CN114152336A - 一种用于空间光测量设备的apd信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路，沿着APD信号传输方向依次包括APD限流保护电路、JFET‑TIA跨阻放大电路、后级共集电极三极管放大电路和阻抗匹配电路，APD Sensor信号经APD限流保护电路输出，首先通过JFET‑TIA跨阻放大电路将电流信号转换成电压信号，接着通过后级共集电极三极管放大电路将电压信号放大，最后通过阻抗匹配电路做阻抗匹配交流耦合输出。本发明可应用于脉冲测距传感器和激光雷达，主要处理雪崩二极管的光电转换电流信号，将微弱的电流信号转换为电压信号，同时兼顾强光脉冲信号和弱光脉冲信号都能被有效识别，在保证脉冲不失真的前提下，降低电路功耗、成本、体积。
Description
技术领域
本发明涉及空间光测量设备的APD信号处理技术领域，具体涉及一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路。
背景技术
目前对于空间光测量设备(激光雷达、测距传感器)的APD信号处理多数采用集成IC单路/多路跨阻运算放大器/互阻运算放大器，成本高，功耗大，电路体积有优势，单路成本大概在30RMB左右，功耗为5V/14～20mA。单IC+外围电路常规PCB占板面积为4x4mm，采用小封装极致可以做到3x 3mm，如：TI的OPA855/858功耗为60mW，ADI的LTC6561/6563功耗为4路200mW/折合单路50mW，MAXIM的MAX40662功耗为90mW。少数为三极管射频放大电路，但其单路功耗都很大，典型功耗为7V/30～40mA、5V/30～40mA，性能优的三极管方案可以保证输入光电脉冲饱和展宽时，信号无拖尾无过冲，且光电转换增益在105V/W量级，性能差的输入光电脉冲饱和展宽时，信号拖尾、过冲，电路成本在10RMB左右，常规PCB占板面积为6x 6mm～4x 4mm范围内，如：科扬光电的KY-APRM-BW-I-FS APD光电传感器模块，典型带宽200MHz/模块整体功耗1200mW，APD部分电路功耗430mW。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路。
本发明的技术方案如下：
一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路，沿着APD信号传输方向依次包括APD限流保护电路、JFET-TIA跨阻放大电路、后级共集电极三极管放大电路和阻抗匹配电路，APD Sensor信号经APD限流保护电路输出，首先通过JFET-TIA跨阻放大电路将电流信号转换成电压信号，接着通过后级共集电极三极管放大电路将电压信号放大，最后通过阻抗匹配电路做阻抗匹配交流耦合输出。
进一步的，所述APD限流保护电路包括APD偏置电压输入接口J3和限流电阻R1，所述APD偏置电压输入接口J3通过限流电阻R1连接JFET-TIA跨阻放大电路。
进一步的，所述JFET-TIA跨阻放大电路的跨阻增益为1KΩ～20KΩ。
进一步的，所述JFET-TIA跨阻放大电路沿着APD信号传输方向依次包括APD、雪崩二极管D1、交流信号耦合器C22和电流转电压负反馈放大电路。
进一步的，所述电流转电压负反馈放大电路由三极管Q4、三极管Q1和跨接电阻R9构成，所述交流信号耦合器C22与三极管Q4的B级连接，所述三极管Q4的C级与三极管Q1的B级连接，所述跨接电阻R9连接在三极管Q4的E级与三极管Q1的E级之间。
进一步的，所述后级共集电极三极管放大电路采用输入交流信号耦合方式接入电压信号。
进一步的，所述后级共集电极三极管放大电路沿着电压信号传输方向依次包括交流耦合器C61、一级放大三极管Q9、交流耦合器C62和二级放大三极管Q10。
进一步的，电压信号放大后通过所述阻抗匹配电路做50Ω阻抗匹配交流耦合输出。
相对于现有技术，本发明的有益效果在于：本发明可应用于脉冲测距传感器和激光雷达，主要处理雪崩二极管(APD)的光电转换电流信号，将微弱的电流信号转换为电压信号，同时兼顾强光脉冲信号和弱光脉冲信号都能被有效识别，在保证脉冲不失真的前提下，降低电路功耗、成本、体积。
