CN113489295B - 一种apd保护方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明一个或多个实施例提供了一种APD保护方法及电路，其中，APD保护方法应用于APD保护电路，所述APD保护电路包括升压电路、光电雪崩二极管APD、跨阻放大器以及可变增益放大器，其中，所述升压电路的输出端与所述APD的一端相连，所述APD的另一端与所述跨阻放大器的输入端相连，所述跨阻放大器的输出与所述可变增益放大器的输入端相连，所述方法包括：获取由所述可变增益放大器输出的信号；基于所述信号确定所述信号的脉宽；根据所述脉宽控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压，该APD保护方法可以有效防止APD过饱和。

Description

一种APD保护方法及电路
技术领域
本发明涉及电路技术领域，尤其涉及一种APD保护方法及电路。
背景技术
目前，主流的激光雷达大都使用脉冲测距方式，即发射一个或者一列脉冲激光，经光学天线准直后照射目标，反射光经过光学天线增益入射到光电探测器中。由于反射光能量很弱，所以大都使用APD作为主光电探测器。但是当有高反目标出现在激光雷达近距离测程内，或者激光雷达多机对射情况下，APD处于高饱和工作状态，雪崩区容易耗尽，进而损坏APD。可见，如何对APD进行过饱和保护是目前亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明一个或多个实施例提供了一种APD保护方法及电路，能够对以APD作为主光电探测器的电路中的APD进行过饱和保护。
基于本发明的第一个方面，提供了一种APD保护方法，应用于APD保护电路，所述APD保护电路包括升压电路、光电雪崩二极管APD、跨阻放大器以及可变增益放大器，其中，所述升压电路的输出端与所述APD的一端相连，所述APD的另一端与所述跨阻放大器的输入端相连，所述跨阻放大器的输出与所述可变增益放大器的输入端相连，所述方法包括：获取由所述可变增益放大器输出的信号；基于所述信号确定所述信号的脉宽；根据所述脉宽控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压。
可选的，基于所述信号确定所述信号的脉宽，包括：测量所述信号的一对上升沿电平信号以及下降沿电平信号所产生的时刻；根据所述时刻确定所述脉宽。
可选的，根据所述脉宽控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压调节，包括：根据预先设置的脉宽与所述升压电路的脉冲宽度调制PWM信号的占空比的对应关系确定与所述脉宽对应的目标占空比；根据所述目标占空比控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压。
可选的，所述升压电路为升压斩波电路，所述APD与所述升压电路之间设置有电流镜器件，根据所述脉宽控制所述升压电路调节所述APD的偏压，包括：通过所述电流镜器件产生光电流，通过所述光电流控制所述升压斩波电路中的开关器件开启或关闭，以调节所述APD的偏压。
可选的，根据所述脉宽控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压，包括：在所述脉宽大于脉宽阈值时，减小所述升压电路的PWM信号的占空比。
基于本发明的第二个方面，提供了一种APD保护电路，包括：升压电路、光电雪崩二极管APD、跨阻放大器、可变增益放大器、脉宽判别单元以及处理单元，其中，所述升压电路的输出端与所述APD的一端相连，所述APD的另一端与所述跨阻放大器的输入端相连，所述跨阻放大器的输出端与所述可变增益放大器的输入端相连，所述可变增益放大器的输出端与脉宽判别单元的输入端相连，所述脉宽判别单元的输出端与处理单元的输入端相连，所述处理单元的输出端与所述升压电路的输入端相连；所述脉宽判别单元用于获取由所述可变增益放大器输出的信号，基于所述信号确定所述信号的脉宽；所述处理单元用于根据所述脉宽控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压。
可选的，所述脉宽判别电路包括时间数字转换器TDC，所述TDC用于测量所述信号的一对上升沿电平信号以及下降沿电平信号所产生的时刻；根据所述时刻确定所述脉宽。
