APD前置放大模块电路建模与仿真分析

1、 中图分类号:TN702文献标识码:A文章编号:1009-2552(2007 12-0044-03APD 前置放大模块电路建模与仿真分析王致远(重庆邮电大学光电工程学院, 重庆400065摘要:采用S AC M 2APD , 模型, W ; 信号沿上升下降时间为6ns , -3dB 带宽约为73MH z , 。关键词:S AC M 2APD ; of APD preamplifier moduleand simulation analysisWANG Zhi 2yuan(College of Optoelectronic E ngineering , Chongqing U niversity

2、 of Posts and T elecommunications , Chongqing 400065, China Abstract :By applying S AC M 2APD circuit m odel and analyzing the pream plifier circuit ,it m odels the APD pream plifier m odule circuit and simulated the instantaneous and AC characteristics. Simulation responsibility is about 400K V W ;

3、 rising and descending time of signal edge is 6ns , -3dB bandwidth is about 73MH z. The result is as same as the actual testing value of fabricated APD pream plifier m odule circuit. K ey w ords :S AC M 2APD circuit m odel ; pream plifier circuit0引言在激光测距、激光雷达系统以及光纤通信系统中,APD 前置放大模块因远程弱光信号检测能力好, 作为其关键

4、器件, 得到广泛的关注1。模块主要由雪崩光电二极管(APD 与前置放大电路组成。APD 在近于雪崩击穿电压偏置工作点工作, 接收光信号形成光生载流子并雪崩倍增, 形成放大的电信号作为前置放大电路的输入信号, 在经过固定的雪崩增益的前放电路后, 通过信号缓冲电路后输出。本文对APD 前置放大模块电路模型进行讨论分析, 并利用PS pice 对电路仿真, 仿真结果与实测值较好的吻合。1SACM 2APD 电路模型雪崩光电二极管(APD 由于内增益特性使得其在光纤通信、光纤传感等领域得到广泛应用, 而分离吸收电荷倍增结构(S AC M 的APD 比其他类型结构的APD 具有在相同增益下低的偏置电压、

5、低的噪声以及更高的带宽特性。这里我们采用Abbas Z arifkar 研究的S AC M 2APD 电路模型2, 假设倍增区完全耗尽, 电场分别在倍增区、吸收区和电荷区保持恒定, 而在n +,p +区为零, 电路模型如图1所示。R 1=q (1-R 1-exp (-p w p (1R 2=q (1-R exp-(p w p +m w m +c w c 1-exp (-i w i (2R 3=q (1-R exp-(p w p +m w m 1-exp (-c w c (3 R 4=q (1-R exp (-p w p 1-exp (-m w m (4R 5=q (1-R exp-(p w p

6、 +m w m +c w c +i w i 1-exp (-n w n (5C no 设为归一化常数R p =prn C no ; R n =nrp C no ; R i =nri C no ; R m =prm C no ; R c =nrc C no ;收稿日期:2007-07-09作者简介:王致远(1980- , 男, 微电子与固体电子学专业硕士研究生, 研究方向为光电子器件。44 图1S AC M 2APD 电路模型R tm =w C no p ; R tc =w C no n ; R ti =w C no n; (对InP 、InG aAs 、InG aAsP 等2n (F =n +

7、sn (1+(F /, p (F =1+p F /sp(7其中F m =w m +Yw c +Xw i; F i =XF m ; F c =YF mR pd =R p ch (w n /L p -1(8 R nd =R n ch (w p /L n -1(9 I no=qn L ch (w /L +1w p nrp sh (w p /L n (10 I po =qp L ch (w /L +1w n prn sh (w n /L p (11这里n po =n 2p /N A 、p no =p 2n /N D I m =I tm R tm C no (m nm +m pm (12 I mc =I

8、 tc R tc C no (c nc +c pc (13这里电子、空穴碰撞离化率分别由经验表达式得到, 为:(F =n exp -(b n /F c n (14 (F =a p exp -(b p /F c p (15p =hv 21-2n L 2pexp -(p w p +i w ich (w /L +1L p sh (w n /L p +exp (-n w n -1n L 2p ch (w n /L p -1-n(16 n =hv p L 2n 1-2p L 2nch (w p /L n +1exp(-p w p L n sh (w p /L n +(w p L 2n ch (w p /

