一种光电二极管结电容测量装置及方法

1.本发明涉及半导体参数测量领域，尤其涉及一种光电二极管结电容测量装置及方法。


背景技术：

2.随着微弱信号检测领域的发展，如基于光动量的极弱力测量、加速度测量等领域，需要通过激光间接测量10-20
n量级的极弱力，因此对光电探测模块的噪声性能提出了更高的要求。一般来说，光电探测模块的噪声来源于两个方面：光噪声和电噪声。光噪声主要来源于激光器输出光强度波动带来的相对强度噪声以及来源于和频率不相关的光量子波动产生的散粒噪声。电噪声主要来源于光电探测模块有源器件的输入电流噪声、输入电压噪声以及电阻热噪声，相对光噪声小一个数量级及以上。对现有技术来说，激光器的相对强度噪声已经成为光电探测的主要制约因素。
3.为了抑制激光器的相对强度噪声的影响，一般使用平衡探测的方法，即利用两个型号、参数完全一致的光电二极管对激光信号做差分处理，激光器的相对强度噪声属于共模信号，两路差分后能够被有效抑制。两路差分信号的幅度、相位一致性越好，共模抑制效果越好。然而现实生活中，即使是同一型号、批次的光电二极管，其响应度、结电容等参数也不可能完全一致，两个光电二极管响应度的差异会导致差分信号幅度的差异，结电容的差异会导致差分信号相位的差异。一般来说，光电二极管响应度导致的幅度差异可以通过调整光路系统来补偿，但结电容导致的相位差异很难通过光路补偿。而且光电二极管的结电容会随反偏电压的变化而变化。因此，需要一种简单有效的方法，从一批光电二极管中挑选出结电容参数接近的作为平衡探测器，或者求出使两颗光电二极管结电容参数一致的反偏电压值，从而实现更好的共模抑制效果，获得更好的信噪比，然而目前尚不存在能够实现以上效果的相关技术方案。


技术实现要素：

4.为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种光电二极管结电容测量装置及方法，能够间接测量出不同偏置电压下的光电二极管结电容，具有测量速度快，步骤简单，精度高的优点。
5.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种光电二极管结电容测量装置，包括待测光电二极管、可调偏置电压模块、跨阻放大模块、锁相放大器以及上位机模块；所述待测光电二极管一端与所述可调偏置电压模块相连，另一端与所述跨阻放大模块的反相输入端相连；所述锁相放大器信号输出端接入所述跨阻放大模块的正相输入端，作为激励信号，所述锁相放大器输入端采集所述跨阻放大模块的输出信号，连接所述上位机模块；所述上位机模块用于对所述跨阻放大模块的输出信号拟合处理，获得所述待测光电二极管的结电容参数。
6.进一步地，所述可调偏置电压模块包括低压差线性稳压器和可调电阻，所述低压
差线性稳压器的输出电压通过改变所述可调电阻的阻值而调节，所述的输出电压的调节范围包括所述待测光电二极管所能承受的反偏电压范围内的所有电压值。
7.进一步地，所述跨阻放大模块包括运算放大器opa1、反馈电阻rf和反馈电容cf，所述反馈电阻rf和所述反馈电容cf并联后，一端与所述运算放大器opa1的反相输入端相连，另一端与所述运算放大器opa1的输出端相连。
8.进一步地，所述反馈电阻rf使用精度优于或者等于0.1%的精密电阻，所述反馈电容cf使用精度优于或者等于1%的精密电容。
9.进一步地，所述待测光电二极管通过能够插拔的连接器进行电气连接。
10.进一步地，所述锁相放大器的扫频信号频率范围大于或者等于1khz至500khz，所述锁相放大器的输入端单次扫频采集点数大于或者等于100个。
11.进一步地，所述跨阻放大模块的输出信号的频率响应u0(f)= h(f)
×ꢀ
ui(f)，其中ui(f)表示输入信号的频率响应，h(f)表示所述光电二极管结电容测量装置的系统响应函数，所述h(f)与所述反馈电阻rf、所述反馈电容cf和待测光电二极管结电容cd成确定关系：，其中，c表示待测光电二极管结电容cd与所述运算放大器opa1的输入电容cin并联产生的电容值，f表示信号频率。
