[发明专利]基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围弱光探测系统

权利要求书

1.一种基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围弱光探测系统，其特征是：系统是由偏压发生器模块(201)、偏压控制模块(202)、雪崩光电二极管阵列芯片(203)、光源(204)、和信号读出和处理系统(205)组成；偏压发生器模块(201)产生高电压，Vcp_output，并通过偏压控制模块(202)输出雪崩光电二极管阵列芯片(203)中各个光电二极管所需的偏置电压，偏压控制模块(202)有5个输出控制模块分别用于控制输出电压Vbias1～Vbias5，输出电压的个数与雪崩光电二极管阵列芯片中雪崩光电二极管的数目相同；偏压控制模块(202)由5个输出控制电路，Bias voltage controller组成，输出控制电路由电阻Rc、电阻R1和电阻R2，N型场效应晶体管Q1以及比较器U1组成，电阻Rc的一端连接偏压发生器模块的输出，Vcp_output，电阻Rc的另一端连接N型场效应晶体管Q1的漏极以及电阻R2的一端，此连接线同时作为输出Vbias连接到雪崩光电二极管阵列芯片的雪崩光电二极管的阴极，电阻R2的另一端连接至电阻R1的一端以及比较器U1的正相输入，U1的负相输入连接控制电压Vref1，用于控制输出电压Vbias，比较器U1的输出连接至N型场效应晶体管Q1的栅极，N型场效应晶体管Q1的源极和电阻R1的另一端口接地，输出控制电路中，Rc用于将偏压控制模块中的各个偏压输出通道隔离，使得各个偏压输出通道被独立控制，N型场效应晶体管Q1与输出负载并行连接，其功能类似于可变分流器，用于输出电压的调节，R1和R2用于将输出电压降低到可比较的水平，V1，并连接至比较器U1的正向输入端，调节电平Vref连接至比较器的反向输入端，当R1和R2之间的电压V1超过了调节电平Vref，比较器U1就会产生与Vref和V1之间的差成正比的输出电压，N型场效应晶体管Q1就会被偏置以分流输出电流，V_bias将会下降，V1也随着降低；当V1低于调节电平Vref，比较器U1将会输出低电平，N型场效应晶体管将会被关闭，输出电流将持续的流向负载，V_bias将会上升，V1也随着上升，通过这个方式，V1被调节为非常接近Vref；而通过设置调节电平Vref，能改变输出电压V_bias；输出电压V_bias与Vref的关系为：V_bias＝(1+R2/R1)×Vref；雪崩光电二极管阵列芯片(203)中雪崩光电二极管的数量为5个，分别为APD1～APD5，它们在偏压控制模块(202)的调整下工作于不同的工作模式以及不同的内部增益条件下，以实现对所需测量光信号范围的分别覆盖，APD1～APD5的反向偏置电压Vbias1～Vbias5的大小关系为：Vbias1Vbias2Vbias3V_breakVbias4Vbias5；式中V_break为雪崩光电二极管的反向击穿电压，在这样的偏压控制下，APD1～APD3工作于线性模式，APD4～APD5工作于单光子模式；雪崩光电二极管阵列芯片(203)中的雪崩光电二极管被偏压控制模块(202)的输出电压偏置于不同的工作状态，用于探测从光源发出的不同强度的入射光；雪崩光电二极管阵列芯片(203)中各个光电二极管的输出连接至信号读出和处理系统(205)，信号读出和处理系统(205)对雪崩光电二极管阵列芯片中各个光电二极管的输出信号进行读出和处理，最后给出测量结果。

2.根据权利要求1所述的基于雪崩光电二极管阵列芯片的大动态范围弱光探测系统，其特征是：偏压发生器模块(201)是一个电压转换模块，其将输入的电压转换为适合于后端所用雪崩光电二极管的直流电压并输出，用于偏置雪崩光电二极管；其结构是DC-DC转换电路或者是AC-DC转换电路的任何一种，所用结构由其输入的电压类型以及大小决定；偏压发生器模块(201)的输入是标准220V/110V交流电压、台式直流电压源电压或者标准USB 5V电压或者电池输入电压的一种；偏压发生器模块(201)的输出为直流电压，范围能够覆盖所偏置的光电二极管的各个工作模式，包括线性模式和单光子模式。