可选的，所述处理单元具体用于：根据预先设置的脉宽与所述升压电路的脉冲宽度调制PWM信号的占空比的对应关系确定与所述脉宽对应的目标占空比；根据所述目标占空比控制所述升压电路调节所述APD的偏压。
可选的，所述升压电路为升压斩波电路，所述APD与所述升压电路之间设置有电流镜器件，所述电流镜器件用于产生光电流，所述升压电路中的开关器件在所述光电流的作用下开启或关闭，以调节所述APD的偏压。
可选的，所述处理单元具体用于：在所述脉宽大于脉宽阈值时，减小所述升压电路的PWM信号的占空比。
本发明一个或多个实施例的APD保护方法，通过测量经过APD的信号的脉宽，根据测量得到的脉宽控制APD的升压电路来调整APD的偏压，可有效防止APD过饱和导致APD损坏，提高了APD的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是根据本发明一个或多个实施例示出的APD的结构和内部电场的示意图。
图2是根据本发明一个或多个实施例示出的APD的等效电路模型的示意图。
图3是根据本发明一个或多个实施例示出的一种APD保护方法的流程图。
图4是根据本发明一个或多个实施例示出的一种APD保护电路的示意图。
图5A是根据本发明一个或多个实施例示出的一对上升沿以及下降沿电平信号的示意图。
图5B是根据本发明一个或多个实施例示出的信号的脉宽的示意图。
图6是根据本发明一个或多个实施例示出的APD结电容与偏压之间的关系的示意图。
图7是根据本发明一个或多个实施例示出的BOOST升压电路的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明一个或多个实施例提供了一种APD保护方法，用以防止以APD作为主光电探测器的光电探测电路中的APD过饱和。其中，APD（Avalanche Photodiode，雪崩光电二极管）是PN节结构，P区和N区重掺杂，中间掺杂本征半导体，构成雪崩区，在高压反偏的情况下，光电效应产生的电子空穴对经过雪崩区的大电场加速，撞击其他电子空穴形成雪崩效应。APD的结构和内部电场以图1所示为例。
在分析APD的电路特性之前，需考虑APD的等效电路。在不着重考虑APD小信号带宽问题的情况下，根据载流子的速率方程，可推导出APD的等效电路模型，以2所示为例，如图2所示，APD等效电路模型为三端口模型，NP为虚拟端，用于模拟光信号的输入，NA和NB为实际电学端口，NA为高压端口（N区），NB对应负极。其中，中间部分对应载流子随光生载流子的放大和流向。Imp为雪崩光电流，Id为暗电流，In为散粒噪声。Rj为等效电阻，等效为1012欧姆，Cj为芯片寄生电容，约为10-14F，Rs和Rp为封装寄生电阻，约10欧姆，Cp为封装寄生电容，约为10-12F。
图3是根据本发明一个或多个实施例示出的一种APD保护方法的流程图，该方法可应用于APD保护电路，APD保护电路以图4所示为例，如图4所示，所述APD保护电路包括：升压电路、APD（Avalanche Photodiode，光电雪崩二极管），其中，APD例如可以是硅基或者InGaAs材料的APD，TIA（Trans-Impedance Amplifier，跨阻放大器）、VGA（Variable GainAmplifier，可变增益放大器）、比较器、TDC（Time to Digital Convert，时间数字转换器）以及处理单元所述升压电路的输出端与所述APD的一端相连，所述APD的另一端与所述跨阻放大器的输入端相连，所述跨阻放大器的输出与所述可变增益放大器的输入端相连，所述可变增益放大器的输出端与所述比较器的输入端相连，所述比较器的输出端与所述TDC的输入端相连，所述TDC的输出端与所述处理单元的输入端相连，所述处理单元的输出端与所述BOOST电路的输入端相连，基于该APD保护电路，如图3所示，所述的APD保护方法包括：
步骤301：获取由所述可变增益放大器输出的信号；
步骤302：基于所述信号确定所述信号的脉宽；
经过研究发现，APD由于强光导致的损坏，并非由于APD被强光入射一次而导致，而是在一定时间内（例如一分钟）持续强光入射才会被烧损。基于该原因，可对APD接收的光电流的强度进行监测，根据监测结果对APD接收的光电流进行调整，从而防止APD发生过饱和。以图2所示的APD保护电路为例，在APD过饱和之后，经过TIA以及VGA的信号会有明显的展开现象，信号经过比较器之后会产生较宽脉宽的电平信号，故，本发明一个或多个实施例可通过获取由VGA输出的信号，对该信号的脉宽进行测量来获知APD接收的光电流的情况，例如，以图4所示的APD保护电路为例，由可变增益放大器输出的信号输入比较器之后会产生较宽脉宽的电平信号，TDC可根据电平信号确定出信号的脉宽。