12.进一步地，一种光电二极管结电容测量装置的结电容测量方法，包括：步骤一：将所述待测光电二极管插入所述光电二极管结电容测量装置，并且将所述待测光电二极管做遮光处理；步骤二：将所述可调偏置电压模块调节到目标反偏电压；步骤三：所述锁相放大器的信号输出端输出扫频激励信号，输入端采集所述跨阻放大模块的输出信号，并将所述跨阻放大模块的输出信号上传给所述上位机模块；步骤四：上位机模块根据所述h(f)与所述反馈电阻rf、所述反馈电容cf和所述待测光电二极管结电容cd的确定关系，利用最小二乘法进行参数拟合，获得所述待测光电二极管结电容cd与所述运算放大器opa1的输入电容cin并联产生的电容值c；步骤五：将步骤四测得的所述并联产生的电容值c减去所述输入电容cin，得到目标反偏电压时所述待测光电二极管结电容cd的测量值。
13.本发明的有益效果：本发明公开一种光电二极管结电容测量装置及方法，将扫频信号作为激励，利用最小二乘法和光电二极管及其跨阻放大电路的系统响应函数，非线性拟合出不同型号、不同反偏电压下光电二极管的结电容值，拟合均方误差仅为10-4
量级。用本发明所述的一种光电二极管结电容测量装置对同型号同批次的光电二极管挑选，能够使平衡探测模块的共模抑制比提升21.76db；测量同一颗光电二极管在不同反偏电压下的结电容参数，获得最佳的
反偏电压补偿值，使两颗光电二极管的结电容差异从13%降为0.18%，能够使平衡探测模块的共模抑制比从42.12db提升至61.66db。本发明具有测量步骤简单，精度高的优点，适用于光电二极管挑选、提高参数一致性等应用。
附图说明
14.图1是本发明一种光电二极管结电容测量装置的原理框图。
15.图2是本发明实施例提供的一种可调偏置电压模块的电路原理图。
16.图3是本发明提供的一种光电二极管结电容测量装置的电路原理图。
17.图4是本发明实施例1的9颗同批次同型号的h(f)的拟合曲线对比图。
18.图5是本发明实施例1不同结电容差异下的共模抑制效果图。
19.图6是本发明实施例2不同反偏电压下h(f)的实测值和拟合曲线对比图。
20.图7是本发明实施例3三种型号光电二极管h(f)的拟合曲线对比图。
具体实施方式
21.下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
22.如图1所示，本发明所提供的一种光电二极管结电容测量装置，包括待测光电二极管、可调偏置电压模块、跨阻放大模块、锁相放大器以及上位机模块；所述待测光电二极管一端与所述可调偏置电压模块相连，另一端与所述跨阻放大模块的反相输入端相连；所述锁相放大器信号输出端接入所述跨阻放大模块的正相输入端，作为激励信号，所述锁相放大器输入端采集所述跨阻放大模块的输出信号，通过串口线连接所述上位机模块；所述上位机模块用于对所述跨阻放大模块的输出信号拟合处理，获得所述待测光电二极管的结电容参数。
23.所述可调偏置电压模块包括低压差线性稳压器和可调电阻，所述低压差线性稳压器的输出电压通过改变所述可调电阻的阻值而调节，电压调节范围包括待测光电二极管所能承受的反偏电压范围内的所有电压值。图2是本发明提供的一种可调偏置电压模块的电路原理图，适用于实施例1和实施例2，对于本领域技术人员来说可以根据实际需求选择其他型号、参数的器件。如图2，选用德州仪器公司的低压差线性稳压器tps7a49，tps7a49拥有较大的电压输入范围（3v到36v），较优的噪声性能（15.4
µ
vrms），能使可调偏置电压模块的设计更加灵活，也不会给装置引入额外的噪声。tps7a49的输出电压v
out
可由电阻r1、电阻r2设置：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）。
24.tps7a49的输出电压v
out
