【文章內(nèi)容簡介】 實際的要求。 18 4 光信號的接收模塊的設(shè)計及研制 設(shè)計思路 本設(shè)計 使用的是發(fā)射波長為 850nm的紅外激光二極管，為 獲得最大的信噪比，必須使用對這一波長響應(yīng)度較高的 APD（雪崩光電二極管）來接收返回的光信號，并且對信號進行放大和整形，從中提取出有用信號來作為脈沖計數(shù)單元的觸發(fā)信號。實現(xiàn)的原理框圖如 圖 所示。 圖 信號的接受流程圖 器件選型 本設(shè)計使用的主要器件有 APD，前置放大芯片，高速比較器等。 光電探測器件 1. 光探測器件的性能介紹 光電探測器件是接收電路模塊的一個重要器件，我們在選擇器件必須考慮到它的光譜 響 應(yīng)度、響應(yīng)時間、探測度（所能探測到的最小能量）。 一 . 光譜 響 應(yīng)度 光譜 響 應(yīng)度是光電探測器的基本性能之一，它表征光電探測器對不同長入射輻射的響應(yīng)。光電探測器的光譜響應(yīng)特性有明顯的選擇性。圖 顯示的是一般硅、鍺光電二極管的光譜響應(yīng)特性。 19 圖 典型硅、鍺光電二極管的光譜響應(yīng)特性 從圖 可以看出硅型和鍺型的光電二極管在相對靈敏度上，對波長有著明顯的選擇性。 光譜響應(yīng)度是光電探測器對單色入射輻射的響應(yīng)能力。電壓光譜響應(yīng)度 RV（λ）定義為在波長λ的單位入射輻射功率下照射下，光電探測器的信號電壓，表達式如下： )P( )V()(RV ??? ? （ ） 而光電探測器在波長為λ的單位入射輻射功率作用下，器件輸出的光電流叫做探測器的電流光譜響應(yīng)度，表達式如下： )P( )I()(RI ??? ? （ ） 式（ ）和（ ）中， P（λ）為波長為λ時的入射光功率； V（λ）為光電探測器在入射功率為 P（λ）作用下的輸出信號電壓； I（λ）為用電流表示的輸出信號電流。 二 . 響應(yīng)時間 光電探測器輸出的電信號在時間上落后于作用在其上的光信號，即光電探測器的輸出相對于輸入的光信號要發(fā)生時間軸上的擴展。這種擴展可以用時間響應(yīng)來描述。光電探測器的這種響應(yīng)落后的特性成為惰性。由于惰性的存在，會使先后作用的信號發(fā)生相互混疊。 表示時間響應(yīng)特性主要有兩種方法 :脈沖響應(yīng)特性法和幅頻特性法。 20 1. 脈 沖響應(yīng) 響應(yīng)落后于作用信號的現(xiàn)象稱為弛豫。對于信號開始作用時的弛豫稱為起始弛豫；信號停止作用時的弛豫稱為衰減弛豫。對于雪崩二極管、光電二極管這一類響應(yīng)速度快的探測器件，起始弛豫為響應(yīng)從穩(wěn)定值的 10%上升到穩(wěn)定值的 90%所需要的時間。 2. 幅頻特性 由于光電探測器件惰性的存在，使得其響應(yīng)度不僅與入射的波長有關(guān)，而且還是入射輻射調(diào)制頻率的函數(shù)。這種函數(shù)關(guān)系還與入射光強信號的波形有關(guān)。通常定義光電探測器對正弦信號的響應(yīng)幅度值同調(diào)制頻率間的關(guān)系為它的幅頻特性。 歸一化幅值特性 為 ）（）（ ??? ?? OVA （ ） 式中ω =2π f 為調(diào)制圓頻率； f為調(diào)制頻率；τ為響應(yīng)時間。 在實驗中可以測得探測器的輸出電壓 V（ω）為 ）（）（ ??? ?? OVV （ ） 式中， VO為探測器的入射光調(diào)制頻率為零時的輸出電壓。這樣，如果知道調(diào)制頻率為 f1時的輸出電壓為 V和調(diào)制頻率為 f2時的輸出電壓 V2，就可以確定響應(yīng)時間 為 ? 