DE2139001B1 - Verfahren zur Arbeitspunktregelung einer Avalanche Fotodiode - Google Patents

Description

• An Hand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist, soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeutet F i g. 1 ein Kennlinendiagramm einer Fotodiode, Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.
• In Fig. 1 ist über der Spannung U in Volt der Strom I in stAmp einer Fotodiode bei einer mittleren Temperatur um 250 aufgetragen. Der Arbeitspunkt A ist für 38 V bei einem Strom von 20 tlAmp festgelegt.
• Der dynamische WiderstandRd im ArbeitspunktA ist in Form der Tangente an die Kennlinie im Arbeitspunkt A zum Ausdruck gebracht. Wie das Diagramm nach Fig. 1 erkennen läßt, ist der Arbeitspunkts oberhalb des Kennlinienknicks im steil ansteigenden Ast festgelegt. Dieser Arbeitspunkt entspricht einem Multiplikationsgrad, der knapp unterhalb des Maximums des Multiplikationsgrads der Fotodiode liegt. Mit einer Verschiebung des Arbeitspunkts in Richtung des steil ansteigenden Astes würde der Multiplikationsgrad noch etwas zunehmen und anschließend wieder abfallen. Die Wahl des Arbeitspunkts A unterhalb des Maximums des Multiplikationsgrads ist dadurch begründet, daß sich an dieser Stelle für die Fotodiode ein optimales Signal-Rauschverhältnis ergibt. Durch die erfindungsgemäße Regelung des Arbeitspunktes A über den dynamischen Innenwiderstand Rd läßt sich erreichen, daß in einem weiten Temperaturbereich ein möglichst großer Multiplikationsgrad bei optimalem Signal-Rauschverhältnis wenigstens annähernd erhalten bleibt.
• Die Regelung des Arbeitspunktes über den dynamischen Innenwiderstand läßt sich, wie an Hand der F i g. 2 nunmehr gezeigt werden soll. in außerordentlich einfacher Weise durchführen.
• In F i g. 2 bedeutet D die Fotodiode, der über den geregelten Gleichspannungserzeuger RG und den Vorwiderstand Rv die den Arbeitspunkt bestimmende Vorspannung zugeführt wird. Der Gleichstromkreis schließt sich über den auf der Ausgangsseite der Foto diode D gegen Bezugspotential geschalteten Verbraucherwiderstand Rl. Die am Verbraucherwiderstand Rl abfallende Signalspannung wird über den selektiven Verstärker V1 am Ausgang a zur Verfügung gestellt. Der selektive Verstärker YI beinhaltet praktisch einen Hochpaß. der die hoch- frequenten detektierten Signale, beispielsweise oberhalb 1 MHz, durchläßt. Die für die Arbeitspunktregelung erforderliche elektrische Hilfsgröße erzeugt der Hilfsgenerator HG, der beispielsweise eine Schwingung mit einer Frequenz von 10 kHz liefert.
• Der Hilfsgenerator HG ist über den Koppelkondensator C1 auf Seiten des geregelten Gleichspannungserzeugers RG an die Fotodiode D angeschaltet. Der gemeinsame Verbindungspunkt der Fotodiode D.
• des Vorwiderstands Rv und des Koppelkondensators C1 ist wechselstrommäßig über den Koppelkondensator C2 an Bezugspotential gelegt. Der Spannungsabfall der 10-kHz-Schwingung des Hilfsgenerators HG am Lastwiderstand RI wird vom selektiven Verstärker Y2 abgenommen und dem Steuereingang des geregelten Gleichspannungserzeugers RG zugeführt.
• Die Regelung arbeitet so, daß der Spannungsabfall der 10-kHz-Schwingung des HilfsgeneratorsHG am Verbrauchenviderstand Rl zeitlich konstant gehalten wird, was einer Konstanz des dynamischen Innenwiderstands der Fotodiode D entspricht.
• Wie F i g. 2 erkennen läßt, ist in unterbrochener Linie im Verbindungsweg zwischen dem Koppelkondensator C1 und dem Hilfsgenerator HG ein steuerbarer Schalter S angeordnet, der von einem Steuerkontakt T betätigt wird. Damit soll eine Variante der Schaltung nach F i g. 2 angedeutet werden, derart, daß die 10-kHz-Schwingung des Hilfsgenerators KG lediglich zu bestimmten, durch den Takt T vorgegebenen Zeiten an der Foto diode D wirksam werden kann. In diesem Fall weist der geregelte Gleichspannungserzeuger RG eingangsseitig einen Speicher auf, der die vom Verstärker V2 empfangene Regelinformation so lange festhält, bis eine weitere Information eintrifft. Auf diese Weise ist es möglich, die Regelung auf solche Zeiträume zu beschränken, in denen kein Signal empfangen wird.
• Handelt es sich bei der dargestellten Schaltung um den optischen Empfänger eines Laser-Entfernungsmessers, der im Impulsbetrieb arbeitet, so kann als Steuertakt T für den Schalter S der Steuertakt für die Torschaltung auf der Sendeseite des Laser-Entfernungsmessers herangezogen werden.

