對數放大器在激光測量靶板設計中的應用

王開元 王寶玉 任華軍

（中國電子科技集團公司第二十七研究所，河南鄭州450000）

0 引言

近些年隨著激光技術的快速發展，我國目前已開展了多個激光武器系統研制項目，針對激光信號測量及性能指標評估的需求也越來越高。脈沖激光信號測量靶板主要功能就是測量脈沖激光信號的光斑強度、光斑分布等信息，進而測量到激光器信號的發散角、近遠場能量密度分布[1]。對激光信號強度的測量主要有測量精度和測量動態范圍兩個重要指標，如何在保證測量精度的前提下增加測量動態范圍，是脈沖激光測量靶板的要求研究方向。

1 激光強度常見測試方法

1.1 激光信號脈寬測量

激光信號脈沖測量是利用放大后的激光信號的脈沖寬度來測量激光信號的強度，一般情況下激光信號的脈寬越寬強度也越大。脈寬測量的原理框圖如圖1所示，激光信號通過探測器轉為電信號，電信號通過濾波電路、放大電路、門限判決電路最終輸出為脈沖信號。

圖1 激光脈寬信號測量原理框圖

激光信號脈寬測量這種方式電路比較簡單，測量范圍比較寬，可以達到近80 dB，但是由于運放飽和電壓的限制，這種測量方式測量精度不高。如圖2所示，當信號經過放大器后沒有飽和，最終輸出的脈寬信號與激光信號強度是線性變化的；然而當信號經過放大器后飽和，最終輸出的脈寬信號與激光信號強度成正比，但非線性變化，這種情況下就需要對脈寬信號和激光信號強度進行標定，這種標定工作量大，而且最終得到的精度也不高。

圖2 激光脈沖信號波形圖

1.2 激光信號單級幅度測量

激光信號單級幅度測量是由接收光學系統、光電檢測電路、峰值保持電路等組成。激光信號源發出的激光信號經接收光學系統匯聚后入射到光電探測器光敏面，經光電效應將光能量轉換成電脈沖信號，并經放大得到光能量所對應的電壓值，再經整形、峰值保持等處理輸出得到該探測器點對應的能量值。如圖3所示，激光信號單級幅度測量這種方式測量精度高，但是受運放飽和電壓的影響，測量的動態范圍比較小，一般情況下為20 dB左右。

圖3 單級放大短波紅外探測單元原理框圖

2 基于對數放大的脈沖激光測試靶板

大多數線性放大器可用的瞬時動態范圍通常小于20 dB，對于激光強度測量來說太小了。而對數放大器相對于線性放大器具有更寬的動態范圍[2]，用對數放大器代替線性放大器應用在脈沖激光測試靶板中，既可以保證測量精度，也可以大幅增加測量的動態范圍。圖4為基于對數放大的脈沖激光測試方式。

圖4 基于對數放大的脈沖激光測試原理框圖

3 對數放大電路設計

3.1 光電轉換器

光電轉換由半導體PN結的光電效應實現，當被測光照射到光探測器上時，產生相應的光電流，即將光信號轉成電流信號。不同波長的光作用于同一種半導體材料的電導率不同，不同材料的半導體對波長的響應范圍也是不同的。目前使用的PIN管主要有Si、Ge、InGaAsP和InGaAs四種材料，不同的材料相應的波段也不同，本次考慮到本光功率計的探測范圍要覆蓋1 060 nm波長區域，因此應該選用InGaAs材料制成的光檢測器。在此設計中，選用的是InGaAs（GD3561T）光電二極管[3]，它具有超低的暗電流、高靈敏度等特性。

3.2 對數放大電路

激光信號一般多為ns級別的脈沖信號，因此，對數放大器要具有較高的增益帶寬積。AD8304是一款基于連續壓縮技術的對數放大器，該對數放大器提供92 dB的動態范圍，即使在100 MHz的頻率下仍能提供88 dB的動態范圍[4]。AD8304采用先進的跨導線性技術，可提供多樣、易用的極寬動態范圍，它有專門的光電二極管接口，內部集成了溫度補償電路，提高了轉換精度。對數放大器的輸出電壓值Vout和被測功率值P的關系如下[5-6]：

式中，K1和C1由外圍電路決定為常數；IZ是GD3561T的截止電流；IS和PPD是GD3561T的輸出電流和功率值。

由公式（1）可知，輸出電壓和被測光功率為線性關系。圖5為AD8304的電路原理圖。

圖5 AD8304電路原理圖

4 結語

利用對數放大器動態范圍大的特點，將對數放大器應用在脈沖激光測量靶板中，既滿足了激光測量靶板測試精度的要求，又滿足了激光測量靶板動態范圍廣的要求。

[1]張顯國.靶場外測設備檢測方法研究[D].長春：長春理工大學，2005.

[2]王志剛.現代電子線路（下冊）[M].北京：清華大學出版社，2003.

[3]中國電子科技集團公司第四十四研究所.產品手冊[Z]，2017.

[4]Analogy Devices公司.AD8304數據手冊[Z]，2002.

[5]雷越辰，余葭穎.基于AD8304對數放大器的開放型數字式光功率計[J].科技視界，2012（20）：47-48.

[6]楊浩，劉譯文，趙笠錚，等.基于AD8304對數放大器的高精度光功率計的設計[J].實驗科學與技術，2015，13（4）：217-218.