為 211222222)()(21 1 fVfVVV??? ?? （ ） 三 . 探測度 探測度是衡量光電探測器對于微弱信號的極限探測能力的一個重要的指標(biāo)。這一性能指標(biāo)對光電探測器在微弱探測具有重要的意義。 探測度這一參數(shù)最初是從等效功率 NEP 引出的。 NEP 的定義：當(dāng)探測器輸出的基頻信號電壓的有效值 VN等于噪聲均方根電壓 Vn時，投射到探測器上的已調(diào)制輻射功率 PN（基頻分量的均方值），稱為光電探測器的噪聲等效功率。其表達式為 nSSVV PNEP /? （ ） 式 中 NEP 的單位為 ? 。 21 噪聲等效功率有稱為最小可測功率，因此光電探測器的 NEP值越小，其探測能力越強。但是人們利用 NEP 的倒數(shù) 探測度 D 來定義，其表達式為 SnSPVVNE PD /1 ?? （ ） 探測度 D 可 理解為每單位（瓦）輻射功率照射在探測器上得到的信噪比。 D越大，表明探測器的能力越強， D的單位為 W1。 理論和實踐表明，噪聲的等效功率與探測器的光敏面積 Ad，和測量系統(tǒng)的帶寬Δ f乘積的平方根成正比。即 )( fANEP d?? () 即 常數(shù)?? )( fAD d () 式 中 Ad為光敏面的面積，單位為 cm2；Δ f 為測量系統(tǒng)的帶寬，單位為 Hz。為了消除光敏面積和測量系統(tǒng)帶寬的影響，便于對不同類別的探測器進行比較，又引入了歸一化探測度 D*(比探測度 )，其表達式為 )(/)(* fAP VVNE PfAD dSnSd ???? （ ） D*的單位是 。它表示探測器接收面積為 1 cm2，工作帶寬為 1Hz時，在單位入射輻射功率 照射下所輸出的信噪比。 2. 器件的選用 雪崩光電二極管目前經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，諸如激光測距、光子相關(guān)性研究、光電探測等等。 雪崩光電二極管是利用 PN 結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。這種管子具有普通硅光電二極管 PIN光電二極管所沒有的內(nèi)增益光伏特性，而在光電探測系統(tǒng)中，大多數(shù)是對微弱信號的檢測，采用內(nèi)增益的光探測器有助于對微弱信號的探測。雪崩二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測器件。它是利用光生載流子在高電場區(qū)的雪崩效應(yīng)而獲得光電流的增益的，它具有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點。 雪崩光電二極管的反相 工作偏壓通常略低于 PN結(jié)的擊穿電壓。無光照時，PN 結(jié)不會發(fā)生雪崩效應(yīng) 。只有當(dāng)外界有光照時，激發(fā)出的光生載流子才能引起22 雪崩效應(yīng)。若反相偏壓超過器件的擊穿電壓時，器件將無法工作，甚至燒毀。 （ 1） 雪崩光電二極管的結(jié)構(gòu) 理想的 APD 應(yīng)是沒有暗噪聲與 過剩噪聲， 具有 寬的光譜與頻率響應(yīng)，增益的范圍 達 106或更多。 簡單地說，一個理想的 APD 是一個具有增益功能的 PIN 光電二極管。然而在實際中是很難實現(xiàn)的，因此需要平衡 、 折中 相矛盾的設(shè)計需求，以實現(xiàn) 商用 APD 上 最優(yōu)化。 APD設(shè)計者設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)包括一個吸收區(qū) A和一個倍增區(qū) M。