高速四元探測器峰值保持電路的設計*

胡永宏,張喜和

(長春理工大學理學院,長春 130022)

0 引言

高頻調Q激光器作為發射光源進行目標定位,根據四元光電探測器各象元接收到光能量的大小,確定目標光斑位置。相比較連續激光器,納秒激光脈沖光源作為發射光源具有峰值功率高、抗干擾能力強、可使用時間編碼等優點而被廣泛采用。但是,探測接收部分需要采用響應速度快的光電探測器,探測器輸出4路納秒級脈沖信號,由于脈沖很窄,后續電路在信號采集之前,需要對窄脈沖信號進行峰值保持處理。峰值保持可在同一時刻將4通道的信號峰值保存起來,在一段時間內不丟失,等待模數轉換器采集。

1 四元探測峰值保持電路的原理

四元探測器接收能量變化范圍較大的納秒激光信號,轉換為納秒級的電脈沖信號,流入跨阻放大電路,將信號放大。放大后的信號分送兩路;一路流入四元采樣保持電路;另一路流入峰值檢測電路,甄別脈沖信號的峰值時刻,觸發四元采樣保持電路;四元采樣保持電路未接到觸發信號前跟蹤輸入信號;接到觸發信號后保持當前信號的電壓值,且保持一段時間等待后續電路讀取(見圖1)。

圖1 四元探測器保持電路基本結構

為了適應不同背景環境下隨機脈沖信號所附加的背景噪聲特征不同的特點,峰值檢測電路設計了基準閾值自適應配置模塊進行基準閾值設置[1];跨阻放大電路為4路放大器并聯,共用相同的增益調節,增益調節會根據前一個脈沖信號的幅度自動調節增益大小,適應不同幅度脈沖的放大。四元探測器具有4路獨立的保持單元模塊且共用一個觸發信號,可同時保持4路脈沖信號[2]。

2 電路設計

2.1 跨阻放大電路設計

接收激光探測器采用GT3541T,它是響應波長900nm到1700nm,在激光定位、精細加工、導航等方面應用廣泛。

跨阻放大器類型選為NE5210高速跨阻放大器,四元探測器等效為一個高速脈沖電流源,放大器最高增益跨阻為7kΩ,25MHz帶寬[3]。放大器增益可自動換擋切換,0dB,-20dB,-40dB,-60dB,-80dB,-100dB;增益的改變根據當前放大器輸出電壓而變化,當輸出電壓低于0.2V時,放大器增益提高20dB;當增益高于2V時,放大器增益下降20dB,使得輸出電壓能夠動態的適應探測器在不同距離上接收能量大小不同產生的電壓脈沖。設計的電路圖見圖2。

圖2 跨阻放大器電路

D1為四元探測器,外加HV反向偏置電壓,信號流入跨阻放大器;U1為單端跨阻放大器,具有同向和反向輸出端,反向端作為U1的反饋端,同向端作為U1的輸出端;C1、C2、C3和C4為放大器U1的反饋元件,選擇不同容值,其交流阻抗不同,得到放大器增益大小不同;J1、J 2、J 3和J 4是半導體開關,通過開關的選通,調整U1的增益大小。C5和R1組成高通濾波器,可消除放大器直流分量和低頻分量。

2.2 峰值檢測電路設計

峰值檢測電路將放大后的信號進行峰值時刻檢測,在信號達到峰值前將輸出觸發信號給四元采樣保持電路(見圖3)。

圖3 峰值檢測電路

放大器輸出的四路脈沖信號經過R2 、R3、R4和R5耦合為一路信號 。U2、D2、R8 和C6組成基準閾值自適應配置電路,保持U2反向輸入端的背景噪聲電壓;R6和D3組成0.3V的偏值電壓,疊加于噪聲電壓之上,作為U3的參考比較電壓。U3為MAX913,將U3的反向輸入端和同向輸入端的電壓進行比較。當接收到激光脈沖時,U3反向輸入端電壓高于同向輸入端電壓,輸出低電平脈沖;R7、C7組成定時電路,連接點接在U3的使能端,使觸發電路輸出脈沖寬度滿足模數轉換所需要的時間。將低電平脈沖做200μ s時間的延時,作為四元電壓保持器的觸發信號。

2.3 四元采樣保持電路設計

四元采樣保持電路將放大器的輸入信號,在觸發信號觸發之時,保存當前瞬間電壓數值。4路信號的輸出在沒有觸發信號之前,跟蹤輸入電壓;為了將輸出與輸入跟蹤得更為精準,這里采用輸出端接低通濾波器的結構。R9、C8,R10、C9,R11、C10,R12、C11構成4路低通濾波器;該濾波器在沒有保持信號觸發時,由于輸入信號的頻率較高,濾除噪聲信號;當有200μ s保持信號到來時,保持的電壓信號為低頻信號,可很好的通過濾波器(見圖4)。

圖4 四元采樣保持電路

3 電路整體測試結果

使用波長為1064nm、脈沖半寬度為10ns、單脈沖能量為30mJ的激光器;使用GT3541T作為四元探測器,其響應時間為1ns,響應度為0.5A/W,有效光敏面直徑為2mm;測試距離為1km,四元采樣保持電路輸出的電壓波形見圖5。

圖5 峰值保持器輸出電壓波形

起始時刻至輸出電壓波形上升沿這段時間,電路處于跟蹤狀態,輸出噪聲低于10mV,可見跨阻放大器根據前一個激光脈沖強度,自動調整了增益,適應當前背景下的噪聲。在上升沿以后的時刻,電路處于保持狀態,電壓保持在100ns內達到穩定狀態,可見,輸出端的低通濾波器抑制了電壓波形的過沖,保持了輸出電壓穩定。

4 結論

采用自行設計的自動增益可調節跨阻放大器,能適應探測器較大范圍的變化;設計的峰值檢測電路,可在不同的背景噪聲下工作;輸出電壓波形保持穩定,在保持瞬間沒有出現振蕩波形,該信號易于后續電路處理。總體設計的電路設計合理、結構簡單,進行了反復測試,電路工作穩定,性能良好。

[1] 翟立銘,張丕壯.隨機脈沖信號數據采集觸發電路設計[J].彈箭與制導學報,2008,28(5):252-254.

[2] 彭宇,蘇弘,李小剛,等.一種高速寬帶放大與峰值保持電路的研制[J].核電子學與探測技術,2006,26(4):514-516.

[3] NE5210 T ransimpedance amplifier[Z].Germany:Philips Semiconductors Press,1995:1-14.