1、本发明保证了前级放大电路的优良性能，400MHz/2K跨阻增益；
2、本发明解决了TIA单级功耗大的问题，单级TIA仅仅17.5mW，加后级放大总功耗为87.5mWmax，关键性能指标可与集成IC方案对标，低功耗有助于多线雷达小型化；
3、本发明占板面积和集成IC方案差不多，但比市面其他三极管方案占板面积有巨大优势，且此电路做稳定后可考虑集成为多通道跨阻放大器IC流片，有助于激光雷达产业技术优化；
4、本发明解决了集成IC方案成本高的问题，低成本有利于多线激光雷达方案提升扫描线数和图像点云密度，进一步推动激光雷达技术升级，做超高线数，超高点云密度产品。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路的电路框图；
图2为本发明所述APD限流保护电路的电路示意图；
图3为本发明所述JFET-TIA跨阻放大电路的电路示意图；
图4为本发明所述后级共集电极三极管放大电路的电路示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
实施例
请参阅图1，本实施例提供一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路，沿着APD信号传输方向依次包括APD限流保护电路、JFET-TIA跨阻放大电路、后级共集电极三极管放大电路和阻抗匹配电路。电路原理：APD Sensor信号经APD限流保护电路输出，首先通过JFET-TIA跨阻放大电路将电流信号转换成电压信号，接着通过后级共集电极三极管放大电路将电压信号放大，最后通过阻抗匹配电路做50Ω阻抗匹配交流耦合输出，输出信号可直接被测距系统ADC模拟转数字信号芯片识别，转为数字时域信号，或者经过一级比较器可被直接转换为TTL电平，被FPGA或TDC时间测量芯片识别。
由于本发明主要运用于开放空间光测量，任何开放空间光测量都无法保证输入光强不超出测量范围，强光刺激对APD的损伤是永久的，因此通过APD限流保护电路可避免当强光入射时，APD电流过载，被大电流损坏，如图2所示，所述APD限流保护电路包括APD偏置电压输入接口J3和限流电阻R1，APD偏置电压输入接口J3通过限流电阻R1连接JFET-TIA跨阻放大电路。
其中，所述JFET-TIA跨阻放大电路的跨阻增益为1KΩ～20KΩ可调，典型带宽为400MHz(2KΩ增益)，实际应用可根据APD感光面，APD接收到的激光强度调节，原则上在不影响放大电路带宽前提下，跨阻增益越大越好。如图3所示，所述JFET-TIA跨阻放大电路沿着APD信号传输方向依次包括APD、雪崩二极管D1、交流信号耦合器C22和电流转电压负反馈放大电路，三极管Q4、三极管Q1和跨接电阻R9构成电流转电压负反馈放大电路，交流信号耦合器C22与三极管Q4的B级连接，三极管Q4的C级与三极管Q1的B级连接，跨接电阻R9连接在三极管Q4的E级与三极管Q1的E级之间。通过APD将微弱空间脉冲光信号转换为窄脉冲电流信号，为雪崩二极管D1提供直流通路，电流信号输入三极管Q4的B级，进行电流放大，再送入三极管Q1，跨接电阻R9的跨阻越大，电路增益越高，三极管Q1的E级输出的信号幅值越大，但通频带宽会等比例下降。三极管Q4、三极管Q1的型号选定后，频率特性也基本固定，可以根据选型参数计算电路带宽。输出端TIA信号为转换后的电压信号，可用于后续电路处理，也可以交流耦合方式接入示波器50Ω阻抗匹配通道直接测量。信号处理到这一步，光电增益还不够大，可以继续放大此信号，以达到更好的信噪比和信号分辨力。
因为此电路运用在空间光测量设备上(激光雷达、测距传感器)，测距激光照在被测物体上，由于被测物体对激光反射率不同，不能保证每次输入的光脉冲信号都在正常接收范围内，为了避免强光信号饱和导致的APD电流信号过大，引入了高速MOS管M2，当APD电流信号增大，在经过R50/R51直流通路时，会产生电压差，M2管的G级会迅速打开，将大电流快速从M2泄入信号地，直到R51的压降不足以开启M2管，管子会自动关闭，以保证此电路小信号放大能力。
