吴培华 杨雄 曹春雨

【摘 要】针对窄脉冲激光信号的特性，对窄脉冲激光信号接收电路设计进行了详细分析，包括光電二极管的偏置电压对检测电路的影响，光电转换方式对信号带宽的影响等。采用前置放大器和二级放大器两部分放大电路，通过优化电路参数设计提高了探测系统信噪比，为光电检测电路设计提供了有效的设计方法。

【关键词】窄脉冲激光;PIN光电二极管;放大电路

1 引言

随着激光技术的发展，激光探测技术由于其对目标有较好的角分辨率、速度分辨率、距离分辨率和抗干扰能力强得到广泛的应用[1]。在激光探测系统中采用最多的是脉冲信号体制，脉冲激光作用距离越远，受环境因素的影响就越大，接收到的回波信号也就越弱，这就对接收探测电路设计提出了较高的要求。本文针对窄脉冲激光探测器的接收电路要求，采用前置放大和二级放大两部分电路，通过优化各级放大的放大倍数和级间匹配，实现窄脉冲激光回波信号高增益放大。

2 接收电路设计

2.1前置放大器设计

2.1.1探测器选型

光电探测器是探测系统的核心器件，利用光电效应把入射的光信号转换为电信号，其质量对光电探测电路的设计和性能改善具有重要的意义。因此在脉冲激光探测电路中，如何选取光电探测器十分重要。目前，在光电探测领域，APD和PIN探测器由于其灵敏度高、响应快且体积小而得到广泛应用。

APD探测器是一种具有内增益的光生伏特器件，利用光生载流子在强电场内的定向运动产生雪崩效应，以获得光电流增益[2]。但APD探测器工作偏压较高，而且往往需要根据环境温度调整探测器的偏压，所以电路设计较为复杂。

PIN探测器与普通的PN结光电二极管一样，都是基于光生伏特效应工作的。所不同的是，PIN的结构在P型半导体和N型半导体中间夹了一层本征半导体，增大了耗尽区的宽度，缩短了载流子的扩散过程，减小了结电容，使得响应速度提高，其结构示意图如图1所示。PIN探测器虽然测量微弱光信号能力较差，但相比APD具有响应度高、功耗小、暗电流小、偏置电路设计简单、线性输出范围宽、受温度影响小的优点，能够满足设计要求，所以本文选用PIN探测器。

图2为PIN探测器的电路模型。

图2中：

Ip：光电流;

Rin：前放输入电阻;

Cin：前放输入电容;

RD：分流电阻;

CD：结电容;

RS：串联电阻;

RL：负载电阻;

D：二极管PN结。

理想模型中，PIN探测器的分流电阻无穷大，而在实际器件的分流电阻阻值为10Ω～1000MΩ，无偏压条件下，分流电阻决定了PIN探测器的噪声电流。串联电阻是由接触电阻和非耗尽区的电阻产生，可表示为：

PIN探测器结电容CD的大小决定了光电二极管的反应速度、噪声增益等性能指标，结电容越大，探测器工作带宽越小，对窄脉冲的响应就越差。可近似表示为：

由式可知，结电容大小与PIN光电二极管的反向偏压有关，偏置电压越大，结电容越小，关系如图3所示。

PIN探测器的截止频率?c，可近似表示为：

由上式可知，探测器截止频率与探测器的负载电阻有关，负载电阻越大，截止频率越小。

PIN探测器的响应度是指在单位光功率的光子入射下，探测器所能产生的电流，通过量子理论可知，其输出电流公式表示为：

通过上式可以计算出在一定条件下光电二极管的输出电流，但在实际应用中需注意，每个光电二极管都有饱和输出电流，即在光照强度达到一定程度后光电反应达到饱和状态后，输出电流不再增大。

PIN探测器的暗电流则是指在没有光照条件下，光电二极管加上反偏电压时由于热效应而产生的微弱电流。其大小主要取决于加工工艺、温度和PN结的结构等。

2.1.2偏置和前置放大电路设计

光电二极管存在两种主要的光探测方式：一种是光电导模式，必须在外加偏压下才能正常工作，存在暗电流，因此产生较大的电流噪声，非线性输出，主要在高速光电转换中应用;第二种是光伏模式，可以不加偏压，其开路电压反映了光辐射的信号，不存在暗电流，噪声较小，线性较好，主要用于精确测量场合。由于光电探测器存在结电容，结电容过大会降低探测电路的带宽，而外加偏置电压可减小探测器结电容，因此本文采用光电导模式。

前置放大器是紧随光电探测器之后的第一级放大器，其性能直接影响整个激光接收器的性能好坏。光信号经过PIN光电探测器后转换成一个电流脉冲信号，此脉冲信号十分微弱，前置放大器将此电流脉冲信号进行放大并转换为电压信号。然而在进行放大的过程中，会引入很大的噪声，使得信号失真，信噪比较差，甚至会淹没信号。因此放大器需要选择低噪声放大器，并要保证较高的带宽。

前置放大器采用跨阻放大电路设计，其原理图如图4所示。

恒压源经过一个串联的负载电阻产生PIN所需要的恒流偏置，负载电阻RL的阻值远大于探测器内阻。探测器输出的交流信号通过串联电容C0耦合到前置放大器的输入端。串联电容C0可有效抑制阳光和背景光，跨接电容C?可以有效减小起伏电路噪声的影响，同时可以避免由频率响应带来信号失真和限制探测器由于温度变化引起输出电压峰值过大而导致信号饱和。前置放大电路的输出信号可表示为：

