测试红外LED单光子信号整形电路

Posted 2023-01-11 卓晴

 

01 雪崩信号整形电路

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一、背景介绍

  在博文 红外LED反向雪崩击穿的几种不同形式 找到了几个红外LED可以产生雪崩电流信号。  下面根据博文 Using LED as a Single Photon Detector 中给出的脉冲信号整形电路来将雪崩信号进行整形。 并在之后通过单片机定时器对脉冲个数进行计数。

▲ 图1.1.1 利用比较器对脉冲信号进行整形

二、搭建电路

1、电路原理图

  这里给出了信号整形电路图。 U1是LM311，电压比较器。 T1是N沟道MOS管，它构成LED反向击穿“熄火”电路。 当LED反向击穿雪崩信号， 使得比较器输出高电平， T1导通后将LED偏压消除。 进而LED恢复正常状态。 此时LED重新进入到单光子感应状态。

▲ 图1.2.1 信号整形电路

2、搭建实验电路

  在面包板上搭建了测试电路。 红外发光二极管通过引线接入面包板。 熄火MOS管功率不是很大，所以不用增加散热片。 下面测试该电路上电后的电压波形。

▲ 图1.2.2 在面包板上搭建测测试电路

三、测量结果

1、信号波形

  这是比较器输出信号与R2脉冲电流信号。 黄色信号是比较器的输出信号。由于它带有MOS栅极负载，可以看到信号上升沿比下降沿缓慢。 由于存在熄火反馈，所以雪崩电流信号宽度被限制小于5微妙。

▲ 图1.3.1 比较器输出信号（黄色）与R2脉冲电流信号（青色）
  下面观察一下熄火电流对于脉冲信号的影响。将MOS漏极与LED上拉电阻断开，可以看到脉冲电流非常宽。当MOS漏极与LED上拉电阻相连之后，LED的脉冲信号就变得非常窄了。 下面在观察LED上的光线对于脉冲的影响。 可以看到当LED置于比较明亮的桌面照明灯光下，脉冲变得比较密集。当LED置于黑暗之中，脉冲则非常稀疏了。 使用手遮挡住光线，对比一下脉冲频率的变化，非常明显。

  脉冲信号的频率也与LED反向偏置电压有关系。如果偏置电压越大，输出频率越高。 这里将LED放置在黑色盒子里面，合上盖子之后内部光线非常暗。 通过示波器查看LED脉冲变化是非常剧烈的。 通过这个初步测试， 验证了红外LED反向击穿信号与光线之间的关系。

▲ 图1.3.2 将LED放置在黑色盒子内部进行测试

2、信号声音

  使用有源音箱播放脉冲信号的声音，可以听到随机滋滋啦啦的声响。这说明单光子信号是一种随机信号。 将黑盒子打开，可以听到随机声音形成连续的沙沙随机声响。

▲ 图1.3.3 使用有源音箱播放脉冲信号声音

 

※ 总  结 ※

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  本文搭建测试了LED反向雪崩电流信号整形电路， 测试了它的基本功能。 后面需要将信号接入单片机进行统计以便获得器件数值方面的特性。

  在信号整形电路中引入了熄火电路，可以将原来击穿电流宽度限制在很小的范围。 这样就可以大大提高LED检测灵敏度。

▲ 图2.1 单光子信号整形之后的脉冲波形

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■ 相关文献链接:

• 红外LED反向雪崩击穿的几种不同形式
• Using LED as a Single Photon Detector

● 相关图表链接:

• 图1.1.1 利用比较器对脉冲信号进行整形
• 图1.2.1 信号整形电路
• 图1.2.2 在面包板上搭建测测试电路
• 图1.3.1 比较器输出信号（黄色）与R2脉冲电流信号（青色）
• 图1.3.2 将LED放置在黑色盒子内部进行测试
• 图1.3.3 使用有源音箱播放脉冲信号声音
• 图2.1 单光子信号整形之后的脉冲波形