【正文】 D 對 900nm 的紅外光的轉(zhuǎn)換率η為 ,APD 的輸出電壓為 : Vout=Erxη ==(V) () 根據(jù)計算結果來決定放大器使用的放大倍數(shù)。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。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。所以從信噪比出發(fā)， Δ 左右。如圖 所示，對于矩形脈沖取 : Δ =4 時，才能保持脈沖形狀。對于矩形脈沖，當 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)。由于輸 出噪聲功率與帶寬線性增加，因而有一最佳帶寬。 放大器對矩形脈沖的響應特性與放大器的帶寬有關。在許多系統(tǒng)中 (如光譜測量，光電跟蹤 )并不要求嚴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。 頻帶寬度 : 由第三章的實驗驗證結果可知，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。 其光電響應特性是 ，暗電流小于 100nA，響應時間小于 l0ns，反向工作電壓275425V 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。超過本系統(tǒng)理論上需要接收的光能量的兩個量級，滿足本設計的要求。 (3)光探測器件的最終選擇 對于波長 850nm 紅外光信號，使用對該波長響應度比較高的 SiAPD 作為接收器件。比起用過大的 PIN 或雪 崩光電管，優(yōu)化光學系統(tǒng)性能經(jīng)常更加有效。決定適用于 該 波長范圍的 APD 類型。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。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。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載電阻的輸入噪聲。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。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。 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)。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。由于體漏電流 IDM在 M區(qū)得到增益放大。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?；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。 探測器的光譜噪聲是考慮選擇 APD 的一個關鍵的參數(shù)。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 的固有響應度， M是 APD 的增益， PS是相應的光功率。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。倍增區(qū) M 必須足夠?qū)捯蕴峁┯杏玫脑鲆?。?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)。然而在實際中是很難實現(xiàn)的，因此需要平衡 、 折中 相矛盾的設計需求，以實現(xiàn) 商用 APD 上 最優(yōu)化。 （ 1） 雪崩光電二極管的結構 理想的 APD 應是沒有暗噪聲與 過剩噪聲， 具有 寬的光譜與頻率響應，增益的范圍 達 106或更多。只有當外界有光照時，激發(fā)出的光生載流子才能引起22 雪崩效應。 雪崩光電二極管的反相 工作偏壓通常略低于 PN結的擊穿電壓。雪崩二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測器件。 雪崩光電二極管是利用 PN 結在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應來工作的一種二極管。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。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。 D越大，表明探測器的能力越強， D的單位為 W1。 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。 NEP 的定義：當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。這一性能指標對光電探測器在微弱探測具有重要的意義。 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。通常定義光電探測器對正弦信號的響應幅度值同調(diào)制頻率間的關系為它的幅頻特性。 2. 幅頻特性 由于光電探測器件惰性的存在，使得其響應度不僅與入射的波長有關，而且還是入射輻射調(diào)制頻率的函數(shù)。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。 表示時間響應特性主要有兩種方法 :脈沖響應特性法和幅頻特性法。光電探測器的這種響應落后的特性成為惰性。 二 . 響應時間 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。 光譜響應度是光電探測器對單色入射輻射的響應能力。圖 顯示的是一般硅、鍺光電二極管的光譜響應特性。 一 . 光譜 響 應度 光譜 響 應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。 圖 信號的接受流程圖 器件選型 本設計使用的主要器件有 APD，前置放大芯片，高速比較器等。 18 4 光信號的接收模塊的設計及研制 設計思路 本設計 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。通過高性能驅(qū)動芯片 MIC4452 以同樣的頻率和占空比去驅(qū)動SPLLL85。 本章小節(jié) 本章研究的是測距機的激光發(fā)射模塊，根據(jù)項目的具體要求提出了自己的方案。采用的 示波器為 是 Tektronix Inc. TDS5000 系列數(shù)字示波器， 其 采樣率為 1GHz。 