基于MPPC探測(cè)器的激光脈沖信號(hào)讀出電路設(shè)計(jì)

司 可，吳玲玲，梁海鋒

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安710021）

激光技術(shù)的出現(xiàn)，使得現(xiàn)代探測(cè)技術(shù)產(chǎn)生了里程碑式的變革，如今出現(xiàn)了多種利用激光技術(shù)來(lái)進(jìn)行探測(cè)的光電類應(yīng)用，如激光雷達(dá)和激光測(cè)距等[1-2]。由于激光信號(hào)有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好的特點(diǎn)[3]，因此激光技術(shù)廣泛應(yīng)用在各種高精度測(cè)量中。在激光應(yīng)用中，光電探測(cè)器信號(hào)處理系統(tǒng)的性能是評(píng)定激光應(yīng)用好壞的重要指標(biāo)[4]。

現(xiàn)如今，應(yīng)用最廣泛的激光雷達(dá)是激光脈沖型測(cè)距雷達(dá)（ToF 型激光雷達(dá)），通過(guò)測(cè)量激光脈沖從發(fā)射激光到接收激光的飛行時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)的距離信息[5]。受制于探測(cè)器探測(cè)微弱光信號(hào)的能力，較遠(yuǎn)距離的微弱光信號(hào)探測(cè)是目前仍需提升的關(guān)鍵技術(shù)。

多像素光子計(jì)數(shù)器（MPPC）是由日本濱松公司根據(jù)光電倍增管的原理生產(chǎn)的一種新型光電探測(cè)器件，由工作在蓋格模式下的雪崩二極管（APD）陣列組成，具有優(yōu)良的光子計(jì)數(shù)能力，適用于在極弱光的場(chǎng)合下對(duì)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)。

本文針對(duì)日本濱松公司出品的8×8 陣列MPPC探測(cè)器S13361-3050NE-08 設(shè)計(jì)了信號(hào)讀出電路并進(jìn)行了相應(yīng)的電路仿真，實(shí)現(xiàn)了激光器發(fā)射功率為100 mW、波長(zhǎng)450 nm、視場(chǎng)角6°、探測(cè)距離150～200 m 的脈沖式激光雷達(dá)的回波脈沖探測(cè)。

1 系統(tǒng)及探測(cè)器相關(guān)參數(shù)計(jì)算

對(duì)于探測(cè)距離150～200 m、 視場(chǎng)角6°的脈沖式激光雷達(dá)，根據(jù)下式可以計(jì)算得到激光器輸出到被測(cè)物體上的光斑尺寸。

由上式計(jì)算可知，該激光器的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)需要保證輸出距離200 m 的光斑尺寸至少為21 m×21 m，輸出距離150 m 的光斑尺寸至少為15.8 m×15.8 m。

文獻(xiàn)[6]給出了激光雷達(dá)距離方程，得出了激光回波功率Pr與距離d 和發(fā)射功率Pt等參數(shù)間的關(guān)系。

式中：τα為激光在大氣中的單程透過(guò)率；ηr為接收光學(xué)系統(tǒng)效率；ρT為目標(biāo)反射率；At為目標(biāo)照射部分投影面積；Ar為有效接受面積；θ 為發(fā)射系統(tǒng)與目標(biāo)法向夾角；Al目標(biāo)處激光光束橫截面積。

如表1 所示為S13361-3050NE-08 探測(cè)器在工作溫度為25 ℃時(shí)的參數(shù)指標(biāo)。該探測(cè)器是一個(gè)MPPC 陣列，由64 個(gè)MPPC 以8×8 的排列方式排列而成，單個(gè)通道終端電容為320 pF，探測(cè)器峰值相應(yīng)波長(zhǎng)為450 nm。

表1 S13361-3050NE-08 探測(cè)器參數(shù)指標(biāo)Tab.1 S13361-3050NE-08 detector parameters

對(duì)于8×8 陣列的探測(cè)器，單個(gè)通道所對(duì)應(yīng)的光斑尺寸約為200 m 處2.625 m×2.625 m，150 m 處1.975 m×1.975 m。選擇發(fā)射功率為100 mW、峰值波長(zhǎng)為450 nm 的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器，利用式（3）可計(jì)算探測(cè)距離范圍內(nèi)探測(cè)器所能接收到的最小光功率。根據(jù)文獻(xiàn)[7]，式（3）中各個(gè)參數(shù)取值為τα=0.98，ηr=0.7，ρT=0.1，Pt=0.1 W。

