基于MPPC探測器的激光脈沖信號讀出電路設(shè)計

司 可，吳玲玲，梁海鋒

（西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安710021）

激光技術(shù)的出現(xiàn)，使得現(xiàn)代探測技術(shù)產(chǎn)生了里程碑式的變革，如今出現(xiàn)了多種利用激光技術(shù)來進行探測的光電類應(yīng)用，如激光雷達和激光測距等[1-2]。由于激光信號有方向性好、亮度高、單色性好、相干性好的特點[3]，因此激光技術(shù)廣泛應(yīng)用在各種高精度測量中。在激光應(yīng)用中，光電探測器信號處理系統(tǒng)的性能是評定激光應(yīng)用好壞的重要指標[4]。

現(xiàn)如今，應(yīng)用最廣泛的激光雷達是激光脈沖型測距雷達（ToF 型激光雷達），通過測量激光脈沖從發(fā)射激光到接收激光的飛行時間來得到目標的距離信息[5]。受制于探測器探測微弱光信號的能力，較遠距離的微弱光信號探測是目前仍需提升的關(guān)鍵技術(shù)。

多像素光子計數(shù)器（MPPC）是由日本濱松公司根據(jù)光電倍增管的原理生產(chǎn)的一種新型光電探測器件，由工作在蓋格模式下的雪崩二極管（APD）陣列組成，具有優(yōu)良的光子計數(shù)能力，適用于在極弱光的場合下對光子進行計數(shù)。

本文針對日本濱松公司出品的8×8 陣列MPPC探測器S13361-3050NE-08 設(shè)計了信號讀出電路并進行了相應(yīng)的電路仿真，實現(xiàn)了激光器發(fā)射功率為100 mW、波長450 nm、視場角6°、探測距離150～200 m 的脈沖式激光雷達的回波脈沖探測。

1 系統(tǒng)及探測器相關(guān)參數(shù)計算

對于探測距離150～200 m、 視場角6°的脈沖式激光雷達，根據(jù)下式可以計算得到激光器輸出到被測物體上的光斑尺寸。

由上式計算可知，該激光器的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)需要保證輸出距離200 m 的光斑尺寸至少為21 m×21 m，輸出距離150 m 的光斑尺寸至少為15.8 m×15.8 m。

文獻[6]給出了激光雷達距離方程，得出了激光回波功率Pr與距離d 和發(fā)射功率Pt等參數(shù)間的關(guān)系。

式中：τα為激光在大氣中的單程透過率；ηr為接收光學(xué)系統(tǒng)效率；ρT為目標反射率；At為目標照射部分投影面積；Ar為有效接受面積；θ 為發(fā)射系統(tǒng)與目標法向夾角；Al目標處激光光束橫截面積。

如表1 所示為S13361-3050NE-08 探測器在工作溫度為25 ℃時的參數(shù)指標。該探測器是一個MPPC 陣列，由64 個MPPC 以8×8 的排列方式排列而成，單個通道終端電容為320 pF，探測器峰值相應(yīng)波長為450 nm。

表1 S13361-3050NE-08 探測器參數(shù)指標Tab.1 S13361-3050NE-08 detector parameters

對于8×8 陣列的探測器，單個通道所對應(yīng)的光斑尺寸約為200 m 處2.625 m×2.625 m，150 m 處1.975 m×1.975 m。選擇發(fā)射功率為100 mW、峰值波長為450 nm 的藍光半導(dǎo)體激光器，利用式（3）可計算探測距離范圍內(nèi)探測器所能接收到的最小光功率。根據(jù)文獻[7]，式（3）中各個參數(shù)取值為τα=0.98，ηr=0.7，ρT=0.1，Pt=0.1 W。

當(dāng)探測距離為200 m 時，則接收到的光功率為

當(dāng)探測距離為150 m 時，接收到的光功率為

在理想條件下，當(dāng)沒有光入射時，MPPC 所產(chǎn)生的光電流輸出為零，但是由于熱電子發(fā)射等原因也會產(chǎn)生自由載流子電子和空穴，它們在電場的作用下也會產(chǎn)生電流，這種無光照時在電路上流動的電流稱為暗電流[8]。在探測器性能指標中，主要利用暗計數(shù)來表征這種特性，通過該指標可以得到探測器所能接收并探測的最小光功率。由能量公式計算單個光子產(chǎn)生的能量：

計算此探測器所能探測的最小光功率：

通過計算，最小探測光功率遠遠小于該探測器對200 m 處目標探測的接收光功率，滿足探測要求。

圖1 為該探測器中的單像素APD 的過偏壓與探測器的量子探測效率、增益的曲線。根據(jù)該曲線可看到，當(dāng)提供給探測器的過偏壓為3 V 時（即工作電壓56 V），APD 的增益為1.7×106、 探測效率為40%。因此通過APD 響應(yīng)度公式，計算在此條件下單個APD 像素的響應(yīng)度為