故又 采用 。 性能測試與分析 完成了電路的設計，我們來對電路的功能進行驗證。 為了盡量減小 PCB 板的尺寸，我們所有的元器件都采用貼片封裝（電阻和電容采用 0805 或 0604， MIC4452 采用 SO8, SPLLL85 根據(jù)尺寸自定義）。 16 圖 555 時鐘發(fā)生電路 圖 脈沖信號的驅(qū)動電路 圖 是利用 555 多協(xié)振蕩器來產(chǎn)生所需的時鐘信號，我們需要的周期和占空比可根據(jù)式（ ）和（ ），來改變兩個電阻和電容的值來調(diào)節(jié)。（實際過程中， CPLD各個器件的延時是不一樣的，因此在實際的使用時還需要改進，直到符合我們的要求為止。在本設計中主要是利用系統(tǒng)核心計數(shù)單元的 CPLD 來精確的調(diào)節(jié)占空比。可以產(chǎn)生 5KHz 的 TTL 時鐘信號，但是無 法達到四千分之一的占空比。 其震蕩周期 T 為 T≈ (R1+2R2)C （ ） 占空比 q為 2121 2RR RRq ??? （ ） 可以利用算出在特定輸出頻率下的連接電阻和電容的值。本設計中利用的 是它構成多諧振蕩器的功能。它是將模擬電路和數(shù)字電路相結合的中規(guī)模集成電路。最后在芯片的地端將二個地連接。 為了獲得最好的性能，邏輯電路和電源要分開接地，以免電源地上的干擾竄入邏輯電路。這對有著慢的上升沿地輸入尤其要注意。 2. 像 MIC4452 這樣的高電流容量地芯片在布板地必須十分地注意。 為了獲得一個低地供電源在寬頻范圍內(nèi)阻抗，供電旁路最好并行連接一個電容，應當使用短導線長度低自感系數(shù)地瓷片電容。這樣還可以減小內(nèi)部振鈴效應，內(nèi)部振鈴效應會 導致當負載工作在和接近最大額定電壓時電壓的崩潰。 使用應當注意的事項： 1. MIC4452 使用的對供電管腳、地端和輸出管腳進行雙綁定。 以下是它的一些特性： ■ BICOMS/DMOS 架構 ■ 匹配的上升和下降時間 （ 25ns） ■ 高峰值電流輸出（ 15A） ■ 寬電壓操作范圍（ 18V） ■ 高容性負載驅(qū)動能力（ 62021pF） ■ 低延時特性（ 30ns） ■ 低供電電流（ 450μ A） ■ 低輸出阻抗（ 1Ω） 這款芯片完全可以用來驅(qū)動 OSRAM 公司生產(chǎn)的 SPLLL85 半導體激光器。 圖 MIC4454 的引腳圖 這款器件可代替三個或更多的離散器件，縮小了 PCB 板的大小，簡化了設計。它能產(chǎn)生 15A 的峰值電流輸出，能以一種改良的安全的操作極限來驅(qū)動最大 MOSFET，在沒有任何外部加速電容和電阻網(wǎng)絡的情況下能接收范圍在 到 VS內(nèi)的輸入。而且脈沖電流的脈沖寬度必須要小于激光二極管的發(fā)射光脈沖的脈寬 30ns 。 IL = fCVS （ 3. 1） 13 其中： f 工作頻率 ； C 容性負載的大小 ； VS 工作電壓。 驅(qū)動芯片 對一個大的電容負載進行沖放電需要很大的電流。 x30176。 x 30176。它的突出的優(yōu)點峰值功率較高，因此在使用中要注意安全。 SPLLL85 是 OSRAM 公司出品的一款紅外波段（ 850nm）的半導體脈沖激光器，它內(nèi)部集成驅(qū)動級。 的 測距 精度要12 求，上升沿的跳動值不能超過 4ns 。脈沖上升時間要求越短越好，且要求上升時間不能有較大的跳動。經(jīng)過分析計算（詳見第四章，放大器的選擇），要使探測器能夠接收到回波，脈沖 激光器發(fā)射的峰值功率不能夠小于 10W。 SiAPD 在可見光區(qū)的量子效率接近 100%，在近紅外區(qū)也有較高的效率，在 m 處，量子效率為 40%，并且具有較大的帶寬（ 100MHz）。 驅(qū)動芯片 激光器 圖 激光發(fā)射模塊的工作框 圖 器件選型 半導體激光器 激光 發(fā)射器件選擇在很大程度上與接收器件的性能有 關系。 實現(xiàn)方案 :首先產(chǎn)生頻率為 10KHz， %占空比的 TTL 時鐘信號提供給驅(qū)動芯片作為周期性脈沖觸發(fā)信號，讓驅(qū)動芯片以同樣的頻率去激發(fā)高性能半導體激光器，產(chǎn)生 20ns 上升沿、功率 10W 的光脈沖輸出。最后，結合本設計所涉及項目的具體要求，從測距精度、功耗、體積、應用場合和實現(xiàn)的難易度進行討論，最后得出本設計所采用的解決方案，為以后各子模塊的設計和具體實現(xiàn)提供基本的理論依據(jù)。 綜合各種激光測距方法的特點并結合項目的具體要求，脈沖激光測距法是比較合理的選擇。 通過對現(xiàn)有的測距方法的討論和分析并結合項目的具體要求， 選用 脈沖激光測距技術可以使用體積和能耗非常小的激光二極管作為探測光源進行測距 。 光學部分 也要提及一下：首先，應保證發(fā)射和接收光路 的透過率（ 85%）。其次是核心計數(shù)電路的方案自身的局限性所造成的誤差，這是可通過 改進計數(shù)方法再結合特殊的算法達到系統(tǒng)的總體要求。因為如果光脈沖的左右擺動超過 2ns，我們后面就很難把誤差控制在 。 米之內(nèi)。 項目中提出的測距精度是177。對于本項目中規(guī)定的給后續(xù)電路以足夠的幅值和盡量好的波形。接受電路模塊必須有足夠的抗干擾能力和有用信號的 提取能力，這種能力與信 噪比有關，而噪聲與 工作頻率有關。脈沖信號的上升時間不同，在邊沿觸發(fā)時，達到觸發(fā)電平的時間不同。 從測距精度來考慮，主要是信噪比和計數(shù)的精度。我們使用高頻高功率 MOSFET 管驅(qū)動脈沖 LD，可以獲得高效、高重復率、窄脈寬、大功率的紅外激光輸出。 對于典型的脈沖激光二極管，可確保安全的占空比要求小于等于 %，要求9 LD輸出 脈沖寬度為 20ns，因此重復率為 10KHz 時，其占空比為： △ =20x109x10x103= = % （ ） 該數(shù)值遠小于 %，因此實現(xiàn)脈沖 LD 頻率 10KHz 時可行的。 半導體激光器的體型較小，本課題的測程是 250 米左右，據(jù)現(xiàn)有資料報道，要想最大測程達到或超過 250 米，脈沖 LD 的功率必須大于 10W，否則，信號將淹沒在噪聲之中而難以發(fā)現(xiàn)。項目的部分要求如表 示 表 項目的部分要求 最大測程 測距精度 最大功耗 測頻 ≥ 250 米 ≤177。另一方面，要加大測距范圍，就需減小頻率惆啾率，但同時也要增加電子測量系統(tǒng)的帶寬和提高頻率測量精度，因此，在實際測量中通常要尋求帶寬和頻率測量精度的平衡以及測距范圍和測距精度的平衡。這是由于調(diào)制源存在與光電信號頻率相同的泄漏場，它與光電信號發(fā)生相干作用，降