當(dāng)探測(cè)距離為200 m 時(shí)，則接收到的光功率為

當(dāng)探測(cè)距離為150 m 時(shí)，接收到的光功率為

在理想條件下，當(dāng)沒(méi)有光入射時(shí)，MPPC 所產(chǎn)生的光電流輸出為零，但是由于熱電子發(fā)射等原因也會(huì)產(chǎn)生自由載流子電子和空穴，它們?cè)陔妶?chǎng)的作用下也會(huì)產(chǎn)生電流，這種無(wú)光照時(shí)在電路上流動(dòng)的電流稱為暗電流[8]。在探測(cè)器性能指標(biāo)中，主要利用暗計(jì)數(shù)來(lái)表征這種特性，通過(guò)該指標(biāo)可以得到探測(cè)器所能接收并探測(cè)的最小光功率。由能量公式計(jì)算單個(gè)光子產(chǎn)生的能量：

計(jì)算此探測(cè)器所能探測(cè)的最小光功率：

通過(guò)計(jì)算，最小探測(cè)光功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于該探測(cè)器對(duì)200 m 處目標(biāo)探測(cè)的接收光功率，滿足探測(cè)要求。

圖1 為該探測(cè)器中的單像素APD 的過(guò)偏壓與探測(cè)器的量子探測(cè)效率、增益的曲線。根據(jù)該曲線可看到，當(dāng)提供給探測(cè)器的過(guò)偏壓為3 V 時(shí)（即工作電壓56 V），APD 的增益為1.7×106、 探測(cè)效率為40%。因此通過(guò)APD 響應(yīng)度公式，計(jì)算在此條件下單個(gè)APD 像素的響應(yīng)度為

式中：e 為一個(gè)電子的電荷量；ν 為接收到光的頻率；h 為普朗克常數(shù)；ηe為單個(gè)APD 像素的量子效率；M為單個(gè)APD 像素的電流增益。

圖1 探測(cè)器過(guò)偏置電壓與量子探測(cè)效率、增益、串?dāng)_概率的關(guān)系Fig.1 Overvoltage specifications of gain，crosstalk probability，photon detection efficiency

探測(cè)200 m 時(shí)，由式（7）計(jì)算單個(gè)APD 像素輸出的光電流為

通過(guò)MPPC 陣列的特性參數(shù)中的像素?cái)?shù)量N和通道數(shù)量Nc可得單個(gè)通道的像素個(gè)數(shù)為None=N/Nc=3584/64=56，則單個(gè)通道內(nèi)所有像素所產(chǎn)生的總電流為

通過(guò)上式的計(jì)算可知，在探測(cè)200 m 探測(cè)距離的情況下，MPPC 陣列的單個(gè)通道會(huì)產(chǎn)生5.22×10-6A的電流。

2 信號(hào)讀出電路設(shè)計(jì)

如圖2 所示為以通道數(shù)為64 的MPPC 陣列為探測(cè)器的激光雷達(dá)的信號(hào)處理系統(tǒng)框圖，信號(hào)讀出電路設(shè)計(jì)即為圖中MPPC 微弱信號(hào)探測(cè)模塊和時(shí)刻鑒別模塊的電路設(shè)計(jì)。

圖2 MPPC 陣列信號(hào)處理系統(tǒng)框圖Fig.2 MPPC array signal processing system

當(dāng)MPPC 陣列探測(cè)器接收到微弱的激光脈沖回波后，產(chǎn)生64 路微弱的電流信號(hào)到微弱信號(hào)探測(cè)模塊，該模塊將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)并放大輸出到時(shí)刻鑒別模塊來(lái)產(chǎn)生多路的CMOS 電平，這樣即可實(shí)現(xiàn)激光脈沖回波信號(hào)的有效識(shí)別。

2.1 微弱信號(hào)探測(cè)模塊

光電探測(cè)系統(tǒng)中，回波信號(hào)經(jīng)過(guò)MPPC 探測(cè)器內(nèi)部電流增益放大之后， 其電流信號(hào)仍舊十分微弱。如果不經(jīng)過(guò)處理，很容易就淹沒(méi)在電路的噪聲信號(hào)中。

