申请/专利权人：中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所

申请日：2019-05-17

公开（公告）日：2024-06-25

公开（公告）号：CN110207836B

主分类号：G01J11/00

分类号：G01J11/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.06.25#授权;2019.10.18#实质审查的生效;2019.09.06#公开

摘要：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。

主权项：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。

全文数据：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VREF，以改变VH的值。这种方式，如果VH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，VREF与VH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DCDC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DCDC升压型电路或模块，输出电压VH，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VREF。运算放大器U1同相输入端连接VREF，反相输入端连接分压电阻R1、R2，运算放大器U1输出电压VG连接MOS管Q1的栅极，MOS管Q1的漏极连接VH，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VB≈VG，因此运算放大器U1根据输入VREF调整D2阴极反向偏置电压VB。根据运算放大器原理，VB由下式决定：由于本实施例中，VH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VREF偏大，加载到D2阴极反向偏置电压VB却始终＜VH。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VREF电压值的时候，VB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，VH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VREF电压值的时候，VB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VB。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VB。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VB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VREF与VG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VG的摆幅大于高压电路输出电压VH，这样能够使得加载在D2的电压VB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。

权利要求：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。2.根据权利要求1所述的高压快速调节电路，其特征在于，所述电容并联有反向二极管，所述反向二极管阳极与所述单光子探测二极管阴极相连。3.根据权利要求1或2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。4.根据权利要求1或2所述的高压快速调节电路，其特征在于，所述高压电路为DCDC升压型电路。5.根据权利要求1或2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。6.一种单光子探测器，包括单光子探测二极管，I-V转换电路，以及权利要求1-5任一项所述的高压快速调节电路。

百度查询： 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所 一种单光子探测器及其高压快速调节电路

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