经过电阻r3、电阻r4分压后，输入由运算放大器opa2构成的电压跟随器，最终跟随器输出反偏电压vb。电压跟随器的作用是利用电压跟随器输入阻抗高而输出阻抗低的特点，使可调偏置电压模块的输出电压vb不随后级待测光电二极管等效阻抗的变化而变化，输出电压更加稳定。可调偏置电压模块的输出电压vb能够通过调节可调电阻r4的阻值而改变：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）。
25.如图3，所述跨阻放大模块包括运算放大器opa1、反馈电阻rf和反馈电容cf，所述反馈电阻rf和所述反馈电容cf并联后，两端分别与所述运算放大器opa1的反相输入端和输出端相连。由电路原理可得，运算放大器opa1的输出uo(f)与输入信号ui(f)的关系式为：
ꢀꢀꢀꢀ
（3）
ꢀꢀꢀꢀ
(4)其中，c表示待测光电二极管结电容cd与运算放大器opa1的输入电容cin并联产生的电容值，f表示频率，h(f)表示所述光电二极管结电容测量装置的系统响应函数。
26.输入信号ui(f)由锁相放大器输出，为特定幅度的正弦扫频信号，信号幅度可以选择运算放大器opa1工作范围内的任意电压值。输出信号uo(f)通过锁相放大器的输入端进行信号采集。
27.由公式（4）可以看出，h(f)与所述反馈电阻rf、所述反馈电容cf和所述待测光电二极管结电容cd成确定关系。
28.为了减少电阻、电容精度带来的误差，提供拟合精度，本实施例使用精度为0.1%的精密反馈电阻rf和精度为1%的精密反馈电容cf。
29.为了能够快速更换待测光电二极管，提高测量效率，本实施例的待测光电二极管通过可插拔的连接器进行电气连接。
30.为了提高拟合精度，减少误差，所述锁相放大器的扫频信号频率范围大于或者等于1khz至500khz，所述锁相放大器的输入端单次扫频采集点数大于或者等于100个。
31.本发明的具体应用方法包括以下几个步骤：步骤一：将所述待测光电二极管插入所述光电二极管结电容测量装置，并且将所述待测光电二极管做遮光处理。做遮光处理的目的是避免光电流对测量结果产生影响；步骤二：将所述可调偏置电压模块调节到目标反偏电压。目标反偏电压可以为待测光电二极管所能承受的反偏电压范围内的任意电压值；步骤三：所述锁相放大器的信号输出端输出扫频激励信号，输入端采集所述跨阻放大模块的输出信号，并将所述跨阻放大模块的输出信号上传给所述上位机模块；步骤四：上位机模块根据所述h(f)与所述反馈电阻rf、所述反馈电容cf和所述待测光电二极管结电容cd的确定关系，借助matlab、mathematica等数学分析软件，利用最小二乘法进行参数拟合，获得所述待测光电二极管结电容cd与所述运算放大器opa1的输入电容cin并联产生的电容值c；步骤五：
将步骤四测得的所述并联产生的电容值c减去所述输入电容cin，得到目标反偏电压时所述待测光电二极管结电容cd的测量值。所述运算放大器opa1的输入电容cin值可以通过查阅所述运算放大器opa1的厂家数据手册得到。
32.实施例1利用本发明所述的一种光电二极管结电容测量装置测量9颗同批次同型号的光电二极管g8370，并从中挑选出两颗结电容参数最接近的用于平衡探测。
33.本实施例的待测光电二极管反偏电压范围为0v~2v，所以要求vb能设置成0v~2v范围内的任意电压值。本实施例中，v
in
=10v，r1=576kω，r2=100kω，r3=1kω，r4为5kω的可调电阻。则由公式（1）和（2）可得，v
out
= 8.01v，vb=0v~6.67v，满足设计要求。本实施例的目标反偏电压为0v，则将可调电阻r4的阻值调节到0ω。本实施例中，扫频信号的幅度设置为20mvpp，扫频范围1khz~500khz，单次扫频采集点数100个。本实施例选用opa1的型号为德州仪器公司的opa657，查阅其数据手册可知cin为4.5pf。对9颗待测光电二极管分别按上述步骤一至步骤五测试、拟合，拟合曲线如图4所示，得到结电容的测量值如下表1：表1从测量值可以看出，即使是同批次同型号的光电二极管，其结电容参数差异也很大，编号6和编号7的结电容差异达到了16%，编号4和编号9的结电容差异最小，仅为0.056%。9颗待测光电二极管的拟合均方差在10-4