式中：e 為一個電子的電荷量；ν 為接收到光的頻率；h 為普朗克常數(shù)；ηe為單個APD 像素的量子效率；M為單個APD 像素的電流增益。

圖1 探測器過偏置電壓與量子探測效率、增益、串?dāng)_概率的關(guān)系Fig.1 Overvoltage specifications of gain，crosstalk probability，photon detection efficiency

探測200 m 時，由式（7）計算單個APD 像素輸出的光電流為

通過MPPC 陣列的特性參數(shù)中的像素數(shù)量N和通道數(shù)量Nc可得單個通道的像素個數(shù)為None=N/Nc=3584/64=56，則單個通道內(nèi)所有像素所產(chǎn)生的總電流為

通過上式的計算可知，在探測200 m 探測距離的情況下，MPPC 陣列的單個通道會產(chǎn)生5.22×10-6A的電流。

2 信號讀出電路設(shè)計

如圖2 所示為以通道數(shù)為64 的MPPC 陣列為探測器的激光雷達的信號處理系統(tǒng)框圖，信號讀出電路設(shè)計即為圖中MPPC 微弱信號探測模塊和時刻鑒別模塊的電路設(shè)計。

圖2 MPPC 陣列信號處理系統(tǒng)框圖Fig.2 MPPC array signal processing system

當(dāng)MPPC 陣列探測器接收到微弱的激光脈沖回波后，產(chǎn)生64 路微弱的電流信號到微弱信號探測模塊，該模塊將微弱的電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號并放大輸出到時刻鑒別模塊來產(chǎn)生多路的CMOS 電平，這樣即可實現(xiàn)激光脈沖回波信號的有效識別。

2.1 微弱信號探測模塊

光電探測系統(tǒng)中，回波信號經(jīng)過MPPC 探測器內(nèi)部電流增益放大之后， 其電流信號仍舊十分微弱。如果不經(jīng)過處理，很容易就淹沒在電路的噪聲信號中。

MPPC 所探測的回波信號的形狀是由激光發(fā)射的脈沖波形、 大氣衰減以及探測目標共同決定的。根據(jù)高速脈沖信號帶寬經(jīng)驗公式[9]和所選用的脈沖激光器的光脈沖上升時間5 ns， 計算所需設(shè)計的放大電路帶寬：

式中：tr為上升時間。代入相關(guān)參數(shù)計算可得所要設(shè)計放大電路的帶寬范圍滿足75 MHz～88 MHz。

針對此指標，采用跨阻放大電路和二級電壓信號放大電路來完成此模塊的電路設(shè)計。

2.1.1 跨阻放大電路

采用跨阻放大電路對探測器輸出的電流信號進行放大，并輸出為電壓信號?？缱璺糯笃魇强缱璺糯箅娐返暮诵钠骷?，選用跨阻放大器的目的是其既可以將弱信號進行放大，也可以將電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號。

跨阻放大電路需要在保證系統(tǒng)帶寬的同時實現(xiàn)盡可能高的增益。因此，對于跨阻放大器首要考慮的指標是帶寬和增益，即增益帶寬積。針對所需的指標，對幾類常用跨阻放大器進行調(diào)研，幾種跨阻放大器特性參數(shù)如表2 所示。通過對比選擇TI 公司生產(chǎn)的OPA855 為此部分的核心器件。

表2 幾款跨阻放大器特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of several transimpedance amplifiers

OPA855 是一款具有雙極輸入的寬帶低噪聲運算放大器，適用于寬帶跨阻和電壓放大器應(yīng)用。將該器件配置為跨阻放大器（TIA）時，8 GHz 增益帶寬積（GBWP）能夠在低電容光電二極管應(yīng)用中以高達幾千歐的跨阻增益。

對于選定的跨阻放大器，其接收帶寬和放大增益是主要的考慮因素。跨阻放大器端接的電阻大小，直接決定將輸入電流轉(zhuǎn)換成電壓信號的能力，即放大增益。過大的跨阻值會大大縮小電路的信號帶寬，引起信號波形的展寬，通常亦需要在跨阻上并聯(lián)一個大電容， 保證電路的穩(wěn)定?？缱璺糯笃鞯?3 dB 帶寬計算如下：

式中：Rf為跨阻值；CS為運放輸入寄生電容，對于本文的MPPC 陣列，CS的值為320 pF。

使用TINA-TI 軟件進行跨阻放大電路設(shè)計，利用一個幅值5.22 μA、持續(xù)時間10 ns 的電流發(fā)生器和一個320 pF 的電容并聯(lián)來模擬單通道的MPPC探測器。將式（9）計算得到的所需設(shè)計的放大電路的帶寬代入式（10）計算該放大電路可選擇的反饋電阻為

