激光接收电路耦合结构的设计方法技术

本发明专利技术提出了一种激光接收电路耦合结构的设计方法，根据激光接收电路的激光接收器、耦合电容和第一级放大器模型，确定激光接收电路的输入噪声；根据激光接收电路的输入噪声确定交流耦合结构对噪声的衰减系数；根据衰减系数和输入信号的截止频率确定耦合结构形成的高频截止频率，根据电容频率公式确定耦合电路中电容值。本发明专利技术在保证电路基本功能的前提下，降低电路的噪声，具有普适性。

Design method of coupling structure of laser receiving circuit

【技术实现步骤摘要】
激光接收电路耦合结构的设计方法
本专利技术属于光电检测电路
，具体为一种激光接收电路耦合结构的设计方法。
技术介绍
脉冲激光测距仪主要包括激光发射模块、回波接收模块、电源模块和控制模块等。回波接收模块中的光学系统往往是采用目前技术比较成熟的激光会聚光路，对于光束的会聚能力比较强。时间测量电路采用的是TDC-GP2芯片，其时间测量精度可达到6ps。电源采用的是技术成熟的电源模块。因此回波接收电路的噪声是影响激光测距仪测距精度的主要因素。为了降低回波接收电路的噪声，主要有以下几种方法：降低激光接收电路的输入端噪声，通过分析光电探测器的噪声，设计耦合结构来抑制电路的输入噪声；设计低噪声的放大器，通过放大电路来抑制电路噪声的放大；设计阻抗匹配、数字滤波网络来降低回波电路的噪声；采用高精度的阈值比较电路来减小回波前沿的晃动和电路结构引入的误差。根据激光接收电路的耦合结构不同，现有的激光接收电路可以分为交流耦合激光接收电路和直流耦合激光接收电路。直流耦合激光接收电路如图1所示，具有信号完整且动态性优越的优点。但是其把光电探测器产生的所有电信号都传输到放大电路之中。此时输出放大信号的流耦合结构的信噪比为12，噪声幅度为400mV，这大大限制了系统的探测能力。而采用交流耦合的激光接收电路，能把光电探测器产生的直流暗噪声和低频噪声滤除掉，使电路的信噪比提升到25，设计的难点主要集中在耦合电容的选取上，选取合适的耦合电容不影响电路的动态性能，并能最大限度降低电路的噪声特性。但是现有交流耦合结构的设计都只考虑电路对于截止频率和动态范围的要求，并不会考虑交流耦合结构对于电路噪声的影响。但是选取不合适的交流耦合结构，会导致电路输入阻抗的增大的，进而比直流耦合引入更多的输入噪声，并且会进一步降低电路能够探测的动态范围。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出了一种激光接收电路耦合结构的设计方法。实现本专利技术的技术解决方案为：一种激光接收电路耦合结构的设计方法，具体步骤为：步骤1、根据激光接收电路的激光接收器、耦合电容和第一级放大器模型，确定激光接收电路的输入噪声；步骤2、根据激光接收电路的输入噪声确定交流耦合结构对噪声的衰减系数；步骤3、根据衰减系数和输入信号的截止频率确定耦合结构形成的高频截止频率，根据电容频率公式确定耦合电路中电容值。优选地，步骤1确定的激光接收电路的输入噪声包括光电二极管电子学噪声、放大器电子学噪声和二极管偏置电压引入的噪声。优选地，所述光电二极管电子学噪声为：式中，Rd为光电二极管的结电阻，ik为暗电流，K＝1.38×10-23J/K表示玻尔兹曼常数，T表示工作温度，q表示元电荷，Z1为激光接收电路的输入阻抗。优选地，放大器电子学噪声计算公式为：式中，enop为放大器电子学噪声，in是放大器的输入噪声电流，en是放大器的输入噪声电压，Z1为激光接收电路的输入阻抗。优选地，二极管偏置电压引入的噪声具体为：eg＝ig(f)|Z1|式中，eg为二极管偏置电压引入的噪声，Z1为激光接收电路的输入阻抗，ig为电流源。优选地，步骤2确定的交流耦合结构对噪声的衰减系数为：式中，K表示二极管偏置电压引入的噪声eg中低频噪声的截止频率fcg和交流耦合电路的截止频率fc的比值，fL为第一级放大器的起始频率。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：本发根据具体的电路参数设计交流耦合结构，在保证电路基本功能的前提下，降低电路的噪声，本专利技术的交流耦合结构的设计方法具有普适性。下面结合附图对本专利技术做进一步详细的描述。附图说明图1为直流耦合激光接收电路的输入阻抗模型。图2为交流耦合激光接收电路的输入阻抗模型。图3为接收电路的输入噪声模型。