CN110207836B - 一种单光子探测器及其高压快速调节电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单光子探测器及其高压快速调节电路，高压快速调节电路包括：高压电路，其输出端用于输出设定的电压；参考电压电路，其输出端用于产生参考电压；运算放大器；运算放大器同相输入端连接所述参考电压电路的输出端，运算放大器输出端连接开关管的控制端，开关管输入端连接所述高压电路的输出端，开关管的输出端用于连接单光子探测二极管的阴极，运算放大器的输出端与单光子探测二极管的阴极之间并联有电容。本发明能够防止光电二极管击穿，避免振铃与振荡问题，提高了电路的稳定性。

Description

一种单光子探测器及其高压快速调节电路

技术领域

本发明涉及一种单光子探测器，特别是其高压偏置器件的高压快速调节电路。

背景技术

单光子探测器可被用于激光测距系统。它能将回波光子的探测灵敏度提高至单光子水平，在激光雷达、地月激光测距、卫星激光测距等超远距离测量领域有重要作用。

要实现单光子探测能力，单光子探测器通常工作在盖革模式下，并且具有很强的光电转换能力。当目标距离变小，从目标反射回来的光子数变大，探测器输出电流变大。这使得在盖革模式下的单光子探测器，在探测近距离目标时，可能因光子数过大而烧毁。因此在目标距离较近时，需要快速将单光子探测器偏置电压拉低，让其工作在线性模式，减弱其光电转换能力。

为了实现上述目的，现有技术一般的单光子探测器通过如图1所示的方式加载反向偏置电压加载：为了调整单光子探测二极管D₂的探测能力，需要通过上位机或者其他方式反复调节V_REF，以改变V_H的值。这种方式，如果V_H因误操作而过大，以至于大于D₂在某一温度下最大允许反向偏置电压时，D₂会反向击穿。

公开号为CN207147641U的“一种基于单光子探测的偏置电压调节系统”，通过运放和反馈电阻网络实现对偏置电压的调节，反馈电阻网络能够调节运放放大倍数。这种方式，电路会出现振铃(一种阻尼振荡)或者振荡。过大的振铃会使得D₂反向击穿；振荡会使得D2与I-V转换电路无法工作；而且纹波较大，V_REF与V_H的线性关系不佳。

综上，现有技术的电路系统稳定性差，容易造成反向击穿等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单光子探测器及其高压快速调节电路，用于解决现有技术的电路系统稳定性差的问题。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：

一种高压快速调节电路，包括：高压电路，其输出端用于输出设定的电压；参考电压电路，其输出端用于产生参考电压；运算放大器；运算放大器同相输入端连接所述参考电压电路的输出端，运算放大器反向输入端连接第一分压电阻和第二分压电阻，运算放大器输出端连接开关管的控制端，开关管输入端连接所述高压电路的输出端，开关管的输出端用于连接单光子探测二极管的阴极，运算放大器的输出端与单光子探测二极管的阴极之间并联有电容。

本发明还提供了一种单光子探测器，包括单光子探测二极管，I-V转换电路，以及如上所述的高压快速调节电路。

本发明的电容为补偿电容，能够避免电路出现振铃或者振荡的问题；电容与开关管能够对输出端产生的纹波或者高频噪声有一定抑制效果，这使得它们对电路输入端干扰减小，减小了运算放大器两个输入端失调电压，增加了参考电容与输出电压的线性关系，从而提高了电路的稳定性。

作为高压快速调节电路与单光子探测器的进一步改进，所述电路并联有反向二极管，所述反向二极管阳极与所述单光子探测二极管阴极相连。反向二极管同时提供了开关管的偏置电压和放电电流通道，结构简单，效果极佳。

作为高压快速调节电路与单光子探测器的进一步改进，所述开关管为MOS管，所述MOS管的控制端为栅极，输入端为漏极，输出端为源极。

作为高压快速调节电路与单光子探测器的进一步改进，所述高压电路为DC/DC升压型电路。

作为高压快速调节电路与单光子探测器的进一步改进，所述参考电压电路由数模转换器和FPGA构成，或者由低压差线性稳压器和电阻网络构成。

附图说明

图1是现有技术的一种单光子探测器直流偏置电路；

图2是本发明实施例的一种单光子探测器的高压快速调节电路；

图3是本发明实施例中D₂充电的电路状态图；

图4是本发明实施例中D₂放电的电路状态图。

具体实施方式

下面结合附图进行说明。

单光子探测器实施例

如图2所示，单光子探测器包括单光子探测二极管D₂，I-V转换电路和高压快速调节电路。图中：单光子探测二极管D₂可以是：光电倍增管、超导纳米线单光子探测管、雪崩光电二极。I-V转换电路，用于将电流信号转化为电压信号，从而使检测到的单光子产生电脉冲，以供后续电路处理。