在本发明的一个或多个实施例中，仍以图4所示为例，可利用比较器，例如高速比较器分别对经过VGA的电平信号的上升沿和下降沿进行判别，产生两个比较电平，例如，产生两个TTL（Transistor Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑电平）或CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconducto，互补金属氧化物半导体）电平信号，该将两个电平信号输出给TDC，TDC基于该两个电平信号确定出信号的脉宽，如图5A以及图5B所示，TDC从计时开始，可分别测量出stop1和stop2的时刻，其中，测量出的stop1时刻是产生上升沿的时刻，stop2时刻是产生下降沿的时刻，将stop2时刻减去stop1时刻，即获得信号的脉冲宽度，从而完成信号的脉冲宽度的测量。
步骤303：根据所述脉宽控制所述升压电路调节所述APD的偏压。
例如，可根据确定出的信号的脉宽控制升压电路提高正向高压或者负高压，以保证APD工作在雪崩区，从而避免APD发生过饱和。
本发明一个或多个实施例的APD保护方法，通过测量经过APD的信号的脉宽，根据测得的脉宽控制APD的升压电路来调整APD的偏压，可有效防止APD过饱和而导致的APD损坏，提高了APD的可靠性。
在本发明的一个或多个实施例中，基于所述信号确定所述信号的脉宽，可包括：
测量所述信号的一对上升沿电平信号以及下降沿电平信号所产生的时刻，其中，一对上升沿电平信号以及下降沿电平信号指的是产生时间相邻的一个上升沿电平信号以及一个下降沿电平信号。该一对电平信号仍以图5A所示为例，通过TDC测量得到一对上升沿电平信号以及下降沿电平信号所产生的时刻分别为stop1以及stop2，根据所述时刻确定所述脉宽，可以是将stop2减去stop1，得到二者之差，即为信号的脉宽。
在本发明的一个或多个实施例中，根据所述脉宽控制所述升压电路调节所述APD的偏压，可包括：
根据预先设置的脉宽与所述升压电路的PWM信号的占空比的对应关系确定与所述脉宽对应的目标占空比；根据所述目标占空比控制所述升压电路调节所述APD的偏压。例如，可基于脉宽越大，PWM信号的占空比越小的原则，预先建立信号的脉宽与升压电路的PWM信号的占空比之间的对应关系表，该表中包括各脉宽值所对应的各PWM信号的占空比，其中，在确定各脉宽值所对应的各PWM信号的占空比时，需确保升压电路的输出不小于一预设电压值，例如，40V。在确定出所述信号的脉宽之后，以图4所示的APD保护电路为例，可将该脉宽发送给处理单元，处理单元可在对应关系表中查找该脉宽对应的目标PWM信号的占空比，将该目标PWM信号的占空比作为升压电路的PWM信号的占空比，处理单元可将该PWM信号的占空比发送给BOOST升压电路（为升压电路的一个示例），以该PWM信号的占空比作为BOOST升压电路的输入，以对BOOST升压电路输出电压的控制，从而完成APD的偏压控制，保证APD工作在线性雪崩区，从而保证激光雷达正常稳定工作。其中，APD结电容与其偏压有关，APD结电容与其偏压之间的关系可如图6所示，从图6可以看出，根据预先建立的信号的脉宽与升压电路的PWM信号的占空比之前的关系确定与信号的脉宽对应的目标占空比，可以保证APD结电容变化很小，在不改变电路基本属性和***带宽的基础上，保证脉冲检测的上升沿陡峭，从而保证脉冲激光雷达的测量精度。
图7是根据本发明一个或多个实施例示出的BOOST升压电路的示意图，在该BOOST升压电路中，APD以硅基APD为例，硅基APD的雪崩点在100V以上，BOOST升压电路可工作在DCM（Continunous Conduction Model，连续导通模式）工作状态，如图7所示，可使用占空比25%（为上述目标占空比的一个示例）左右的方波驱动BOOST升压电路中的Mosfet开关，若观测电感L1的电流，可以发现电感L1在2.5s内进行充电，而后工作到稳定状态，开机之后，L1迅速充电放电，BOOST升压电路输出端电压缓慢增加，经过ms量级非稳态上升之后，电压可稳定输出150V，可见，基于信号脉宽而确定出的目标占空比可使得BOOST升压电路在保证APD正常工作状态下，对APD进行保护。
