Электронный модуль обработки сигналов лавинных фотодиодов

Аннотация

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

Рассмотрены схемотехнические особенности электронного модуля обработки сигналов лавинных фотодиодов, созданного на основе специализированной аналоговой интегральной схемы. Приведены результаты измерений характеристик и уровня шумов в зависимости от емкости источника сигнала (фотодиода).

Ключевые слова: лавинный фотодиод, считывающая электроника, зарядочувствительный усилитель, усилитель-формирователь, электронный модуль

05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления

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 ЛФДсущественно 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 (50÷100), 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.
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 CFINT = 0,9 пФ и внешним CF конденсаторами, с суммарной емкостью до 20 пФ.

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 RBIAS, 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

Рис.  3. – Фотография печатной платы 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 (KQV) 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.
Результаты измерений основных характеристик
Измерения параметров модуля осуществлялись с помощью осциллографа AgilentMSO6052Aи 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 (CD) для короткого токового тестового импульса с зарядом Q_IN, получаемого при прохождении ступеньки напряжения V_IN через калибровочный конденсатор CA1, Q_IN = V_IN×C_A1;
- зависимости временем пика выходного сигнала TP от CD;
- зависимости эквивалентного шумового заряда (ENC,equivalentnoisecharge) от CD. Под эквивалентным шумовым зарядом понимается входной заряд, вызывающий на выходе системы сигнал, равный среднеквадратическому значению напряжения шумов. Обычно величина ENCописывается среднеквадратическим значением заряда, выраженным в количестве электронов (e).
Результаты измерений приведены в таблице и на рис.  4 – 7.

 
а)R_BIAS= ∞                                         б) R_BIAS= 10 кОм

Рис.  4. – 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

 
а)R_BIAS= ∞                                         б) R_BIAS= 10 кОм
Рис.  5. – Зависимость коэффициента преобразования KQV от емкости источника сигнала C_D при Q_IN = 10 фКл

  
а)R_BIAS= ∞, K_Q0 = 100мВ/фКл                     б) R_BIAS= 10 кОм, K_Q0 = 53 мВ/фКл
Рис.  6. – Форма выходного сигнала при Q_IN =10 фКл и различной емкости источника сигнала C_D: 0, 10, 100 и 300 пФ

 
а)R_BIAS= ∞                                         б) R_BIAS= 10 кОм
Рис.  7. – Эквивалентный шумовой заряд ENC в зависимости от емкости источника сигнала C_D для разных значений K_Q0

Таблица
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 ¾ от 25 до 180 мВ/фКл;
- эквивалентный шумовой заряд при нулевой емкости источника сигнала ¾ 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 ¾ от 18 до 22 электронов при коэффициенте преобразования от 28 до 112 мВ/фКл и времени пика от 1,5 до 2,5 мкс.

Научные исследования проведены при выполнении гранта №14.В37.21.0781 ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и задания 3.3.10 Государственной программы научных исследований РБ «Информатика и космос».

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.