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一种窄脉冲激光信号接收电路设计

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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