高灵敏度脉冲式激光接收电路设计

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1、高灵敏度脉冲式激光接收电路设计摘要：根据光电雪崩管（APD）的工作条件，设计了一种脉冲式激光测距接收电路。该电路利用环境温度以及噪声控制APD工作偏压，提高电路信噪比；采用近程增益抑制电路，解决了放大器堵塞和近距离大气后向散射干扰的问题；通过APD保护电路，降低了APD的损坏风险；最后结合软件算法设计使激光接收电路的最小探测功率达到5nODEL521-5-M。它的主要优点是高可靠性，较小的质量和外型尺寸，内部噪声电平小。其中光电探测器的偏压值大小根据单管特性及环境温度设置[2]。由于探测器供电电流恒定且电流小，为提高探测灵

2、敏度，减少探测器内置前置放大器供电电源噪声，采用阻容滤波方式既抑制了噪声，减少了电源芯片数量与电路体积，又降低了电路成本。　　2.1.2APD偏压控制　　设计原理框图如图1所示。激光回波进入APD，由主放大器放大输出后分两路进入高速比较器，一路为噪声阈值电路，其输出和自动温度控制电路输出一起控制APD偏置电压，使光电探测器能够工作在最佳工作偏压下，获得较高的灵敏度和恒定的虚警率；而另一路为信号阈值电路，经整形电路整形输出至信号处理。　　2.1.3APD保护　　APD灵敏度越高，损坏的机率越高，直射或近距离强反射激光脉冲容易

3、造成APD的损坏。APD集成了感光器件与前置放大器。本激光测距机，激光发射脉冲约15ns，各界面反、散射的激光脉冲能量对感光器件的作用时间极短，达不到APD感光器件的损伤阈值，受损机率较大的一般是前置放大器[2]。为避免APD的损坏，应对APD前放电源进行时序控制，其工作原理如下：　　如图1所示，同步信号为APD前置放大器电源延迟信号，在激光发射前将APD前放电源电压降至低于1V，使前放停止工作，发射激光后（同步信号控制），电源电压逐渐恢复到正常工作电压，变化过程如图2所示。　　2.2放大电路　　主放大器采用AD公司的双路

4、放大器AD600。该器件具有低噪声、可变增益、高速等优点。它的低噪声特性非常适合激光接收增益放大电路。　　2.2.1放大器带宽　　激光器发射脉冲脉宽约15ns，上升沿约5ns，而回波的脉冲宽度会展宽，一般在30ns以上，上升沿10ns以上，根据公式[3-1]设计带宽[6]：　　式中，tr为回波脉冲的上升沿。为保证测距精度，电路设计带宽取50MHz。　　2.2.2放大器增益　　放大器增益由雪崩管前放输出的最小可识别信号幅度与整形电路的阈值电压决定。而最小可识别信号取决于噪声电平，其噪声包括雪崩管前放固有噪声和背景辐射引起的噪

5、声。　　雪崩管前放固有噪�：　　雪崩管前放的噪声等效功率NEP典型值为50f-雪崩管倍增因子，取120。　　K-空穴电离率对电子电力率之比取0.01；　　R0-倍增因子为1时，雪崩管响应度，取0.15A/Hz；　　Pbgr-晴朗天空环境下背景辐射，约9.6×10-10W。　　则An22为0.63×10-16A2。　　由于雪崩管前放传输系数约为0.8×104V/A，输出相应的噪声电压为1.05×10-5V。　　输出总噪声电压根据公式[3-3]计算得为5.6×10-5V。　　为使探测率达到90%以上，要求信号对均方根噪声比达到

6、6左右。因此雪崩管前放组件输出最小可探测信号为：3.36×10-4V。　　设整形电路阈值为0.38V，要求放大器增益为1130倍。　　2.2.3近程增益抑制　　在激光发射瞬间，由于近程大气后向散射的激光能量相对于回波脉冲能量较大，如保持放大增益不变，会造成放大器堵塞从而不能正常测距。为解决这一问题，在激光发射瞬间，通过TPG信号控制主放大器增益，如图3所示。