硅雪崩光电二极管-前置放大器组件在激光测距机中的应用
硅雪崩光电二极管-前置放大器组件在激光测距机中的应用
常州第二电子仪器厂 邱秀莲
探测器是接收系统中的关键性元件, 其性 能好坏以及运用正确与否对整个接收系统的性 能好坏起着决定性的作用。 所以, 在选用探测 器时, 一般都要经过再三权衡才最后确定。 为加大测距机的作用距离并使之小型化, 目前国内外许多激光测距仪机上, 都采用了硅雪崩光电二极管一前置放大器组件作为探测器。 如荷兰 的MT-18, 英国的LP7, 加拿大或美国的 GVS-5, 国产的85式手持激光测距机等等,都 是采用硅雪崩光电二极管一前置放大器组件来完成探测和前置放大任务的。 由于雪崩光电二 极管具有内增益,接收灵敏度高,响应时间快, 从而降低了对后接视频放大器的要求, 并且视 频放大器的噪声已不再是限制性因素。 内设的 前置放大器采用三级跟随器,它的输入阻抗高, 输出阻抗低, 这样, 前端便于与雪崩光电二极 管的负载连接, 后端便于与视频放大器匹配连 接, 所以雪崩光电二极管一前置放大器组件对 制作性能稳定可靠的接收放大电路和提高整机 测程都起到了非常显著的作用。 为了对组件的 性能及其作用有全面了解, 下面分四个方面 介绍。
几种组件的性能特点介绍几种型号组件的性能参数(典 型值)。
从表中可以看出,C30919E微型组件, 因 内部已设置有温度补偿, 应用时比较方便, 只需有 一 组固定的600V直流电源即可。 C30950F、FL和C30950G、GL两种组件内设 光导管, 以供光纤通讯用。 国产的SPD-052组 件与美国生产的C30950E性能相当,经试用, 证明基本上是可以代替C30950E组件的。
几种倩压控制方案
正确地确定雪崩光电二极管的工作点, 对 充分发挥接收系统和光电探测器本身的最大探 测灵敏度是至关重要的。 也就是说, 要使雪崩 光电二极管在较大温度范围内探测灵敏度始终 为最大值, 必须使工作偏压始终工作在与雪崩 管的最佳倍增因子M。pt相对应的最佳工作电压 V。PL 那一点才行。 偏压控制电路就是为此目的 设置的。 归纳目前应用较多的线路, 可分为三 大类(1)恒虚警率控制法。(2)温度补偿控 制法。(3)综合法。 下面分别列举予以介绍。
恒虚警率控制法1 图1方框图唯一需要 说明的是平均虚警率应足够高, 以使所建立的 雪崩管工作偏压V。PL 上升到雪崩电压Vs, 并 且要使VAPD闭环建立时间较恰当。 但是利用这 种方法建立起来的VAPD不能直接用于测距, 必 须使其回到M。PT相对应的最佳工作偏压V。PL 才行。 即测距前必须使VAPD下降一个数值。
温度补偿控制法:图中D为温度补偿元件,组件内部专设一只温度传感二极管,以供温度补偿用。此二极管的温度系数接近 2.2mV /"C, 雪崩管的工作电压温度系数为 2.2V /°C左右,为使补偿者与被补偿者之间有较好的配合,故将补偿二极管的温度变化值用 差分放大器放大适当倍数,再通过高压调整电 路改变雪崩管工作偏压,使之在所要求的温度 范围内始终处千最佳状态。雪崩管常温下的最 佳工作点是通过调整电位器W实现的。
综合法:上述两种方法各有千秋,恒虚警率控制法能同时照顾到温度和背景辐射的影响,而且不存在温度匹配问题,但此法难千 使噪声恒定不变,因此,不能保证雪崩管工作 偏压始终处千最佳状态,而且当偏压建立速度 过快时,还会使工作偏压冲过雪崩点,损坏雷崩管。 温度补偿控制法在温度补偿元件与雪崩 管有较好的温度匹配时, 能保证工作偏压处于最佳状态, 但对背景辐射干扰无法控制。 当接收灵敏度在较大温度范削内要求一致性较好 时, 最好用综合控制法。
介绍一种盲区较小的接收放大墨自激光测距机问世以来, 接收放大器的设 计思想一直仅是围绕在满足测距精度的前提下 如何增大测程来考虑的, 然而当采用组件后,已不难达到用户要求的测程, 而近程却出现了新问题, 而且近程问题的解决往往比远程更让人感到棘手。 国外的激光测距机盲区指标一般 为200m, 矛盾还不是很突出, 当盲区指标降 到几十米时, 矛盾再也无法回避, 必须有恰当 的措施予以解决才行。 一台小功率的激光测距 机, 当采用硅光电二极管作光电探测器时, 最 大输出幅度仅为几亳伏, 而采用组件后, 最大 输出幅度竟达2V, 相差儿个数盘级, 所以当 采用组件探测器时, 接收放大线路的设计思想 应更全面、 更完善才行。
采用时间程序控制电路控制雪崩管偏压雪崩管接收灵敏度的高低与它的倍增因子的大小密切相关, 倍增因子大小又与工作偏压 紧密相连, 也就是说, 工作偏压高, 倍增因子 大, 接收灵敏度就高, 反之亦然。 要改善近程 测距性能, 必须降低近程时雪崩管接收灵敏度,但又不能影响远程时雪崩管具有高灵敏度。 如何实现这一想法呢?