高压快速调节电路包括高压电路、参考电压电路、运算放大器U₁、MOS管Q₁等；作为其他实施方式，MOS管Q₁也可以选择其他类型的开关管。

高压电路一般为DC/DC升压型电路或模块，输出电压V_H，给运算放大器U₁和MOS管Q₁供电。

参考电压电路由数模转换器(DAC)和FPGA构成，或者由低压差线性稳压器(LDO)和电阻网络组成，输出电压为V_REF。

运算放大器U₁同相输入端连接V_REF，反相输入端连接分压电阻R₁、R₂，运算放大器U₁输出电压V_G连接MOS管Q₁的栅极，MOS管Q₁的漏极连接V_H，MOS管Q₁的源极连接单光子探测二极管D₂的阴极，运算放大器U₁的输出端与单光子探测二极管D₂的阴极之间并联有电容C1，还设有一个与电容C1并联的反向二极管D1。反向二极管D1阳极与D2阴极相连。

根据MOS管工作原理，单光子探测二极管D₂反向偏置电压V_B≈V_G，因此运算放大器U₁根据输入V_REF调整D₂阴极反向偏置电压V_B。根据运算放大器原理，V_B由下式决定：

由于本实施例中，V_H在电路上电后就固定的，且小于D₂在某一温度下最大允许反向偏置电压。如果误操作使得V_REF偏大，加载到D₂阴极反向偏置电压V_B却始终＜V_H。由此，本发明实施例可以使单光子探测器避免因为误操作而反向击穿。

工作原理如下：

A：当提高V_REF电压值的时候，V_B增加，D₂充电。假设此时D₂正从线性区变换到盖革区。U₁产生的高频电流通过C₁给D₂快速充电；而D₁截止，V_H通过Q₁提供给D₂低频充电电流，如图3中虚线所示。在此过程中，I-V转换电路会输出与充电时间对应宽度的脉冲。此脉冲为充电脉冲，一般不作为有用信号。

B：当降低V_REF电压值的时候，V_B减小，D₂放电。假设此时D₂正从盖革区变换到线性区。U₁产生的高频电流通过C₁、低频电流通过D₁给D₂快速放电，如图4中虚线所示。C₁将脉冲电流注入D₂，使D₂电压快速上升。

在探测目标时，近距离处的目标回波光子数多，根据上述B所述的原理，快速降低D₂阴极反向偏置电压V_B。这样，D₂响应度降低，雪崩电流减小，I-V转换电路输出脉冲幅度降低。远距离处的目标回波光子数少，通过上述A所述的原理，快速提高D₂阴极反向偏置电压V_B。这样，D₂响应度提高，雪崩电流增加，I-V转换电路输出脉冲幅度提高。根据目标远近，调节D₂阴极反向偏置电压V_B既能让D₂工作在盖革区，探测远处目标；又能让D₂工作在线性区，探测近距离目标，同时保证D₂不因为近处光子数增多而烧毁。

本实施例中的C₁为补偿电容，能够避免电路出现振铃或者振荡的问题；C₁与Q₁能够对输出端产生的纹波或者高频噪声，有一定抑制效果，这使得它们对电路输入端干扰减小，减小了运算放大器U₁两个输入端失调电压，增加了V_REF与V_G的线性关系，从而提高了电路的稳定性。而且本实施例中，探测器的电流由电源提供，不受运算放大器的限制。

本实施例中，D₁用于在近距离时，为D₂提高低频电流的快速放电通道，避免D₂过流；又在远距离时，提供Q₁的偏置电压。

而且运算放大器U₁、MOS管Q₁的电路构成了类LDO结构，能够对20MHz以内的纹波有明显抑制效果。再者，利用运算放大器U1的宽带特性，使得输出电压V_G的摆幅大于高压电路输出电压V_H，这样能够使得加载在D₂的电压V_B上升时间缩短。

高压快速调节电路实施例

本实施例的高压快速调节电路与以上单光子探测器实施例中的高压快速调节电路相同，故不再赘述。

Claims (5)

1.一种高压快速调节电路，其特征在于，包括：

高压电路，其输出端用于输出设定的电压；

参考电压电路，其输出端用于产生参考电压；

运算放大器；运算放大器同相输入端连接所述参考电压电路的输出端，运算放大器反向输入端连接第一分压电阻和第二分压电阻，运算放大器输出端连接开关管的控制端，开关管输入端连接所述高压电路的输出端，开关管的输出端用于连接单光子探测二极管的阴极，运算放大器的输出端与单光子探测二极管的阴极之间并联有电容，电容两端并联有反向二极管，反向二极管的阳极与单光子探测二极管的阴极相连。

2.根据权利要求1所述的高压快速调节电路，其特征在于，所述开关管为MOS管，所述MOS管的控制端为栅极，输入端为漏极，输出端为源极。

3.根据权利要求1所述的高压快速调节电路，其特征在于，所述高压电路为DC/DC升压型电路。

4.根据权利要求1所述的高压快速调节电路，其特征在于，所述参考电压电路由数模转换器和FPGA构成，或者由低压差线性稳压器和电阻网络构成。

5.一种单光子探测器，包括单光子探测二极管，I-V转换电路，以及权利要求1-4任一项所述的高压快速调节电路。