吳培華 楊雄 曹春雨

【摘 要】針對(duì)窄脈沖激光信號(hào)的特性，對(duì)窄脈沖激光信號(hào)接收電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，包括光電二極管的偏置電壓對(duì)檢測(cè)電路的影響，光電轉(zhuǎn)換方式對(duì)信號(hào)帶寬的影響等。采用前置放大器和二級(jí)放大器兩部分放大電路，通過(guò)優(yōu)化電路參數(shù)設(shè)計(jì)提高了探測(cè)系統(tǒng)信噪比，為光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)提供了有效的設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】窄脈沖激光;PIN光電二極管;放大電路

1 引言

隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光探測(cè)技術(shù)由于其對(duì)目標(biāo)有較好的角分辨率、速度分辨率、距離分辨率和抗干擾能力強(qiáng)得到廣泛的應(yīng)用[1]。在激光探測(cè)系統(tǒng)中采用最多的是脈沖信號(hào)體制，脈沖激光作用距離越遠(yuǎn)，受環(huán)境因素的影響就越大，接收到的回波信號(hào)也就越弱，這就對(duì)接收探測(cè)電路設(shè)計(jì)提出了較高的要求。本文針對(duì)窄脈沖激光探測(cè)器的接收電路要求，采用前置放大和二級(jí)放大兩部分電路，通過(guò)優(yōu)化各級(jí)放大的放大倍數(shù)和級(jí)間匹配，實(shí)現(xiàn)窄脈沖激光回波信號(hào)高增益放大。

2 接收電路設(shè)計(jì)

2.1前置放大器設(shè)計(jì)

2.1.1探測(cè)器選型

光電探測(cè)器是探測(cè)系統(tǒng)的核心器件，利用光電效應(yīng)把入射的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，其質(zhì)量對(duì)光電探測(cè)電路的設(shè)計(jì)和性能改善具有重要的意義。因此在脈沖激光探測(cè)電路中，如何選取光電探測(cè)器十分重要。目前，在光電探測(cè)領(lǐng)域，APD和PIN探測(cè)器由于其靈敏度高、響應(yīng)快且體積小而得到廣泛應(yīng)用。

APD探測(cè)器是一種具有內(nèi)增益的光生伏特器件，利用光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi)的定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，以獲得光電流增益[2]。但APD探測(cè)器工作偏壓較高，而且往往需要根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整探測(cè)器的偏壓，所以電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

PIN探測(cè)器與普通的PN結(jié)光電二極管一樣，都是基于光生伏特效應(yīng)工作的。所不同的是，PIN的結(jié)構(gòu)在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體中間夾了一層本征半導(dǎo)體，增大了耗盡區(qū)的寬度，縮短了載流子的擴(kuò)散過(guò)程，減小了結(jié)電容，使得響應(yīng)速度提高，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。PIN探測(cè)器雖然測(cè)量微弱光信號(hào)能力較差，但相比APD具有響應(yīng)度高、功耗小、暗電流小、偏置電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、線性輸出范圍寬、受溫度影響小的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，所以本文選用PIN探測(cè)器。

圖2為PIN探測(cè)器的電路模型。

圖2中：

Ip：光電流;

Rin：前放輸入電阻;

Cin：前放輸入電容;

RD：分流電阻;

CD：結(jié)電容;

RS：串聯(lián)電阻;

RL：負(fù)載電阻;

D：二極管PN結(jié)。

理想模型中，PIN探測(cè)器的分流電阻無(wú)窮大，而在實(shí)際器件的分流電阻阻值為10Ω～1000MΩ，無(wú)偏壓條件下，分流電阻決定了PIN探測(cè)器的噪聲電流。串聯(lián)電阻是由接觸電阻和非耗盡區(qū)的電阻產(chǎn)生，可表示為：

PIN探測(cè)器結(jié)電容CD的大小決定了光電二極管的反應(yīng)速度、噪聲增益等性能指標(biāo)，結(jié)電容越大，探測(cè)器工作帶寬越小，對(duì)窄脈沖的響應(yīng)就越差?？山票硎緸椋?/p>

由式可知，結(jié)電容大小與PIN光電二極管的反向偏壓有關(guān)，偏置電壓越大，結(jié)電容越小，關(guān)系如圖3所示。

PIN探測(cè)器的截止頻率?c，可近似表示為：

由上式可知，探測(cè)器截止頻率與探測(cè)器的負(fù)載電阻有關(guān)，負(fù)載電阻越大，截止頻率越小。

PIN探測(cè)器的響應(yīng)度是指在單位光功率的光子入射下，探測(cè)器所能產(chǎn)生的電流，通過(guò)量子理論可知，其輸出電流公式表示為：

