一种APD噪声抑制方法及电路与流程

本发明涉及光电探测领域，尤其涉及一种apd噪声抑制方法及电路。

背景技术：

在光电检测系统中，特别是在单光子探测中，apd（雪崩光电二极管）通常是工作在盖格模式下，apd只有在有光子到达时才处于工作状态，其他时间产生的噪声很低，不会使apd探测光子的量子效率下降。但是由于apd是容性器件在工作时会产生一个尖峰噪声，且尖峰噪声的幅度随着工作频率的提高而增大，会对雪崩信号的探测造成极大的干扰，使信号难以从噪声中分辨出来，提取雪崩信号抑制尖峰噪声是单光子探测应用中研究的重点。常见的噪声抑制技术有提高apd偏置电压、负脉冲甄别、自平衡等方法，但是结构都相对复杂，成本较高，难以满足实际应用的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种apd噪声抑制方法及电路，能够将微弱信号从噪声中提取出来，提高系统的探测精度。

本发明采用的技术方案是：

一种apd噪声抑制方法,其包括以下步骤：

步骤1，对输入信号进行放大，输入信号的放大包括放大输入信号中的噪声成分和信号成分；

步骤2，提供一偏置电压与放大后的输入信号进行减法运算得到二级输入信号；即二级输入信号=输入信号-偏置电压；

步骤3，通过噪声钳位抑制电路提供一抑制信号对二级输入信号中的噪声成分进行抑制；

步骤4，通过一差分电路将噪声抑制后的二级输入信号调理成高信噪比信号输出。

进一步地，步骤2中利用可调偏置电压将经过运算放大电路放大后的信号调节到抑制信号附近。

进一步地，步骤3中噪声钳位抑制电路包括至少一个半导体元件，步骤3利用半导体元件的非线性特性对噪声成分进行抑制处理。

进一步地，所述抑制信号为一个定值，通过非线性衰减，能够极大的抑制信号中的噪声成分，较好的保留信号成分。

进一步地，步骤4的差分电路以单端输入双端输出的方式工作，具有阻抗变换及单端到差分转换的信号调理功能，将经过所述噪声钳位抑制电路的信号调理成高信噪比信号输出。

进一步地，本发明还公开了一种apd噪声抑制电路，其包括运算放大电路、噪声钳位抑制电路、差分电路；输入信号接入运算放大电路的一个输入端，运算放大电路的另一个输入端连接一可调节的偏置电压，运算放大电路的输出端分别连接噪声钳位抑制电路和差分电路，运算放大电路用于输入信号的放大以及放大后的信号与偏置电压的减法运算，噪声钳位抑制电路将运算放大电路输出的信号进行噪声抑制，差分电路将经过噪声钳位抑制电路处理后的信号进行调理输出。

进一步地，所述噪声钳位抑制电路为包括至少一个半导体元件的电路、器件或芯片。

进一步地，所述差分电路采用单端输入双端输出的工作方式。

进一步地，运算放大电路包括电阻r1、电阻r2、电阻r3和运算放大器u1,输入信号通过电阻r3接入运算放大器u1的同相输入端，一可调节的偏置电压通过电阻r1接入运算放大器u1的反相输入端，运算放大器u1的输出端通过电阻r2连接至运算放大器u1的反相输入端，运算放大器u1的输出端分别连接至噪声钳位抑制电路和差分电路。

进一步地，噪声钳位抑制电路包括半导体二极管d1，半导体二极管d1正极端接地，负极端连接运算放大电器u1的输出端，半导体二极管d1在正向偏压下工作，抑制信号vs即为半导体二极管d1的正向工作电压。

进一步地，差分电路包括电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7和差分放大电器u2，差分放大电器u2具有两个输出端，运算放大电器u1的输出端和半导体二极管d1的负极通过电阻r4连接差分放大电器u2的反向输入端，差分放大电器u2的一个输出端通过电阻r6连接差分放大电器u2的反相输入端，差分放大电器u2的另一个输出端通过电阻r7连接差分放大电器u2的同相输入端，差分放大电器u2的同相输入端通过电阻r5接地，

进一步地，所述电阻r1、r2、r3的取值范围为1千欧姆到100千欧姆。

进一步地，所述电阻r4、r5、r6、r7的取值范围为100欧姆到10千欧姆。

本发明采用以上技术方案，在所述运算放大电路上施加一个可调偏置电压，所述运算放大电路将输入信号放大与偏置电压进行运算后输出；所述的噪声钳位抑制电路的原理是利用半导体的非线性特性工作，提供一个抑制信号（vs）将经过所述运算放大电路后的信号进行处理，实现噪声抑制。所述的可调偏置电压（voffset）的功能是将经过运算放大电路放大后的信号调节到抑制信号（vs）附近，以实现最大程度的噪声抑制。所述噪声钳位抑制电路将经过所述运算放大电路输出的信号进行噪声抑制；所述差分电路将经过所述噪声钳位抑制电路处理后的信号调理输出；所述的抑制信号（vs）为一个定值，通过非线性衰减，能够极大的抑制信号中的噪声成分，较好的保留信号成分。所述的运算放大电路对输入信号（vin）进行放大，包括放大信号中的噪声成分和信号成分，放大后的信号与偏置电压（voffset）进行的运算为减法运算，经过所述运算放大电路后的信号为：vin’=vin-voffset。所述的差分电路以单端输入双端输出的方式工作，具有阻抗变换及单端到差分转换的信号调理功能，将经过所述噪声钳位抑制电路处理后的信号进行稳定、高信噪比地输出。