在小信号情况下，前置放大器的增益A可近似表示为：

由于在光电探测器中存在极间分布电容，放大器也存在输入电容，并且光电探测器和放大器都存在极间分布电容，这些电容加在一起形成的总电容用CS表示，CS与反馈电阻Rf组成一个滞后网络，引起输出电压相位滞后，易使放大器产生自激振荡。光电二极管的结电容CD是影响放大器带宽的因素之一，跨阻放大器的带宽可近似表示为：

GBP为放大器的增益带宽乘积。

对于一个放大器而言，增益帶宽乘积是固定不变的，若电路中R?阻值选取过大，其带宽就会下降，同时R?和CS引入的附加滞后相位会引起寄生振荡，探测电路就会产生严重的稳定性问题，若选取的R?阻值过小，则会影响电路增益，信噪比降低。此时需要在R?上并接一个电容C?进行相位补偿，提高电路稳定性，其大小可近似表示为：

光电探测放大电路的设计流程如下：

（1）根据探测激光的脉冲宽度计算信号带宽;

（2）选择放大器，应该具备足够的带宽及低噪声;

（3）根据所选放大器带宽和信号带宽计算反馈电阻;

（4）根据光电二极管结电容、放大器带宽和反馈电阻计算补充电容大小。

系统发射的激光信号脉宽为40ns，脉冲上升沿和下降沿时间为20ns，其信号带宽计算公式如下：

Tr为上升沿时间，可计算得到信号带宽为17.5MHz，因此设计的前置放大器带宽应满足大于等于17.5MHz。本文前置放大电路所使用的放大器LT6230的增益带宽乘积为1450MHz，共模抑制比为115dB，噪声为1.1nV/√Hz，探测器结电容为40pF。通过参数的优化设计，反馈电阻Rf设为56kΩ，电容C?设为10pF，得出前置放大器的带宽?-3dB约为20MHz，其闭环带宽能够满足对窄脉冲激光探测的要求。本文设计偏置和前置放大电路原理图如图5所示，

2.2二级放大器设计

通过光电二极管接收到的信号经过前置放大器之后的输出信号通常在几十毫伏左右，而系统后端的数字电路中的判决电路需要稳定在几百毫伏电压幅度的大信号，因此要在前置放大器后加上一个二级放大器来提供较大的电压增益，并且提供低抖动的恒定电压幅度。

在二级放大器的设计中，带宽和增益是二级放大器设计的重要指标，足够大的增益能将不同幅度的输入信号放大到一个恒定的幅度。本文设计的二级放大器采用高速低噪声电压反馈放大器LM6172，其摆率可达3000V/μs，单位增益带宽可达100MHz，参数如图6所示，二级放大器电路原理图如图7所示。

3 电源滤波及布局走线

在接收放大电路设计过程中除了要选择参数合适的放大器外，还要注意对信号测量能够产生影响的其他因素，如电源纹波干扰、电磁辐射与干扰等，因此设计人员要通过优化设计来减少外部因素对接收放大电路中信号提取与测量的干扰[3]。

为了改善通带内信号质量，在电路设计过程中增加滤波电路，降低通带外部的干扰;采用集成电源模块，增加电路电源的稳定性，并在外部设计可实现电源纹波滤波去耦的外围电路，提高电路中微弱信号的检测能力，电源滤波电路图如图8所示。

最后，通过良好的布局布线与接地设计，可以增加屏蔽效果。以此减小外部因素对信号检测的干扰。

4 实物电路测试

根据本文讨论的接收放大电路设计方法研制的收发组件和二级放大器电路板三维模型如图9所示，本文设计的窄脉冲激光接收放大电路使用的光电探测器光敏面积为20mm2，前置放大器直接焊接在PIN探测器的后端，再接到二级放大电路板上。

通过实物电路测试，输入脉冲信号如图10（a）所示，二级放大器得到的输出信号如图10（b）所示，可以看出，输入信号被放大了约6倍左右，能够满足系统后端的数字电路中的判决电路所需的电压幅度要求。

通过某激光探测装置室外单机性能测试，得到的回波信号如图11所示，结果表明该激光探测装置对窄脉冲激光信号具有良好的探测性能，从而验证了本设计方法的有效性。

5 结论

本文根据窄脉冲激光信号的特点，研究了光电二极管的选型，分析了光电二极管参数模型和接收放大电路参数模型，并对接收放大电路的参数设计进行了详细分析，通过优化负载电阻、补偿电容参数，有效提高系统信噪比，实现了窄脉冲激光回波信号的接收和放大。通过实物测试充分验证了本设计方法的有效性，该设计方法可适用于不同参数脉冲激光探测系统的设计，具有一定的参考价值。

参考文献：

[1]一种双色激光接收放大电路设计，王帅涛，霍力君，梅浩，2017，中国空空导弹研究院

[2]光电子技术，潘英俊，邹建，林晓钢，2010，重庆大学出版社

[3]光电检测电路的设计与研究，肖玲，李永明，2019，科技风

（作者单位：贵州航天电子科技有限公司）