MPPC 所探測(cè)的回波信號(hào)的形狀是由激光發(fā)射的脈沖波形、 大氣衰減以及探測(cè)目標(biāo)共同決定的。根據(jù)高速脈沖信號(hào)帶寬經(jīng)驗(yàn)公式[9]和所選用的脈沖激光器的光脈沖上升時(shí)間5 ns， 計(jì)算所需設(shè)計(jì)的放大電路帶寬：

式中：tr為上升時(shí)間。代入相關(guān)參數(shù)計(jì)算可得所要設(shè)計(jì)放大電路的帶寬范圍滿足75 MHz～88 MHz。

針對(duì)此指標(biāo)，采用跨阻放大電路和二級(jí)電壓信號(hào)放大電路來(lái)完成此模塊的電路設(shè)計(jì)。

2.1.1 跨阻放大電路

采用跨阻放大電路對(duì)探測(cè)器輸出的電流信號(hào)進(jìn)行放大，并輸出為電壓信號(hào)?？缱璺糯笃魇强缱璺糯箅娐返暮诵钠骷x用跨阻放大器的目的是其既可以將弱信號(hào)進(jìn)行放大，也可以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)。

跨阻放大電路需要在保證系統(tǒng)帶寬的同時(shí)實(shí)現(xiàn)盡可能高的增益。因此，對(duì)于跨阻放大器首要考慮的指標(biāo)是帶寬和增益，即增益帶寬積。針對(duì)所需的指標(biāo)，對(duì)幾類常用跨阻放大器進(jìn)行調(diào)研，幾種跨阻放大器特性參數(shù)如表2 所示。通過(guò)對(duì)比選擇TI 公司生產(chǎn)的OPA855 為此部分的核心器件。

表2 幾款跨阻放大器特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of several transimpedance amplifiers

OPA855 是一款具有雙極輸入的寬帶低噪聲運(yùn)算放大器，適用于寬帶跨阻和電壓放大器應(yīng)用。將該器件配置為跨阻放大器（TIA）時(shí)，8 GHz 增益帶寬積（GBWP）能夠在低電容光電二極管應(yīng)用中以高達(dá)幾千歐的跨阻增益。

對(duì)于選定的跨阻放大器，其接收帶寬和放大增益是主要的考慮因素。跨阻放大器端接的電阻大小，直接決定將輸入電流轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)的能力，即放大增益。過(guò)大的跨阻值會(huì)大大縮小電路的信號(hào)帶寬，引起信號(hào)波形的展寬，通常亦需要在跨阻上并聯(lián)一個(gè)大電容， 保證電路的穩(wěn)定?？缱璺糯笃鞯?3 dB 帶寬計(jì)算如下：

式中：Rf為跨阻值；CS為運(yùn)放輸入寄生電容，對(duì)于本文的MPPC 陣列，CS的值為320 pF。

使用TINA-TI 軟件進(jìn)行跨阻放大電路設(shè)計(jì)，利用一個(gè)幅值5.22 μA、持續(xù)時(shí)間10 ns 的電流發(fā)生器和一個(gè)320 pF 的電容并聯(lián)來(lái)模擬單通道的MPPC探測(cè)器。將式（9）計(jì)算得到的所需設(shè)計(jì)的放大電路的帶寬代入式（10）計(jì)算該放大電路可選擇的反饋電阻為

為有稍大的帶寬，選擇該電阻阻值為511 Ω。

根據(jù)OPA855 的典型應(yīng)用電路， 選擇反相放大的方式來(lái)放大信號(hào)， 反相放大典型電路如圖3 所示。RF取值511 Ω，RG取值511 mΩ，則該放大電路可以將輸入信號(hào)放大1000 倍。

圖3 OPA855 反相放大方式典型電路圖Fig.3 Inverting amplifier circuit of OPA855

在進(jìn)行跨阻放大電路設(shè)計(jì)時(shí)，除了需要計(jì)算反饋電阻RF，還需要進(jìn)行補(bǔ)償電容CF的計(jì)算來(lái)使得電路更加穩(wěn)定，利用式（12）可完成CF的取值。