通過(guò)上式可以計(jì)算出在一定條件下光電二極管的輸出電流，但在實(shí)際應(yīng)用中需注意，每個(gè)光電二極管都有飽和輸出電流，即在光照強(qiáng)度達(dá)到一定程度后光電反應(yīng)達(dá)到飽和狀態(tài)后，輸出電流不再增大。

PIN探測(cè)器的暗電流則是指在沒(méi)有光照條件下，光電二極管加上反偏電壓時(shí)由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生的微弱電流。其大小主要取決于加工工藝、溫度和PN結(jié)的結(jié)構(gòu)等。

2.1.2偏置和前置放大電路設(shè)計(jì)

光電二極管存在兩種主要的光探測(cè)方式：一種是光電導(dǎo)模式，必須在外加偏壓下才能正常工作，存在暗電流，因此產(chǎn)生較大的電流噪聲，非線性輸出，主要在高速光電轉(zhuǎn)換中應(yīng)用;第二種是光伏模式，可以不加偏壓，其開(kāi)路電壓反映了光輻射的信號(hào)，不存在暗電流，噪聲較小，線性較好，主要用于精確測(cè)量場(chǎng)合。由于光電探測(cè)器存在結(jié)電容，結(jié)電容過(guò)大會(huì)降低探測(cè)電路的帶寬，而外加偏置電壓可減小探測(cè)器結(jié)電容，因此本文采用光電導(dǎo)模式。

前置放大器是緊隨光電探測(cè)器之后的第一級(jí)放大器，其性能直接影響整個(gè)激光接收器的性能好壞。光信號(hào)經(jīng)過(guò)PIN光電探測(cè)器后轉(zhuǎn)換成一個(gè)電流脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)十分微弱，前置放大器將此電流脈沖信號(hào)進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。然而在進(jìn)行放大的過(guò)程中，會(huì)引入很大的噪聲，使得信號(hào)失真，信噪比較差，甚至?xí)蜎](méi)信號(hào)。因此放大器需要選擇低噪聲放大器，并要保證較高的帶寬。

前置放大器采用跨阻放大電路設(shè)計(jì)，其原理圖如圖4所示。

恒壓源經(jīng)過(guò)一個(gè)串聯(lián)的負(fù)載電阻產(chǎn)生PIN所需要的恒流偏置，負(fù)載電阻RL的阻值遠(yuǎn)大于探測(cè)器內(nèi)阻。探測(cè)器輸出的交流信號(hào)通過(guò)串聯(lián)電容C0耦合到前置放大器的輸入端。串聯(lián)電容C0可有效抑制陽(yáng)光和背景光，跨接電容C?可以有效減小起伏電路噪聲的影響，同時(shí)可以避免由頻率響應(yīng)帶來(lái)信號(hào)失真和限制探測(cè)器由于溫度變化引起輸出電壓峰值過(guò)大而導(dǎo)致信號(hào)飽和。前置放大電路的輸出信號(hào)可表示為：

在小信號(hào)情況下，前置放大器的增益A可近似表示為：

由于在光電探測(cè)器中存在極間分布電容，放大器也存在輸入電容，并且光電探測(cè)器和放大器都存在極間分布電容，這些電容加在一起形成的總電容用CS表示，CS與反饋電阻Rf組成一個(gè)滯后網(wǎng)絡(luò)，引起輸出電壓相位滯后，易使放大器產(chǎn)生自激振蕩。光電二極管的結(jié)電容CD是影響放大器帶寬的因素之一，跨阻放大器的帶寬可近似表示為：

GBP為放大器的增益帶寬乘積。

對(duì)于一個(gè)放大器而言，增益帶寬乘積是固定不變的，若電路中R?阻值選取過(guò)大，其帶寬就會(huì)下降，同時(shí)R?和CS引入的附加滯后相位會(huì)引起寄生振蕩，探測(cè)電路就會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的穩(wěn)定性問(wèn)題，若選取的R?阻值過(guò)小，則會(huì)影響電路增益，信噪比降低。此時(shí)需要在R?上并接一個(gè)電容C?進(jìn)行相位補(bǔ)償，提高電路穩(wěn)定性，其大小可近似表示為：

光電探測(cè)放大電路的設(shè)計(jì)流程如下：

（1）根據(jù)探測(cè)激光的脈沖寬度計(jì)算信號(hào)帶寬;

（2）選擇放大器，應(yīng)該具備足夠的帶寬及低噪聲;

（3）根據(jù)所選放大器帶寬和信號(hào)帶寬計(jì)算反饋電阻;