此部分电路首次在激光雷达空间光探测上运用，占板面积约为5x5mm，功耗为5V/2.5～3.5mA，17.5mWmax。不包括光电二极管APD，物料成本小于2RMB。
进一步的，如图4所示，后级共集电极三极管放大电路采用输入交流信号耦合方式接入电压信号，该后级共集电极三极管放大电路沿着电压信号传输方向依次包括交流耦合器C61、一级放大三极管Q9、交流耦合器C62和二级放大三极管Q10。输入信号通过交流耦合器C61耦合，先经过一级放大三极管Q9放大，再通过交流耦合器C62耦合，最后经过二级放大三极管Q10二级放大，此时最终光电增益大约为9x105倍，详细计算为电子电路基础计算，这里不详细赘述。此部分电路占板面积约为3x7mm，功耗为5V/13～14mA，70mWmax。物料成本小于2RMB。
本发明采用三极管跨阻放大电路，前级跨阻增益为1KΩ～20KΩ可调，后级为两个共集电极三极管放大电路，每级增益为7V/V，最大增益为48V/V，最终光电增益可做到9x105V/W，最终电压噪声为40mVpp。主要解决了以下问题：
1、参考现有TIA技术性能，保证400MHz带宽前提下，前级跨阻增益不低于2KΩ，后级放大增益不低于48倍；
2、解决三极管放大电路功耗大的问题，将功耗做到与集成运放TIA一个功耗级别，不大于90mW；
3、解决当前三极管放大电路占板面积大的问题；
4.、解决当前TIA方案包括集成IC和三极管价格成本高的问题。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路，其特征在于：沿着APD信号传输方向依次包括APD限流保护电路、JFET-TIA跨阻放大电路、后级共集电极三极管放大电路和阻抗匹配电路，APD Sensor信号经APD限流保护电路输出，首先通过JFET-TIA跨阻放大电路将电流信号转换成电压信号，接着通过后级共集电极三极管放大电路将电压信号放大，最后通过阻抗匹配电路做阻抗匹配交流耦合输出。
2.根据权利要求1所述的一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路，其特征在于：所述APD限流保护电路包括APD偏置电压输入接口J3和限流电阻R1，所述APD偏置电压输入接口J3通过限流电阻R1连接JFET-TIA跨阻放大电路。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路，其特征在于：所述JFET-TIA跨阻放大电路的跨阻增益为1KΩ～20KΩ。
4.根据权利要求3所述的一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路，其特征在于：所述JFET-TIA跨阻放大电路沿着APD信号传输方向依次包括APD、雪崩二极管D1、交流信号耦合器C22和电流转电压负反馈放大电路。
5.根据权利要求4所述的一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路，其特征在于：所述电流转电压负反馈放大电路由三极管Q4、三极管Q1和跨接电阻R9构成，所述交流信号耦合器C22与三极管Q4的B级连接，所述三极管Q4的C级与三极管Q1的B级连接，所述跨接电阻R9连接在三极管Q4的E级与三极管Q1的E级之间。
6.根据权利要求1所述的一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路，其特征在于：所述后级共集电极三极管放大电路采用输入交流信号耦合方式接入电压信号。
7.根据权利要求6所述的一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路，其特征在于：所述后级共集电极三极管放大电路沿着电压信号传输方向依次包括交流耦合器C61、一级放大三极管Q9、交流耦合器C62和二级放大三极管Q10。
8.根据权利要求1所述的一种用于空间光测量设备的APD信号处理电路，其特征在于：电压信号放大后通过所述阻抗匹配电路做50Ω阻抗匹配交流耦合输出。
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