在 A 區(qū)中存在電場 E，用來分離光子產(chǎn)生的空穴和電子，并將其中一種搬運到倍增區(qū)。設(shè)計倍增區(qū) M 的目的是為了產(chǎn)生一個高的電場，以通過碰撞電離使內(nèi)部光 電流得到增益。倍增區(qū) M 必須足夠?qū)捯蕴峁┯杏玫脑鲆?。對?APD而 言至少要 100，而鍺和 InGaAs APD 其增益 在 1040 之間。另外，在場強低于二極管擊穿電場強度時，倍增區(qū)的表面電場必須實現(xiàn)有效的增益。 （ 2） 性能參數(shù) APD 與 PIN 光電二級管不同的地方是能提供內(nèi)部光電子信號增益。因此輸出的電流信號 Is=MR0(I) PS，其中 R0(I)是增益和波長都等于 I 時 APD 的固有響應(yīng)度， M是 APD 的增益， PS是相應(yīng)的光功率。增益是 APD 反向電壓 VR的方程，并隨著偏置電壓的改變而改變。 探測器的光譜噪聲是考慮選擇 APD 的一個關(guān)鍵的參數(shù)。和其它探測器一樣，APD 通常工作在兩個噪聲抑制探測區(qū)域中的一個?；蛘咛綔y器噪聲在低壓條件下受到抑制，或者光子散粒噪聲在高壓下受到抑制。由于 APD被設(shè)計為在電壓反向偏置的條件下工作，在弱光條件下，它的靈敏度會受到散粒噪聲和 APD 漏電流的限制。散粒噪聲來源于暗電流 ID（或信號電流）漲落的隨機統(tǒng)計分布。 PIN 探測器的暗電流或散粒噪聲 IN(SHOT)通常 由 IN(SHOT)=(2qBID)，式中 B是系統(tǒng)帶寬。由于體漏電流 IDM在 M區(qū)得到增益放大。因此總的漏電流 ID為 ID=IDS+IDBM （ ） 式中 IDS是表面漏電流。另外，雪崩過程在總體上會產(chǎn)生電流的波動，與 PIN相比 APD 的性能會由于過剩噪聲系數(shù) (F)而降低。 在無光照的情況下， APD 總的光譜噪聲電流表達式如式（ ）所示： iN=[2q(IDS+IDBM2F)B] （ ） 式中 q為單位電荷。 23 在較強的光信 號作用下，探測器轉(zhuǎn)換為光子散粒噪聲抑制系統(tǒng)。此時依附于光生電流的光子散粒噪聲限制了靈敏度。光照條件下 APD 總的噪聲等于探測器噪聲和信號散粒噪聲的二次方的和。當(dāng)給出光信號功率 值 時， 總噪聲 表達式 為 iN(TOTAL)=[2q(IDS+(IDBM2+R(i)M2PS)B) () 在沒有其它噪聲源和相同量子效率的情況下， APD 的信噪比 ((SNR)比 PIN 探測器要低 。然而 APD 比起 PIN 探測器能使整個系統(tǒng)有更好的信噪比，因為信號在 APD 的內(nèi)部得到增益，而不會明顯地 影響到總的系統(tǒng)噪聲。 噪聲當(dāng)量不能作為探測器相關(guān)性能的唯一參數(shù)，而要根據(jù)探測器在特定波長和帶寬下的信噪比來判斷探測器類型在應(yīng)用中是否為最合適的。值得注意的是最合適的性噪比產(chǎn)生于增益區(qū) M，在增益區(qū) M總的探測噪聲等于放大器或負(fù)載電阻的輸入噪聲。最合適的增益部分取決于 APD 的過剩噪聲系數(shù) F。而且有一定的范圍，硅 APD 增益的范圍是從 100 到 1000，而 Ge 和 InGaAs APD 的增益是從 30到40。 APD 通常被用在高帶寬或需要用內(nèi)部增益來克服前置放大噪聲的應(yīng)用場合。下面 為 選擇 APD 所要遵循的幾點要求，根據(jù)這幾點可 以決定一個 APD是否最適合某個光探測的需求。 a 確定所覆蓋的波長范圍。決定適用于 該 波長范圍的 APD 類型。 b 確定能用于光學(xué)系統(tǒng)中的探測器的最小尺寸。