計(jì)算可得CF 取值為3.3 pF。圖4 中的C2即為補(bǔ)償電容。

2.1.2 電壓放大電路

跨阻放大電路在帶寬合適的情況下增益不能過(guò)大，因此輸出的電壓脈沖信號(hào)幅值依然不滿足時(shí)刻鑒別的幅度要求，需要利用電壓放大電路對(duì)其進(jìn)一步放大以達(dá)到時(shí)刻鑒別要求。

采用TI 公司生產(chǎn)的運(yùn)算放大器OPA695 為此部分電路的核心芯片， 設(shè)計(jì)了一個(gè)增益為20 dB 電壓放大電路。利用TINA-TI 軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的微弱信號(hào)探測(cè)模塊電路進(jìn)行仿真，利用電流信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)來(lái)模擬MPPC 接收到的脈沖回波信號(hào)，整體電路仿真圖如圖4 所示。通過(guò)調(diào)整放大電路的反饋電阻RF和補(bǔ)償電阻RG來(lái)調(diào)整電路的增益，這兩個(gè)電阻分別對(duì)應(yīng)圖4 中的R7和R8。

圖4 微弱信號(hào)探測(cè)模塊整體仿真圖Fig.4 Simulation diagram of the weak signal detection module

圖5 為微弱信號(hào)探測(cè)模塊的仿真交流特性曲線。曲線中看到該電路在75～88 MHz 帶寬內(nèi)增益可達(dá)大約74 dB。圖6 為微弱信號(hào)探測(cè)模塊電路的瞬時(shí)響應(yīng)。

圖5 微弱信號(hào)探測(cè)模塊交流特性曲線Fig.5 AC characteristic curve of weak signal detection module

圖6 微弱信號(hào)探測(cè)模塊電路仿真瞬時(shí)響應(yīng)Fig.6 Simulation transient response of weak signal detection module

可得結(jié)論，該電路將輸入電流5.22 μA 轉(zhuǎn)化為約33 mV 的電壓。

2.2 時(shí)刻鑒別模塊

回波激光脈沖在被探測(cè)器接收到后要產(chǎn)生計(jì)時(shí)停止信號(hào)以使得后端計(jì)時(shí)芯片停止計(jì)時(shí)，此模塊就是為實(shí)現(xiàn)此功能的。

此模塊采用TI 公司出品的微型封裝高速電壓比較器TLV3501 來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)刻鑒別的功能，此比較器具有4.5 ns 的低時(shí)間延遲，在2.7 V～5.5 V 的電壓范圍內(nèi)工作。超軌輸入共模范圍可以使其應(yīng)用在低電壓比較的應(yīng)用場(chǎng)合，該比較器可直接輸出CMOS 或TTL 邏輯電平。

整體電路仿真原理如圖7 所示。為了選取合適的閾值電壓， 在前兩級(jí)放大輸出的信號(hào)上利用5 V電源、R11和R6疊加200 mV 的直流電壓， 電路中設(shè)置閾值電壓為250 mV，電路輸出3.3 V 的CMOS 邏輯電平。

圖7 整體電路仿真圖Fig.7 Simulation diagram of overall circuit

3 電路仿真與分析

對(duì)所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析，仿真結(jié)果如圖8 所示。IG1 為電流發(fā)生器向系統(tǒng)輸入的5.22 μA脈沖電流，CMP_OUT 為電路輸出幅值為3.3 V 的CMOS 邏輯電平， 從仿真圖中可看到整體電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)高電平時(shí)間10 ns 的微小脈沖的鑒別和探測(cè)。

圖8 電路瞬時(shí)響應(yīng)仿真曲線圖Fig.8 Transient response simulation curve of circuit

從圖中可看到輸出信號(hào)較輸入信號(hào)有約9 ns的延遲，可在最終計(jì)時(shí)結(jié)果中將這9 ns 的延遲當(dāng)作系統(tǒng)誤差消除。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)以MPPC 為探測(cè)器的脈沖式激光雷達(dá)信號(hào)讀出電路。該電路可實(shí)現(xiàn)對(duì)150～200 m處的回波信號(hào)的有效探測(cè)、且脈沖激光器發(fā)射功率僅需100 mW。將此激光脈沖信號(hào)讀出電路進(jìn)行仿真分析，通過(guò)仿真分析結(jié)果可得結(jié)論：所設(shè)計(jì)電路可以滿足上述指標(biāo)要求，即能夠?qū)夭}沖進(jìn)行有效地探測(cè)和識(shí)別。