量级，表明本发明的模型在当前数据下拟合精度高。用电路仿真软件ti-tina仿真，其余仿真条件均相同，仿真16%的结电容差异和0.056%的结电容差异的共模抑制效果，如图5，vf1表示抑制后的信号，vf2表示抑制前的信号，共模抑制比计算公式：
ꢀꢀ
（5）。
34.计算可以得到，结电容差异为16%时，平衡探测模块的共模抑制比为40.66db；结电容差异为0.056%时，平衡探测模块的共模抑制比为62.42db。本实施例表明，用本发明所述的一种光电二极管结电容测量装置对同型号同批次的光电二极管挑选，能够使平衡探测模块的共模抑制比提升21.76db，极大地提升了光电探测的噪声性能。
35.实施例2在没有足够多数量的同型号同批次光电二极管进行挑选或者没有挑选出结电容参数差异小于1%的两颗光电二极管时，可以利用本发明所述的一种光电二极管结电容测量装置测量同一颗光电二极管在不同反偏电压下的结电容参数，并通过调节反偏电压的方式补偿结电容差异。
36.实施例1中，编号5的结电容测量值为368.4pf，编号6的结电容测量值为325.0pf，两者的初始差异为13%，平衡探测模块的共模抑制比为42.12db。本实施例测量实施例1中编
号为5的待测光电二极管在不同反偏电压下的结电容测量值，补偿编号5和编号6的结电容差异。
37.本实施例的待测光电二极管反偏电压范围为0v~2v，所以要求vb能设置成0v~2v范围内的任意电压值。本实施例中，v
in
=10v，r1=576kω，r2=100kω，r3=1kω，r4为5kω的可调电阻。则由公式（1）和（2）可得， v
out
= 8.01v，vb=0v~6.67v，满足设计要求。本实施例中，扫频信号的幅度设置为20mvpp，扫频范围1khz~500khz，单次扫频采集点数100个。本实施例选用opa1的型号为德州仪器公司的opa657，查阅其数据手册可知cin为4.5pf。本实施例先以较大的步进调节待测光电二极管的反偏电压，一般来说反偏电压较小时，结电容随反偏电压变化较大，所以本实施例在反偏电压等于0v、0.1v、0.5v、1v和2v时，对编号5的待测光电二极管分别按上述步骤一至步骤五测试、拟合，不同反偏电压下h(f)的实测值和拟合曲线对比如图6所示，得到结电容的测量值如下表2：表2反偏电压（v）00.10.512结电容测量值（pf）368.4332.5267.47233.9203.3拟合均方差4.1
×
10-4
3.3
×
10-4
4.2
×
10-4
3.8
×
10-4
2.81
×
10-4 从测量结果可以看出，当反偏电压在0.1v时，编号5的结电容为332.5pf，略大于325.0pf。所以本实施例在0.1v后再以0.01v的小步进调节反偏电压，对编号5的待测光电二极管分别按上述步骤一至步骤五测试、拟合，得到结电容的测量值如下表3：表3 从测量结果可以看出，当反偏电压在0.12v时，编号5的结电容为325.6pf，与编号6的结电容325.0pf差异为0.18%，该补偿电压下，平衡探测模块的共模抑制比为61.66db。本实施例表明，用本发明所述的一种光电二极管结电容测量装置测量同一颗光电二极管在不同反偏电压下的结电容参数，获得最佳的反偏电压补偿值，使两颗光电二极管的结电容差异从13%降为0.18%，能够使平衡探测模块的共模抑制比从42.12db提升至61.66db，极大地提升了光电探测的噪声性能。
38.实施例3本实施例利用本发明所述的一种光电二极管结电容测量装置测量其他型号的光电二极管结电容：s9055、g12180-020a以及阵列结构的g6849。表明本发明能够测量不同型号、不同结构的光电二极管的结电容，具有良好通用性和实用性，测试得到的拟合曲线如图7。