（4）根據(jù)光電二極管結(jié)電容、放大器帶寬和反饋電阻計(jì)算補(bǔ)充電容大小。

系統(tǒng)發(fā)射的激光信號(hào)脈寬為40ns，脈沖上升沿和下降沿時(shí)間為20ns，其信號(hào)帶寬計(jì)算公式如下：

Tr為上升沿時(shí)間，可計(jì)算得到信號(hào)帶寬為17.5MHz，因此設(shè)計(jì)的前置放大器帶寬應(yīng)滿足大于等于17.5MHz。本文前置放大電路所使用的放大器LT6230的增益帶寬乘積為1450MHz，共模抑制比為115dB，噪聲為1.1nV/√Hz，探測(cè)器結(jié)電容為40pF。通過(guò)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，反饋電阻Rf設(shè)為56kΩ，電容C?設(shè)為10pF，得出前置放大器的帶寬?-3dB約為20MHz，其閉環(huán)帶寬能夠滿足對(duì)窄脈沖激光探測(cè)的要求。本文設(shè)計(jì)偏置和前置放大電路原理圖如圖5所示，

2.2二級(jí)放大器設(shè)計(jì)

通過(guò)光電二極管接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)前置放大器之后的輸出信號(hào)通常在幾十毫伏左右，而系統(tǒng)后端的數(shù)字電路中的判決電路需要穩(wěn)定在幾百毫伏電壓幅度的大信號(hào)，因此要在前置放大器后加上一個(gè)二級(jí)放大器來(lái)提供較大的電壓增益，并且提供低抖動(dòng)的恒定電壓幅度。

在二級(jí)放大器的設(shè)計(jì)中，帶寬和增益是二級(jí)放大器設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，足夠大的增益能將不同幅度的輸入信號(hào)放大到一個(gè)恒定的幅度。本文設(shè)計(jì)的二級(jí)放大器采用高速低噪聲電壓反饋放大器LM6172，其擺率可達(dá)3000V/μs，單位增益帶寬可達(dá)100MHz，參數(shù)如圖6所示，二級(jí)放大器電路原理圖如圖7所示。

3 電源濾波及布局走線

在接收放大電路設(shè)計(jì)過(guò)程中除了要選擇參數(shù)合適的放大器外，還要注意對(duì)信號(hào)測(cè)量能夠產(chǎn)生影響的其他因素，如電源紋波干擾、電磁輻射與干擾等，因此設(shè)計(jì)人員要通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)減少外部因素對(duì)接收放大電路中信號(hào)提取與測(cè)量的干擾[3]。

為了改善通帶內(nèi)信號(hào)質(zhì)量，在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中增加濾波電路，降低通帶外部的干擾;采用集成電源模塊，增加電路電源的穩(wěn)定性，并在外部設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)電源紋波濾波去耦的外圍電路，提高電路中微弱信號(hào)的檢測(cè)能力，電源濾波電路圖如圖8所示。

最后，通過(guò)良好的布局布線與接地設(shè)計(jì)，可以增加屏蔽效果。以此減小外部因素對(duì)信號(hào)檢測(cè)的干擾。

4 實(shí)物電路測(cè)試

根據(jù)本文討論的接收放大電路設(shè)計(jì)方法研制的收發(fā)組件和二級(jí)放大器電路板三維模型如圖9所示，本文設(shè)計(jì)的窄脈沖激光接收放大電路使用的光電探測(cè)器光敏面積為20mm2，前置放大器直接焊接在PIN探測(cè)器的后端，再接到二級(jí)放大電路板上。

通過(guò)實(shí)物電路測(cè)試，輸入脈沖信號(hào)如圖10（a）所示，二級(jí)放大器得到的輸出信號(hào)如圖10（b）所示，可以看出，輸入信號(hào)被放大了約6倍左右，能夠滿足系統(tǒng)后端的數(shù)字電路中的判決電路所需的電壓幅度要求。

通過(guò)某激光探測(cè)裝置室外單機(jī)性能測(cè)試，得到的回波信號(hào)如圖11所示，結(jié)果表明該激光探測(cè)裝置對(duì)窄脈沖激光信號(hào)具有良好的探測(cè)性能，從而驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方法的有效性。

5 結(jié)論

本文根據(jù)窄脈沖激光信號(hào)的特點(diǎn)，研究了光電二極管的選型，分析了光電二極管參數(shù)模型和接收放大電路參數(shù)模型，并對(duì)接收放大電路的參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析，通過(guò)優(yōu)化負(fù)載電阻、補(bǔ)償電容參數(shù)，有效提高系統(tǒng)信噪比，實(shí)現(xiàn)了窄脈沖激光回波信號(hào)的接收和放大。通過(guò)實(shí)物測(cè)試充分驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)方法的有效性，該設(shè)計(jì)方法可適用于不同參數(shù)脈沖激光探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有一定的參考價(jià)值。

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（作者單位：貴州航天電子科技有限公司）