激光小信号宽带放大器设计与实现

摘要

与其他测距技术相比，激光测距具有抗干扰能力强、测距精度高、测量距离远和能全天候工作等诸多优点，获得了广泛应用。近年来，以激光测距技术为基础的三维激光扫描仪，正在推动移动测量、三维实景地图等领域的快速发展，在国民经济和国防建设中具有非常重要的意义。
　　作为三维激光扫描仪的核心部件之一的前端模拟电路，用于将激光小信号进行放大，其性能直接影响距离测量的精度和测距量程。前端模拟电路需要攻克以下几个关键技术难题:宽动态范围，模拟电路需具备较宽的动态范围，以适应不同距离、不同反射率目标的测距需求;大放大倍数，对于远距离和低反射率的反射物，需要大的放大倍数对微弱脉冲信号进行有效放大;宽带宽，三维激光扫描仪采用的激光器单个脉冲的脉宽在ns级，能量分布的带宽很宽;低噪声，降低噪声，提高信噪比，提高测距的精度。
　　本文针对上述技术难题开展研究，首先分析了激光脉冲回波信号的特点，结合测距量程的要求，得出了本文激光小信号宽带放大器的设计技术指标;然后针对宽动态范围的激光测距要求，提出了多通道的设计方案;最后分模块详细阐述了激光小信号宽带放大器的设计。
　　本文采用高响应速度和高灵敏度的铟镓砷APD作为前端光电探测器件，以跨阻放大器作为电路结构，设计了宽带宽、高灵敏度和低噪声的光电转换电路，放大倍数达69.5dB。为进一步减小噪声，采用过渡带特性最好的椭圆滤波器，完成了9阶120MHz带宽的椭圆滤波器设计;以高速电流反馈型差分运算放大器作为放大器主要器件，采用多级级联放大的方式，实现了28dB放大倍数的宽带放大器设计。
　　经实验验证，本文设计的模拟电路方案简单实用、体积小，具有120MHz的系统带宽、97.5dB的总放大倍数和50mVpp总的系统噪声，能对各种反射率条件下不同目标物体反射回来的微弱激光小信号进行有效的放大。经测试，其最低激光检测灵敏度为1.1uW，有效测距量程大于300m，目前已成功应用于武汉海达数云技术有限公司首台自主研发的高精度三维激光扫描仪中。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 存在的问题

1．3 本文研究内容

1．3．1 本文主要研究内容

1．3．2 本文拟解决的关键技术

1．4 论文组织构架

第二章 激光小信号分析

2．1 回波信号的理论表达式

2．2 信号波形特点及其特性分析

2．2．1 斜面反射物

2．2．2 阶梯反射物

2．2．3 树林反射物

2．3 信号带宽分析

2．4 信号幅度大小分析

第三章 光电转换电路设计

3．1 光电转换电路

3．1．1 光电探测器的选择

3．1．2 光电转换电路设计

3．2 光电转换电路测试与分析

3．2．1 测试结果‘

3．2．2 带宽和放大倍数确定

第四章 宽带放大器设计与实现

4．1 系统总体方案设计

4．2 主要器件选型

4．2．1 运算放大器

4．2．2 电阻

4．2．3 电容

4．3 差分运算放大器设计考虑

4．3．1 输入信号端接

4．3．2 输入输出耦合

4．3．3 噪声分析

4．4 原理图设计

4．4．1 宽带放大器电路

4．4．2 滤波电路

4．4．3 电源电路

4．4．4 仿真测试

4．5 PCB设计

4．5．1 层叠结构的选择

4．5．2 阻抗匹配的控制

4．5．3 PCB布局布线

4．5．4 注意事项

第五章 实验结果与分析

5．1 光电转换电路测试

5．2 放大电路测试

5．2．1 测试平台的搭建

5．2．2 放大倍数测试

5．2．3 噪声测试

5．2．4 宽带测试

5．3 模拟电路系统测试

第六章 总结与展望

参考文献

附录

致谢