9、L n -1+p exp (-p w p (17这里, 由等效电路得到APD 的端电流为:I J =I n +I ti +I tc +I tm +C TdV d t(18其中C T =C s +C J , C J 为结电容, 约为:C J =o A (m /w m +c /w c +i /w i (19C s 为寄生电容, R s 为寄生串联电阻。2前置放大电路原理在APD 前置放大模块中,S AC M 雪崩光电二极管作为电流信号源为放大电路提供电流信号。综合考虑, 我们研制的前置放大电路设计原理为:信号输入级放大输入电流并将电流信号转化为电压信号; 输出缓冲级实现输出电阻匹配和缓冲作用。由于

10、雪崩光电二极管作为电流源提供电流信号, 其寄生电容与结电容C T 12pF , 模块带宽要求为50MH z , 因此要求电路一个低输入阻抗是必要的, 所以信号输入级我们选择为跨阻式放大电路。考虑到模块噪声和模块的响应度, 跨阻抗R f 值应尽量大, 但是由于受到一定量的动态范围和结构的限制, R f 不可能无限量的大, 根据技术指标和电路平衡的考虑, 我们选择R f =47k。为了优化电路, 对模块的设计如图2所示。为了降低模块噪声和提高带宽, 电路输入级拟选用结型场效应管(J FET , 它具有较高的输入阻抗与低的噪声系数, 而且相对于B J T 其热稳定性好、抗辐射能力强。这里采用宽带宽、

11、高增益J FET 共源电路作为放大电路输入极。次级采用高电压增益的共基级放大电路; 为了使输出信号得到缓冲, 提高电路带负载能力, 需要采取射级跟随器作为输出缓冲级; 为了平衡电位, 输出端还采用了共集PNP 晶体管射随器放大输出。54 图2前置放大电路原理图3仿真结果与试验测试比较 利用PS pice 对APD 真分析。其中APD S M 2APD 电路模型, 。我们实际研制的模块输入级采用低噪声、宽带宽、高增益的G aAs H MET , 因此根据所使用H MET 的datasheet 提供的参数, 在PS pice 中对输入级电路模型进行编辑修改, 其中关键参数为阈值电压V p =0.

12、7V , 跨导系数=50×10-3, 沟道长度调制系数=1. 0×10-4; 模型中,NPN型、PNP 型双极性晶体管模型由PHI LIPS 相应型号的产品提供。这里, 对APD 前置放大模块电路模型进行瞬态特性分析和交流特性分析。 在瞬态特性分析过程中, 我们带入输入光脉冲信号Pin =1mW , 信号周期为10kH z , 脉宽为100ns , 信号上升下降时间均为200ps 。在DC 耦合输出, 负载为R L =50的情况下, 仿真得到的输出信号波形如图3所示, 输出电压幅度V 约为400mV , 对应的响应度为400kV W ; 信号沿上升下降时间(10%90% 约

13、为6ns ; 实际研制的APD 前置放大模块试验测试结果如图4所示, 示波器上显示:DC50输出信号电压幅度V 为355mv , 信号沿上升时间为5. 7ns , 下降时间7. 8ns , 与仿真结果有很好的吻合。在交流特性分析过程中, 从图5可以看到仿真结果, 电路模型的-3dB 带宽为73MH z , 这与我们研制设计APD 前置放大模块指标50MH z 也较好的吻合。4结束语采用Abbas Z arifkar 研究的S AC M 2APD 电路模型以及对前置放大电路的分析, 建立了APD 前置放大模块电路模型。对模型进行瞬态特性和交流特性仿真分析。模拟得到响应度约为400kV W ; 信号沿上升下降时间(10%90% 为6ns , -3dB带宽约为图4示波器测试瞬态特性图5PS pice 仿真交流特性73MH z , 这与我们研制的APD 前置放大模块实际试验测试值相吻合。利用该模型对我们设计和优化APD 前置放大模块有较大的意义。参考文献:1杨