Claims (3)

1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Arbeitspunktregelung einer Avalanche-Fotodiode als Detektor in einem optischen Empfänger, insbesondere eines optischen Empfängers für einen Laser-Entfernungsmesser, dadurch gekennzeichnet, daß der dynamische Innenwiderstand der Fotodiode (D) bei einer mittleren Betriebstemperatur in einem vorgegebenen Arbeitspunkt (A), der sich durch einen maximalen Multiplikationsgrad der Foto diode bei wenigstens annähernd optimalem Signal-Rauschverhältnis auszeichnet, über eine eingeführte elektrische Hilfsgröße gemessen wird und die gemessene Hilfsgröße als Regelkriterium zur Steuerung der den Arbeitspunkt der Foto diode festlegenden elektrischen Betriebsgröße im Sinne einer zeitlichen Konstanz des dynamischen Innenwiderstands (Rd) vorgesehen wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Hilfsgröße eine Wechselspannung ist, deren Frequnez außerhalb des Signalfrequenzbereiches des optischen Empfängers liegt und daß die dem dynamischen Innenwiderstand (Rd) entsprechende Meß-Hilfsgröße frequenzselektiv an geeigneter Stelle der Fotodiodenschaltung abgenommen und gegebenenfalls nach einer ausreichenden Verstärkung dem Steuereingang der eigentlichen Regelschaltung (RG) zugeführt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Hilfsgzöße lediglich während vorgegebener Pausen des Signalempfangs in der Fotodiodenschaltung in Erscheinung tritt und daß die geregelte elektrische Betriebsgröße während des Signalempfangs konstant gehalten wird.

   Halbleiter-Fotodioden haben als Detektor in optischen Empfängern wesentliche Vorzüge gegenüber Fotomultipliern. Diese Vorzüge sind insbesondere in ihren kleinen Abmessungen und in der relativ einfacheren Spannungsversorgung zu sehen. Darüber hinaus haben derartige Halbleiterdioden im nahen Infrarot einen um Größenanordnungen besseren Quantenwirkungsgrad als Fotomultiplier. Besondere Bedeutung haben in diesem Zusammenhang Avalanche-Fotodioden auf Grund ihrer Verstärkungseigenschaften erhalten.

   Der Multiplikationsgrad wie auch das Signal-Rauschverhältnis sind bei einer solchen Avalanche-Fotodiode, im folgenden kurz Fotodiode genannt, in hohem Maße vom Arbeitspunkt abhängig, in dem die Foto diode betrieben wird. Im allgemeinen kann gesagt werden, daß der Arbeitspunkt dann richtig gewählt ist, wenn die Fotodiode bei einem möglichst großen Multiplikationsgrad ein optimales Signal-Rauschverhältnis aufweist. Da sowohl der Multiplikationsgrad als auch das Signal-Rauschverhältnis stark vorn der-TeinpèÌàtu-r abhängig sind, besteht die Notwendigkeit, den Arbeitspunkt - sollen optimale Empfangsverhältniss über die Zeit gewährleistet werden - in geeigneter Weise zu regeln.

   Durch die Literaturstelle »The Review of Scientiüc Instruments«, Vol. 41, Nr. 8, August 1970, S. 1191 bis 1195, sind mehrere Möglichkeiten der Arbeitspunktregelung von Foto dioden bekanntgeworden. Die temperaturabhängige Arbeitspunktreglung ist genügend, weil sie keine optimale Arbeitspunkteinstellung über den Temperaturbereich hinweg gewährleistet. Die Verwendung einer Eichlichtquelle als Bezugssignal für den optischen Empfänger führt ebenfalls nicht zum Ziel, weil das optische Signal-Rauschverhältnis, bezogen auf den von der Temperatur abhängigen jeweils günstigsten Arbeitspunkt, nicht konstant ist.

   Auch die in der genannten Literaturstelle weiterhin angegebene Arbeitspunktregelung in Abhängigkeit der Anzahl von auftretenden Rauschimpulsen in der Zeiteinheit am Ausgang des Empfängers ermöglicht keine optimale Arbeitspunktregelung der Fotodiode, weil in eine solche Regelung Störgrößen (einfallendes Streulicht) miteinbezogen sind, die mit der eigentlichen Schaltung unmittelbar nicht zu tun haben.

   Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für eine Foto diode eine weitere Möglichkeit zur Arbeitspunktregelung aufzuzeigen, die bei geringem Aufwand für den Regelkreis eine über den Regelbereich wenigstens annähernd optimale Arbeitspunkteinstellung gewährleistet.

   Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der dynamische Innenwiderstand der Fotodiode bei einer mittleren Betriebstemperatur in einem vorgegegebenen Arbeitspunkt, der sich durch einen maximalen Multiplikationsgrad der Foto diode bei wenigstens annähernd optimalem Signal-Rauschverhältnis ausgezeichnet, über eine eingeführte elektrische Hilfsgröße gemessen wird und die gemessene Hilfsgröße als Regelkriterium zur Steuerung der den Arbeitspunkt der Foto diode festlegenden elektrischen Betriebsgröße im Sinn einer zeitlichen Konstanz des dynamischen Innenwiderstands vorgesehen wird.

   Der Erfindung liegt die neue Erkenntnis zugrunde, daß sich der dynamische Innenwiderstand der Fotodiode im gewünschten Arbeitspunkt in Abhängigkeit der Temperatur nahezu nicht ändert und somit ein ausgezeichnetes Kriterium für die Arbeitspunktregelung darstellt.

   Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach der Erfindung ist die elektrische Hilfsgröße eine Wechselspannung, deren Freqenz außerhalb des Signalfrequenzbereiches des optischen Empfängers liegt. Hierbei wird die dem dynamischen Innenwiderstand entsprechende Hilfsgröß e frequenzselektiv an geeigneter Stelle der Fotodiodenschaltung abgenommen und gegebenenfalls nach einer ausreichenden Verstärkung dem Steuereingang der eigentlichen Regelschaltung zugeführt.

   Für manche Anwendungsfälle, in denen die Amplitude der elektrischen Hilfsgröße nicht vernachlässigbar ldein gegenüber dem - zu detektierenden optischen Signal ist, ist es zweckmäßig, die elektrische Hilfsgröße lediglich während vorgegebener Pausen des Signalempfangs in der Fotodiodenschaltung in Erscheinung treten zu lassen und die geregelte elektrische Betriebsgröße während des Signalempfangs konstant zu halten.