比起用過大的 PIN 或雪 崩光電管，優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)性能經(jīng)常更加有效。 c 確定系統(tǒng)的電頻率帶寬需求，需強調(diào)的是超過指定帶寬的范圍將會降低系統(tǒng)的信噪比。 (3)光探測器件的最終選擇 對于波長 850nm 紅外光信號，使用對該波長響應(yīng)度比較高的 SiAPD 作為接收器件?？紤]要接收的光信號的能量的大小 (根據(jù) 109 W),而目前最新的 噪聲相當(dāng)能量 NEP1015W/，以 10KHz 工作帶寬來說，可以接收到的最小能量至少為 1013W。超過本系統(tǒng)理論上需要接收的光能量的兩個量級，滿足本設(shè)計的要求。最終選擇 SPD052 這一款 SiAPD。 其光電響應(yīng)特性是 ，暗電流小于 100nA，響應(yīng)時間小于 l0ns，反向工作電壓275425V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。 24 前置放大器 （ 1） 放大器的選擇 對于一個放大器如何選用，主要考慮它的帶寬，輸入阻抗和放大倍數(shù)。 頻帶寬度 : 由第三章的實驗驗證結(jié)果可知，回波光脈沖的脈寬為 34ns，由此可以知道選擇的放大器的帶寬不能小于 35MHz，否則放大后的波形會出現(xiàn)失真，造成測量上的誤差。 對于脈沖信號，其主要頻譜能量集中在Δ f=01/τ以內(nèi) (τ為脈沖寬度 )。在許多系統(tǒng)中 (如光譜測量，光電跟蹤 )并不要求嚴(yán)格保持脈沖信號的形狀，所以為了得到好的信噪比而犧牲高頻分量。但在有的系統(tǒng)中 (如脈沖激光測距，掃描成像 )，要保持脈沖形狀不失真或失真很小，這就要能通過高頻分量。 放大器對矩形脈沖的響應(yīng)特性與放大器的帶寬有關(guān)。脈沖寬度越窄，要求放大器的帶寬越寬，否則矩形脈沖將會被展寬，其幅度也會隨之下降。由于輸 出噪聲功率與帶寬線性增加，因而有一最佳帶寬。脈沖峰值功率與噪聲功率之比最大。對于矩形脈沖，當(dāng) Δ = () 時，就出現(xiàn)最大值，而對于其他各脈沖來說，獲得信噪比的帶寬都在Δ = 的范圍內(nèi)。 當(dāng)要求保持脈沖的形狀時，帶寬要求更寬一些。如圖 所示，對于矩形脈沖取 : Δ =4 時，才能保持脈沖形狀。而在Δ 之后輸出的峰值幅度已經(jīng)基本不變。所以從信噪比出發(fā)， Δ 左右。 輸入阻抗 : 放大器的輸入阻抗越大越好，輸入阻抗越高，驅(qū)動這一級放大器所需要的電流就越小，當(dāng)輸入阻抗非常高時，則幾乎不會消耗信號電流就可以驅(qū)動這一級工作電路。由于我們項目的能耗限制，低電流工作有利于降低我們的功耗。 25 圖 矩形脈沖通過圖中所示帶寬的網(wǎng)絡(luò)后的形狀和幅度 放大倍數(shù) : 我們的放大倍數(shù)是由接收到返回脈沖的能量來決定的。接收到的能量取決于發(fā)射光的能量，大氣損耗，反射面的反射特性，光斑大小，接收面的大小，光電轉(zhuǎn)換器件的轉(zhuǎn)換效率等諸多因素。 圖 理想化的接受光路 圖 圖 顯示的是，光信號的接收示意圖。我們假設(shè)激光管的發(fā)射功率為 E,測距距離為 L，光斑大小在測距達到一定距離可 看作點光源 ，接收面的半徑為 r，反射面的反射率為σ且為蘭伯特面，發(fā)射光路的透過率為 T1，接收光路的透過率為 T2,且假設(shè)反射體反射面面積大于光斑面積，不考慮大氣吸收，則 : 接收到的光能量 : 2122421 TTLrEEr ?????? ??? () 26 若