在本发明的一个或多个实施例中，所述升压电路可为升压斩波电路，仍以图7所示的BOOST升压电路为例，所述APD与所述升压电路之间可设置有电流镜器件，基于此，根据所述脉宽控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压，可包括：通过所述电流镜器件产生光电流（镜像的光电流），通过所述光电流控制所述升压斩波电路中的开关器件（例如图7中所示的BOOST升压电路中的Mosfet开关）开启或关闭，以调节所述APD的偏压，例如，在确定出的信号的脉宽超过脉宽阈值时，通过控制Mosfet开启，以拉低APD的偏压，可避免APD过饱和。
在本发明的一个或多个实施例中，根据所述脉宽控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压，可包括：在所述脉宽大于脉宽阈值时，减小所述升压电路的PWM信号的占空比。例如，可根据确定出的信号的脉宽推断出APD接收的光电流，举例说明，假设APD接收的光电流为5mA，对应的脉宽为150ns（为脉宽阈值的一个示例），可在确定出的信号的脉宽大于150ns时，将向BOOST升压电路输入的PWM信号的占空比相应的减小，控制BOOST升压电路工作，降低BOOST升压电路输出的电压，以调整APD的偏压，从而降低APD的增益系数，减小APD接收的光电流，从而在保护APD的同时还能保证APD正常工作。
本发明一个或多个实施例还提供了一种APD保护电路，该电路包括：升压电路、APD、跨阻放大器、可变增益放大器、脉宽判别单元以及处理单元，其中，所述升压电路的输出端与所述APD的一端相连，所述APD的另一端与所述跨阻放大器的输入端相连，所述跨阻放大器的输出端与所述可变增益放大器的输入端相连，所述可变增益放大器的输出端与脉宽判别单元的输入端相连，所述脉宽判别单元的输出端与所述处理单元的输入端相连，所述处理单元的输出端与所述升压电路的输入端相连；
所述脉宽判别单元用于获取由所述可变增益放大器输出的信号，基于所述信号确定所述信号的脉宽；
所述处理单元用于根据所述脉宽控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压。
在本发明的一个或多个实施例中，以图4所示的APD保护电路为例，上述脉宽判别电路例如可以包括比较器以及TDC，其中，由可变增益放大器输出的信号输入比较器之后会产生较宽脉宽的电平信号，TDC可根据电平信号确定出信号的脉宽。
在本发明的一个或多个实施例中，上述处理单元可采用MCU（MicrocontrollerUnit，微控制单元）或FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）来实现。
在本发明的一个或多个实施例中，所述脉宽判别电路包括TDC，所述TDC用于测量所述信号的一对上升沿电平信号以及下降沿电平信号所产生的时刻；根据所述时刻确定所述脉宽。
在本发明的一个或多个实施例中，所述处理单元具体用于：
根据预先设置的脉宽与所述升压电路的PWM信号的占空比的对应关系确定与所述脉宽对应的目标占空比；
根据所述目标占空比控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压。
在本发明的一个或多个实施例中，所述升压电路为升压斩波电路，所述APD与所述升压电路之间设置有电流镜器件，所述电流镜器件用于产生光电流，所述升压电路中的开关器件在所述光电流的作用下开启或关闭，以调节所述APD的偏压。
在本发明的一个或多个实施例中，所述处理单元具体用于：
在所述脉宽大于脉宽阈值时，减小所述升压电路的PWM信号的占空比。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。
尤其，对于装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