从图中可看出, 电压低倍增因子也低,反之亦然。 设近程时工作偏压为亿, 对应的倍增因 子为M1, 远程时工作偏压上升到几",对应的倍 增因子为M吁,, 显然M1<M。pt。如果设计的线 路能够与此对应起来,就可达到上述目的。下面 用恒虚警率控制法中部分控制线路来说明之。
雪崩管的倍增噪声经放大器进行放大, 成 形级成形为等幅等宽的脉冲后, 由D-A变换 电路变换成直流电平, 并且以此电平控制高压 调整电路, 使雪崩管偏压在TPG信号到来之 前以动态平衡形式保持在雪崩击穿电压附近, TPG信号到来后, TPG波形经TPG时间程序 控制电路也加到高压调整电路, 它的作用就是 控制雪崩管的工作偏压, 使雪崩管工作偏压近 程时较低, 远程时上升到最佳状态。
采用时间程序控制增益的接收放大器采用雪崩管作为光电探测器的接收放大 器, 必须具有时间程序增益控制电路, 以抑制 大气回散激光辐射的干扰, 这已为人共知, 不 是什么新鲜事, 然而, 当激光测距机的盲区小 千200m时, 200m距离以内目标回波信号, 已 使组件输出幅度远远超过线性区。 如一台小功 率激光测距机, 发射功率为9mJ, 接收光学系 统透过率为50o/o, 接收物镜口径为42cm, 200m 距离以内目标回波信号使组件输出端产生的信 号幅度达I.8-2V, 脉冲宽度达150-300n.s,
若后接的视频放大器不作相应改变,必然会使 输出脉冲宽度进一步展宽。为获得稳定可靠的 主波信号,也必须使其具有一定的强度,经组 件和视频放大器后,脉冲宽度同样被展宽,这样一来,主波和回波融为一体,难以分出彼此。
此外,若成形级由史密特门线路组成,输入较宽脉冲时,还会输出2个或2个以上成形波形。 以上两种情况, 都会使近程测距无法进行。而这种现象还没有引起人们的充分注意。一般的时间程序控制曲线是以激光取样信号为起点, 然后根据激光发射功率的大小来决定控制曲线 起作用的时间。 但是, 当盲区小千200m时,此 曲线已不适用, 必须作相应的更改,因为此时的时间程序控制曲线的作用不仅仅是抑制大气回散激光辐射的干扰,更重要的是限制回波信号的幅度。
此线路与常规线路不同之处就是多了一个 TPG时间程序控制电路,此电路的作用是改变 TPG信号原来的形状及起控制时间,以达到对 不同距离起不同作用的目的。
避免损坏组件的几个措施
由于组件的性能和使用过程中应注意事项 难以掌握, 所以初次使用时,极易在不知不觉 中损坏纭件, 损坏后还难找出原因。 我们厂和 其它单位都有过这种教训。 目前, 使用者日益 增多, 而组件价格又比较昂贵, 为使初用者少走弯路, 避免不必要的损失, 现将我们的一些 体会介绍如下:
接收系统各部分的供电顺序应正确目前, 在小型化的激光测距机中, 供电方式一般都是采用时间程序供电,即机内各部分所需电源不是同时供给,而是按开始工作的先 后顺序程序供电。在这种供电方式中,雪崩管 的供电时刻一定要掌握好。例如,采用恒虚警率控制电路时,应保证前置放大器、视频放大 器、成形电路、D-A变换,高压调整电路所需电源提前供给,也就是说,雪崩管工作偏压 加上之前应保证对工作偏压起调节作用的所有 相关电路都畅通无阻,否则,雪崩管工作偏压 得不到及时调节,必然会冲过雪崩电压值,造 成组件的损坏。
按恒虚警率控制法要求, 测距前, 雪崩管 工作偏压应在雪崩击穿电压附近波动, 此波动 幅度应尽量小, 否则,会损坏组件中的晶体管, 而使组件报废。
电容C为反馈电容,由于此电容的 加入,使电路产生正反馈,减小了输入电容,加 宽了频带宽度,频宽可达40-50MHz,效果是 可观的。但是此电容也会将高压VH中的波动 成分引入前置放大器,当波动幅度较大时,就 会损坏前放中的一只或儿只晶体管,造成整个 组件的报废。
降低接收系统近程时的增益采用组件作探测器后, 近程目标使组件输 出信号幅度大大超过线性区, 如视频放大器不 做相应改变, 必会严重过载, 还易产生阻塞、 自激, 所以必须降低近程时接收系统的增益, 并且同时增大视频放大器的动态范围, 以增强 对各种回波信号的适应能力, 否则, 将会给前 置放大器的性能造成不良影响。 近程增益最好 根据发射功率大小, 发射、 接收光学系统透过 率, 经过试验最后确定。
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