39.型号s9055的待测光电二极管，反偏电压范围为0v~20v，所以要求vb能设置成0v~20v范围内的任意电压值。本实施例中，v
in
=28v，r1=806kω，r2=40.2kω，r3=1kω，r4为5kω的可调电阻。则由公式（1）和（2）可得， v
out
= 24.94v，vb=0v~20.78v，满足设计要求。本实施
例的目标反偏电压为0v，则将可调电阻r4的阻值调节到0ω。本实施例中，扫频信号的幅度设置为20mvpp，扫频范围1khz~500khz，单次扫频采集点数100个。本实施例选用opa1的型号为德州仪器公司的opa657，查阅其数据手册可知cin为4.5pf。对两颗型号s9055的待测光电二极管分别按上述步骤一至步骤五测试、拟合，得到结电容的测量值为6.905pf和6.910pf。
40.型号g12180-020a的待测光电二极管，反偏电压范围为0v~5v，所以要求vb能设置成0v~5v范围内的任意电压值。本实施例中，v
in
=10v，r1=576kω，r2=100kω，r3=1kω，r4为5kω的可调电阻。则由公式（1）和（2）可得，v
out
= 8.01v，vb=0v~6.67v，满足设计要求。本实施例的目标反偏电压为0v，则将可调电阻r4的阻值调节到0ω。本实施例中，扫频信号的幅度设置为20mvpp，扫频范围1khz~500khz，单次扫频采集点数100个。本实施例选用opa1的型号为德州仪器公司的opa657，查阅其数据手册可知cin为4.5pf。对两颗型号g12180-020a的待测光电二极管分别按上述步骤一至步骤五测试、拟合，得到结电容的测量值为555.7pf和556.9pf。
41.型号g6849的待测四象限光电二极管，它的结构与前述的待测光电二极管完全不同，是由四个完全相同的光电二极管按照四个象限排列集成的光电二极管阵列，所有n极均连接到一个公共端点。四个象限的结电容一致性会直接影响四象限光电二极管的共模抑制性能，本发明能够挑选出四象限一致性较好的四象限光电二极管，并且能测量出不同偏置电压下四个象限的结电容，为光电探测器电路设计提供参考。
42.g6849的反偏电压范围为0v~5v，所以要求vb能设置成0v~5v范围内的任意电压值。本实施例中，v
in
=10v，r1=576kω，r2=100kω，r3=1kω，r4为5kω的可调电阻。则由公式（1）和（2）可得，v
out
= 8.01v，vb=0v~6.67v，满足设计要求。本实施例中，扫频信号的幅度设置为20mvpp，扫频范围1khz~500khz，单次扫频采集点数100个。本实施例选用opa1的型号为德州仪器公司的opa657，查阅其数据手册可知cin为4.5pf。对两颗型号g6849的待测光电二极管分别按上述步骤一至步骤五测试、拟合，得到反偏电压为0v、1v时四个象限（记为a、b、c、d）的结电容值，如下表4：表4从测试结果可以看出，1号的四象限结电容一致性优于2号，并且反偏电压为1v的一致性优于0v的一致性，所以四象限光电探测器电路设计时，反偏电压设计值选择1v会获得更好的共模抑制性能。
43.本发明提供的一种光电二极管结电容测量装置及方法，通过对系统响应函数的最小二乘法参数拟合，可以间接测量出不同型号、不同偏置电压下的光电二极管及光电二极管阵列的结电容，拟合均方误差仅为10-4
量级，测量范围广，具有良好通用性和实用性。用本发明所述的一种光电二极管结电容测量装置对同型号同批次的光电二极管挑选，能够使平衡探测模块的共模抑制比提升21.76db；测量同一颗光电二极管在不同反偏电压下的结电容参数，获得最佳的反偏电压补偿值，使两颗光电二极管的结电容差异从13%降为0.18%，能够使平衡探测模块的共模抑制比从42.12db提升至61.66db。本发明适用于光电二极管挑
选、提高参数一致性等应用，具有测量步骤简单，精度高的优点。
44.上述具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明的保护范围内。