具体实施方式一种激光接收电路耦合结构的设计方法，具体步骤为：步骤1、根据激光接收电路的激光接收器、耦合电容和第一级放大器模型，确定激光接收电路的输入噪声，具体为：激光接收电路的输入阻抗如图2所示，激光接收电路的输入阻抗包括激光接收器(APD)的阻抗、耦合电容和第一级放大器的输入电阻三部分。其中激光接收器的阻抗由结电容Cd和结电阻Rd两部分构成。根据激光接收电路输入阻抗的并联和串联规则，计算出激光接收电路的输入阻抗Z1。基于交流耦合的激光接收电路的噪声模型如图3所示，字母e代表电压噪声，字母i代表电流噪声。激光接收电路输入端的电子学噪声主要由光电二极管电子学噪声、放大器电子学噪声和二极管偏置电压引入的噪声三部分组成，可表示为光电二极管内部的电子学噪声ePD包括：结电阻的热噪声和光电二极管中存在的暗电流而导致的随机噪声，给定光电二极管的结电阻Rd，暗电流为ik，光电二极管的电子学噪声ePD表示为：式中，K＝1.38×10-23J/K表示玻尔兹曼常数；T表示工作温度，为25℃；q＝1.6×10-19C表示元电荷。放大器的电子学噪声enop计算公式为：式中，in是放大器的输入噪声电流，en是放大器的输入噪声电压。二极管偏置电压引入的噪声eg由于光电探测器的偏置电压引入的，它主要是因为偏置电压的开关频率和温度特性引起的电压的波动产生输入噪声，本文简称它为电压噪声。电压噪声主要体现在光电二极管的输入电流的波动，因此以电流源ig形式表示它，由此电源的噪声eg为：eg＝ig(f)|Z1|激光接收电路总的输入噪声功率为：其中，R1为运算放大器的输入电阻；K表示玻尔兹曼常数,K＝1.38×10-23J/K；T表示工作温度，为25℃；q＝1.6×10-19C表示元电荷；ik为光电探测器的暗电流；in表示放大器的输入噪声电流；ig表示光电探测器偏置电压产生的噪声电流；fcg表示ig(f)中低频噪声的截止频率；fc表示为交流耦合电路的截止频率；fd表示为光电探测器的截止频率。步骤2、根据激光接收电路的输入噪声确定交流耦合结构对噪声的衰减系数。具体为：其中，K表示eg中低频噪声的截止频率fcg和交流耦合电路的截止频率fc的比值，fL放大电路的起始频率。步骤3、根据衰减系数和低频噪声的截止频率确定交流耦合电路的高频截止频率，根据电容频率公式确定耦合电路中电容值。在交流耦合结构的设计中，首先确定交流耦合电路所需要的衰减系数∝，然后把∝和通过分析输入信号得到的fcg、fL带入上式得到K，进而化简得到fc，最后通过电容频率公式fc＝1/2πRC,得到耦合电容C。结果表明，在90m距离测量中∝＝0.1交流耦合结构回波信号的信噪比为25，测距精度为7.5cm，信噪比及测距精度得到了显著提升。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光接收电路耦合结构的设计方法，其特征在于，具体步骤为：/n步骤1、根据激光接收电路的激光接收器、耦合电容和第一级放大器模型，确定激光接收电路的输入噪声；/n步骤2、根据激光接收电路的输入噪声确定交流耦合结构对噪声的衰减系数；/n步骤3、根据衰减系数和输入信号的截止频率确定耦合结构形成的高频截止频率，根据电容频率公式确定耦合电路中电容值。/n

【技术特征摘要】
1.一种激光接收电路耦合结构的设计方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、根据激光接收电路的激光接收器、耦合电容和第一级放大器模型，确定激光接收电路的输入噪声；
步骤2、根据激光接收电路的输入噪声确定交流耦合结构对噪声的衰减系数；
步骤3、根据衰减系数和输入信号的截止频率确定耦合结构形成的高频截止频率，根据电容频率公式确定耦合电路中电容值。


2.根据权利要求1所述的激光接收电路耦合结构的设计方法，其特征在于，步骤1确定的激光接收电路的输入噪声包括光电二极管电子学噪声、放大器电子学噪声和二极管偏置电压引入的噪声。


3.根据权利要求2所述的激光接收电路耦合结构的设计方法，其特征在于，所述光电二极管电子学噪声为：



式中，Rd为光电二极管的结电阻，ik为暗电流，K＝1.38×10-23J/K表示玻尔兹曼常数，T表示工作温度，q表示元电荷，Z1为激光接收电路的输入阻抗。


4.根据权利要求2所述的激光接收电路耦合结...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱惟贤，郭萍萍，陈钱，顾国华，杨锦清，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32