电容平衡电路的输出端与 贝塞尔滤波器的输入端相连，贝塞尔低通滤波器的输出端与宽带射频低噪声放大器的输入 端相连，AH)产生的雪崩信号通过APD-PIN结电容平衡电路和贝塞尔低通滤波器降噪后，经 过宽带射频低噪声放大器被放大输出。
2. 根据权利要求1所述的一种单光子探测器雪崩信号提取电路，其特征在于，所述单 光子探测器雪崩信号提取电路，包括一个APD-PIN结电容平衡电路，一个或多个贝塞尔低 通滤波器和一个或多个宽带射频低噪声放大器； 所述APD-PIN结电容平衡电路包括两个具有相近或相同结电容的雪崩光电二极管D1 和PIN二极管D2,门控信号通过两个容值相同的电容C1和电容C2分别耦合至雪崩光电二 极管D1和PIN二极管D2的阴极，雪崩光电二极管D1的阴极连接至偏置电压Vbl，PIN二 极管D2的阴极连接至偏置电压Vb2,雪崩光电二极管D1和PIN二极管D2的阳极分别连接 至射频变压器T1的初级绕组两端，射频变压器T1的次级绕组一端接地，另一端输出雪崩信 号。
3. 根据权利要求1所述的一种单光子探测器雪崩信号提取电路，其特征在于，在雪崩 光电二极管D1阳极处连接电阻R4,在PIN二极管D2的阳极处连接可调电阻R5。
4. 如权利要求1-3任意一项所述单光子探测器雪崩信号提取电路的应用，将两个直流 偏置电压分别施加在APD和PIN二极管的阴极，同时将同一个门控信号分别施加在AH)和 PIN二极管的阴极：当APD的工作偏置电压确定以后，其结电容即为一定值，调节PIN二极 管的偏置电压，使其结电容与AH)的结电容相等，此时APD输出的微分噪声和PIN二极管输 出的微分噪声具有相同的幅度和形状，将这两个输出接入射频变压器的初级绕组，微分噪 声为共模信号，AH)产生的雪崩信号为差模信号；此时将次级绕组的一端接地，共模信号被 抑制，差模信号即雪崩信号得以成功提取； 采用贝塞尔低通滤波器作为平衡电路的补充； 所述雪崩信号通过宽带射频低噪声放大器进行放大。
【文档编号】G01J11/00GK104062018SQ201410323288
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年7月8日 优先权日:2014年7月8日
【发明者】刘俊良, 李永富, 张春芳 申请人:山东大学