一種窄脈沖激光信號接收電路設(shè)計(jì)

吳培華 楊雄 曹春雨

【摘 要】針對窄脈沖激光信號的特性，對窄脈沖激光信號接收電路設(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檢測電路的影響，光電轉(zhuǎn)換方式對信號帶寬的影響等。采用前置放大器和二級放大器兩部分放大電路，通過優(yōu)化電路參數(shù)設(shè)計(jì)提高了探測系統(tǒng)信噪比，為光電檢測電路設(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，激光探測技術(shù)由于其對目標(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]。在激光探測系統(tǒng)中采用最多的是脈沖信號體制，脈沖激光作用距離越遠(yuǎn)，受環(huán)境因素的影響就越大，接收到的回波信號也就越弱，這就對接收探測電路設(shè)計(jì)提出了較高的要求。本文針對窄脈沖激光探測器的接收電路要求，采用前置放大和二級放大兩部分電路，通過優(yōu)化各級放大的放大倍數(shù)和級間匹配，實(shí)現(xiàn)窄脈沖激光回波信號高增益放大。

2 接收電路設(shè)計(jì)

2.1前置放大器設(shè)計(jì)

2.1.1探測器選型

光電探測器是探測系統(tǒng)的核心器件，利用光電效應(yīng)把入射的光信號轉(zhuǎn)換為電信號，其質(zhì)量對光電探測電路的設(shè)計(jì)和性能改善具有重要的意義。因此在脈沖激光探測電路中，如何選取光電探測器十分重要。目前，在光電探測領(lǐng)域，APD和PIN探測器由于其靈敏度高、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)電場內(nèi)的定向運(yùn)動產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，以獲得光電流增益[2]。但APD探測器工作偏壓較高，而且往往需要根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整探測器的偏壓，所以電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

PIN探測器與普通的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探測器雖然測量微弱光信號能力較差，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探測器。

圖2為PIN探測器的電路模型。

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探測器的分流電阻無窮大，而在實(shí)際器件的分流電阻阻值為10Ω～1000MΩ，無偏壓條件下，分流電阻決定了PIN探測器的噪聲電流。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，探測器工作帶寬越小，對窄脈沖的響應(yīng)就越差。可近似表示為：

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探測器的截止頻率?c，可近似表示為：

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

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

通過上式可以計(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探測器的暗電流則是指在沒有光照條件下，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，其開路電壓反映了光輻射的信號，不存在暗電流，噪聲較小，線性較好，主要用于精確測量場合。由于光電探測器存在結(jié)電容，結(jié)電容過大會降低探測電路的帶寬，而外加偏置電壓可減小探測器結(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器之后的第一級放大器，其性能直接影響整個(gè)激光接收器的性能好壞。光信號經(jīng)過PIN光電探測器后轉(zhuǎn)換成一個(gè)電流脈沖信號，此脈沖信號十分微弱，前置放大器將此電流脈沖信號進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號。然而在進(jìn)行放大的過程中，會引入很大的噪聲，使得信號失真，信噪比較差，甚至?xí)蜎]信號。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)大于探測器內(nèi)阻。探測器輸出的交流信號通過串聯(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)帶來信號失真和限制探測器由于溫度變化引起輸出電壓峰值過大而導(dǎo)致信號飽和。前置放大電路的輸出信號可表示為：

在小信號情況下，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?阻值選取過大，其帶寬就會下降，同時(shí)R?和CS引入的附加滯后相位會引起寄生振蕩，探測電路就會產(chǎn)生嚴(yán)重的穩(wěn)定性問題，若選取的R?阻值過小，則會影響電路增益，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：

光電探測放大電路的設(shè)計(jì)流程如下：

（1）根據(jù)探測激光的脈沖寬度計(jì)算信號帶寬;

（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)射的激光信號脈寬為40ns，脈沖上升沿和下降沿時(shí)間為20ns，其信號帶寬計(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，探測器結(jié)電容為40pF。通過參數(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)帶寬能夠滿足對窄脈沖激光探測的要求。本文設(shè)計(jì)偏置和前置放大電路原理圖如圖5所示，

2.2二級放大器設(shè)計(jì)

通過光電二極管接收到的信號經(jīng)過前置放大器之后的輸出信號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，因此要在前置放大器后加上一個(gè)二級放大器來提供較大的電壓增益，并且提供低抖動的恒定電壓幅度。

在二級放大器的設(shè)計(jì)中，帶寬和增益是二級放大器設(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放大到一個(gè)恒定的幅度。本文設(shè)計(jì)的二級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)過程中除了要選擇參數(shù)合適的放大器外，還要注意對信號測量能夠產(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)人員要通過優(yōu)化設(shè)計(jì)來減少外部因素對接收放大電路中信號提取與測量的干擾[3]。

為了改善通帶內(nèi)信號質(zhì)量，在電路設(shè)計(jì)過程中增加濾波電路，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的檢測能力，電源濾波電路圖如圖8所示。

最后，通過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信號檢測的干擾。

4 實(shí)物電路測試

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器光敏面積為20mm2，前置放大器直接焊接在PIN探測器的后端，再接到二級放大電路板上。

通過實(shí)物電路測試，輸入脈沖信號如圖10（a）所示，二級放大器得到的輸出信號如圖10（b）所示，可以看出，輸入信號被放大了約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。

通過某激光探測裝置室外單機(jī)性能測試，得到的回波信號如圖11所示，結(jié)果表明該激光探測裝置對窄脈沖激光信號具有良好的探測性能，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的接收和放大。通過實(shí)物測試充分驗(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)脈沖激光探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有一定的參考價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]一種雙色激光接收放大電路設(shè)計(jì)，王帥濤，霍力君，梅浩，2017，中國空空導(dǎo)彈研究院

[2]光電子技術(shù)，潘英俊，鄒建，林曉鋼，2010，重慶大學(xué)出版社

[3]光電檢測電路的設(shè)計(jì)與研究，肖玲，李永明，2019，科技風(fēng)

（作者單位：貴州航天電子科技有限公司）