為有稍大的帶寬，選擇該電阻阻值為511 Ω。

根據(jù)OPA855 的典型應(yīng)用電路， 選擇反相放大的方式來放大信號， 反相放大典型電路如圖3 所示。RF取值511 Ω，RG取值511 mΩ，則該放大電路可以將輸入信號放大1000 倍。

圖3 OPA855 反相放大方式典型電路圖Fig.3 Inverting amplifier circuit of OPA855

在進行跨阻放大電路設(shè)計時，除了需要計算反饋電阻RF，還需要進行補償電容CF的計算來使得電路更加穩(wěn)定，利用式（12）可完成CF的取值。

計算可得CF 取值為3.3 pF。圖4 中的C2即為補償電容。

2.1.2 電壓放大電路

跨阻放大電路在帶寬合適的情況下增益不能過大，因此輸出的電壓脈沖信號幅值依然不滿足時刻鑒別的幅度要求，需要利用電壓放大電路對其進一步放大以達到時刻鑒別要求。

采用TI 公司生產(chǎn)的運算放大器OPA695 為此部分電路的核心芯片， 設(shè)計了一個增益為20 dB 電壓放大電路。利用TINA-TI 軟件對所設(shè)計的微弱信號探測模塊電路進行仿真，利用電流信號發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號來模擬MPPC 接收到的脈沖回波信號，整體電路仿真圖如圖4 所示。通過調(diào)整放大電路的反饋電阻RF和補償電阻RG來調(diào)整電路的增益，這兩個電阻分別對應(yīng)圖4 中的R7和R8。

圖4 微弱信號探測模塊整體仿真圖Fig.4 Simulation diagram of the weak signal detection module

圖5 為微弱信號探測模塊的仿真交流特性曲線。曲線中看到該電路在75～88 MHz 帶寬內(nèi)增益可達大約74 dB。圖6 為微弱信號探測模塊電路的瞬時響應(yīng)。

圖5 微弱信號探測模塊交流特性曲線Fig.5 AC characteristic curve of weak signal detection module

圖6 微弱信號探測模塊電路仿真瞬時響應(yīng)Fig.6 Simulation transient response of weak signal detection module

可得結(jié)論，該電路將輸入電流5.22 μA 轉(zhuǎn)化為約33 mV 的電壓。

2.2 時刻鑒別模塊

回波激光脈沖在被探測器接收到后要產(chǎn)生計時停止信號以使得后端計時芯片停止計時，此模塊就是為實現(xiàn)此功能的。

此模塊采用TI 公司出品的微型封裝高速電壓比較器TLV3501 來實現(xiàn)時刻鑒別的功能，此比較器具有4.5 ns 的低時間延遲，在2.7 V～5.5 V 的電壓范圍內(nèi)工作。超軌輸入共模范圍可以使其應(yīng)用在低電壓比較的應(yīng)用場合，該比較器可直接輸出CMOS 或TTL 邏輯電平。

整體電路仿真原理如圖7 所示。為了選取合適的閾值電壓， 在前兩級放大輸出的信號上利用5 V電源、R11和R6疊加200 mV 的直流電壓， 電路中設(shè)置閾值電壓為250 mV，電路輸出3.3 V 的CMOS 邏輯電平。

圖7 整體電路仿真圖Fig.7 Simulation diagram of overall circuit

3 電路仿真與分析

對所設(shè)計的電路進行瞬態(tài)響應(yīng)分析，仿真結(jié)果如圖8 所示。IG1 為電流發(fā)生器向系統(tǒng)輸入的5.22 μA脈沖電流，CMP_OUT 為電路輸出幅值為3.3 V 的CMOS 邏輯電平， 從仿真圖中可看到整體電路實現(xiàn)了對高電平時間10 ns 的微小脈沖的鑒別和探測。

圖8 電路瞬時響應(yīng)仿真曲線圖Fig.8 Transient response simulation curve of circuit

從圖中可看到輸出信號較輸入信號有約9 ns的延遲，可在最終計時結(jié)果中將這9 ns 的延遲當(dāng)作系統(tǒng)誤差消除。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一個以MPPC 為探測器的脈沖式激光雷達信號讀出電路。該電路可實現(xiàn)對150～200 m處的回波信號的有效探測、且脈沖激光器發(fā)射功率僅需100 mW。將此激光脈沖信號讀出電路進行仿真分析，通過仿真分析結(jié)果可得結(jié)論：所設(shè)計電路可以滿足上述指標要求，即能夠?qū)夭}沖進行有效地探測和識別。