本发明利用半导体元件的非线性特性对微弱信号进行处理，能够保证在较小的信号失真的前提下实现对噪声的大幅度抑制，提高系统信噪比，将微弱信号提取出来，结构简单，成本低，信号探测精度高。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明；

图1为本发明一种apd噪声抑制方法的流程示意图；

图2为本发明一种apd噪声抑制的电路结构框图；

图3为本发明一种apd噪声抑制的电路连接示意图。

具体实施方式

如图1-3之一所示，本发明公开了一种apd噪声抑制方法,其包括以下步骤：

步骤1，对输入信号进行放大，输入信号的放大包括放大输入信号中的噪声成分和信号成分；

步骤2，提供一偏置电压与放大后的输入信号进行减法运算得到二级输入信号；即二级输入信号=输入信号-偏置电压；

步骤3，通过噪声钳位抑制电路提供一抑制信号对二级输入信号中的噪音成分进行抑制；

步骤4，通过一差分电路将噪音抑制后的二级输入信号调理成高信噪比信号输出。

进一步地，步骤2中利用可调偏置电压将经过运算放大电路放大后的信号调节到抑制信号附近。

进一步地，步骤3中噪声钳位抑制电路包括至少一个半导体元件，步骤3利用半导体元件的非线性特性对噪声成分进行抑制处理。

进一步地，所述抑制信号为一个定值，通过非线性衰减，能够极大的抑制信号中的噪声成分，较好的保留信号成分。

进一步地，步骤4的差分电路以单端输入双端输出的方式工作，具有阻抗变换及单端到差分转换的信号调理功能，将经过所述噪声钳位抑制电路的信号调理成高信噪比信号输出。

进一步地，本发明还公开了一种apd噪声抑制方法及电路，其包括运算放大电路、噪声钳位抑制电路、差分电路；输入信号vin接入运算放大电路的一个输入端，运算放大电路的另一个输入端连接一可调节的偏置电压voffset，运算放大电路的输出端分别连接噪声钳位抑制电路和差分电路，运算放大电路用于输入信号vin的放大以及放大后的信号与偏置电压voffset的减法运算，噪声钳位抑制电路将运算放大电路输出的信号进行噪声抑制，差分电路将经过噪声钳位抑制电路处理后的信号进行调理输出。

进一步地，所述噪声钳位抑制电路为包括至少一个半导体元件的电路、器件或芯片。

进一步地，所述差分电路采用单端输入双端输出的工作方式。

进一步地，运算放大电路包括电阻r1、电阻r2、电阻r3和运算放大器u1,输入信号vin通过电阻r3接入运算放大器u1的同相输入端，一可调节的偏置电压voffset通过电阻r1接入运算放大器u1的反相输入端，运算放大器u1的输出端通过电阻r2连接至运算放大器u1的反相输入端，运算放大器u1的输出端分别连接至噪声钳位抑制电路和差分电路。

具体地，输入信号vin通常都是由弱光信号转换的微弱电信号，必须经过充分放大和处理后才能方便后续使用，通过运算放大器u1先对输入信号vin进行放大，同时放大信号中的噪声成分和信号成分，再利用偏置电压voffset将放大后的信号做减法运算，然后从运算放大器u1的输出端输出信号vin’，信号vin’中的噪声成分比例还较多，信噪比较低。偏置电压voffset为可调的，可根据输入信号vin的大小进行调节以方便后续电路处理。

进一步地，噪声钳位抑制电路包括半导体二极管d1，半导体二极管d1正极端接地，负极端连接运算放大电器u1的输出端，半导体二极管d1在正向偏压下工作，抑制信号vs即为半导体二极管d1的正向工作电压。经过可调偏置电压voffset调节与运算放大器u1运算后输出的信号vin’总是在抑制信号vs附近，根据半导体二极管d1工作的非线性特性，抑制信号vs能够对vin’进行非线性衰减，可以将vin’中的噪声成分进行大幅度地抑制，且能够较好的保留vin’中的信号成分，从而实现了对噪声的抑制，极大提高信噪比，使得微弱信号能够被分辨出来。

进一步地，差分电路包括电阻r4、电阻r5、电阻r6、电阻r7和差分放大电器u2，差分放大电器u2具有两个输出端vout，运算放大电器u1的输出端和半导体二极管d1的负极通过电阻r4连接差分放大电器u2的反向输入端，差分放大电器u2的一个输出端vout通过电阻r6连接差分放大电器u2的反相输入端，差分放大电器u2的另一个输出端vout通过电阻r7连接差分放大电器u2的同相输入端，差分放大电器u2的同相输入端通过电阻r5接地。经半导体二极管d1处理后的信号经差分放大电器u2调理后转换为差分信号vout，通过差分放大电器u2的阻抗变换，从差分放大电器u2双端输出的信号vout具有稳定、高信噪比的特点。

所述电阻r1、r2、r3的取值范围为1千欧姆到100千欧姆。

所述电阻r4、r5、r6、r7的取值范围为100欧姆到10千欧姆。

本发明利用半导体元件的非线性特性对微弱信号进行处理，能够保证在较小的信号失真的前提下实现对噪声的大幅度抑制，提高系统信噪比，将微弱信号提取出来，结构简单，成本低，信号探测精度高。

以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对此实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。