为了描述的方便，描述以上装置是以功能分为各种单元/模块分别描述。当然，在实施本发明时可以把各单元/模块的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random AccessMemory，RAM）等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种APD保护方法，其特征在于，应用于APD保护电路，所述APD保护电路包括升压电路、光电雪崩二极管APD、跨阻放大器以及可变增益放大器，其中，所述升压电路的输出端与所述APD的一端相连，所述APD的另一端与所述跨阻放大器的输入端相连，所述跨阻放大器的输出与所述可变增益放大器的输入端相连，所述方法包括：
获取由所述可变增益放大器输出的信号；
基于所述信号确定所述信号的脉宽；
根据所述脉宽控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述信号确定所述信号的脉宽，包括：
测量所述信号的一对上升沿电平信号以及下降沿电平信号所产生的时刻；
根据所述时刻确定所述脉宽。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述脉宽控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压调节，包括：
根据预先设置的脉宽与所述升压电路的脉冲宽度调制PWM信号的占空比的对应关系确定与所述脉宽对应的目标占空比；
根据所述目标占空比控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述升压电路为升压斩波电路，所述APD与所述升压电路之间设置有电流镜器件，根据所述脉宽控制所述升压电路调节所述APD的偏压，包括：
通过所述电流镜器件产生光电流，通过所述光电流控制所述升压斩波电路中的开关器件开启或关闭，以调节所述APD的偏压。
5.根据权利要求1至4任一项所述的方法，其特征在于，根据所述脉宽控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压，包括：
在所述脉宽大于脉宽阈值时，减小所述升压电路的PWM信号的占空比。
6.一种APD保护电路，其特征在于，包括：
升压电路、光电雪崩二极管APD、跨阻放大器、可变增益放大器、脉宽判别单元以及处理单元，其中，所述升压电路的输出端与所述APD的一端相连，所述APD的另一端与所述跨阻放大器的输入端相连，所述跨阻放大器的输出端与所述可变增益放大器的输入端相连，所述可变增益放大器的输出端与脉宽判别单元的输入端相连，所述脉宽判别单元的输出端与所述处理单元的输入端相连，所述处理单元的输出端与所述升压电路的输入端相连；
所述脉宽判别单元用于获取由所述可变增益放大器输出的信号，基于所述信号确定所述信号的脉宽；
所述处理单元用于根据所述脉宽控制所述升压电路，以调节所述APD的偏压。
7.根据权利要求6所述的APD保护电路，其特征在于，所述脉宽判别电路包括时间数字转换器TDC，所述TDC用于测量所述信号的一对上升沿电平信号以及下降沿电平信号所产生的时刻；根据所述时刻确定所述脉宽。
8.根据权利要求6所述的APD保护电路，其特征在于，所述处理单元具体用于：
根据预先设置的脉宽与所述升压电路的脉冲宽度调制PWM信号的占空比的对应关系确定与所述脉宽对应的目标占空比；
根据所述目标占空比控制所述升压电路调节所述APD的偏压。
9.根据权利要求6所述的APD保护电路，其特征在于，所述升压电路为升压斩波电路，所述APD与所述升压电路之间设置有电流镜器件，所述电流镜器件用于产生光电流，所述升压电路中的开关器件在所述光电流的作用下开启或关闭，以调节所述APD的偏压。
10.根据权利要求6至9任一项所述的APD保护电路，其特征在于，所述处理单元具体用于：在所述脉宽大于脉宽阈值时，减小所述升压电路的PWM信号的占空比。
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Denomination of invention: An APD protection method and circuit

Effective date of registration: 20231117

Granted publication date: 20220603

Pledgee: Beijing Zhongguancun bank Limited by Share Ltd.

Pledgor: BENEWAKE (BEIJING) Co.,Ltd.

Registration number: Y2023990000569