对数放大器在激光测量靶板设计中的应用

王开元 王宝玉 任华军

（中国电子科技集团公司第二十七研究所，河南郑州450000）

0 引言

近些年随着激光技术的快速发展，我国目前已开展了多个激光武器系统研制项目，针对激光信号测量及性能指标评估的需求也越来越高。脉冲激光信号测量靶板主要功能就是测量脉冲激光信号的光斑强度、光斑分布等信息，进而测量到激光器信号的发散角、近远场能量密度分布[1]。对激光信号强度的测量主要有测量精度和测量动态范围两个重要指标，如何在保证测量精度的前提下增加测量动态范围，是脉冲激光测量靶板的要求研究方向。

1 激光强度常见测试方法

1.1 激光信号脉宽测量

激光信号脉冲测量是利用放大后的激光信号的脉冲宽度来测量激光信号的强度，一般情况下激光信号的脉宽越宽强度也越大。脉宽测量的原理框图如图1所示，激光信号通过探测器转为电信号，电信号通过滤波电路、放大电路、门限判决电路最终输出为脉冲信号。

图1 激光脉宽信号测量原理框图

激光信号脉宽测量这种方式电路比较简单，测量范围比较宽，可以达到近80 dB，但是由于运放饱和电压的限制，这种测量方式测量精度不高。如图2所示，当信号经过放大器后没有饱和，最终输出的脉宽信号与激光信号强度是线性变化的；然而当信号经过放大器后饱和，最终输出的脉宽信号与激光信号强度成正比，但非线性变化，这种情况下就需要对脉宽信号和激光信号强度进行标定，这种标定工作量大，而且最终得到的精度也不高。

图2 激光脉冲信号波形图

1.2 激光信号单级幅度测量

激光信号单级幅度测量是由接收光学系统、光电检测电路、峰值保持电路等组成。激光信号源发出的激光信号经接收光学系统汇聚后入射到光电探测器光敏面，经光电效应将光能量转换成电脉冲信号，并经放大得到光能量所对应的电压值，再经整形、峰值保持等处理输出得到该探测器点对应的能量值。如图3所示，激光信号单级幅度测量这种方式测量精度高，但是受运放饱和电压的影响，测量的动态范围比较小，一般情况下为20 dB左右。

图3 单级放大短波红外探测单元原理框图

2 基于对数放大的脉冲激光测试靶板

大多数线性放大器可用的瞬时动态范围通常小于20 dB，对于激光强度测量来说太小了。而对数放大器相对于线性放大器具有更宽的动态范围[2]，用对数放大器代替线性放大器应用在脉冲激光测试靶板中，既可以保证测量精度，也可以大幅增加测量的动态范围。图4为基于对数放大的脉冲激光测试方式。

图4 基于对数放大的脉冲激光测试原理框图

3 对数放大电路设计

3.1 光电转换器

光电转换由半导体PN结的光电效应实现，当被测光照射到光探测器上时，产生相应的光电流，即将光信号转成电流信号。不同波长的光作用于同一种半导体材料的电导率不同，不同材料的半导体对波长的响应范围也是不同的。目前使用的PIN管主要有Si、Ge、InGaAsP和InGaAs四种材料，不同的材料相应的波段也不同，本次考虑到本光功率计的探测范围要覆盖1 060 nm波长区域，因此应该选用InGaAs材料制成的光检测器。在此设计中，选用的是InGaAs（GD3561T）光电二极管[3]，它具有超低的暗电流、高灵敏度等特性。

3.2 对数放大电路

激光信号一般多为ns级别的脉冲信号，因此，对数放大器要具有较高的增益带宽积。AD8304是一款基于连续压缩技术的对数放大器，该对数放大器提供92 dB的动态范围，即使在100 MHz的频率下仍能提供88 dB的动态范围[4]。AD8304采用先进的跨导线性技术，可提供多样、易用的极宽动态范围，它有专门的光电二极管接口，内部集成了温度补偿电路，提高了转换精度。对数放大器的输出电压值Vout和被测功率值P的关系如下[5-6]：

式中，K1和C1由外围电路决定为常数；IZ是GD3561T的截止电流；IS和PPD是GD3561T的输出电流和功率值。

由公式（1）可知，输出电压和被测光功率为线性关系。图5为AD8304的电路原理图。

图5 AD8304电路原理图

4 结语

利用对数放大器动态范围大的特点，将对数放大器应用在脉冲激光测量靶板中，既满足了激光测量靶板测试精度的要求，又满足了激光测量靶板动态范围广的要求。

[1]张显国.靶场外测设备检测方法研究[D].长春：长春理工大学，2005.

[2]王志刚.现代电子线路（下册）[M].北京：清华大学出版社，2003.

[3]中国电子科技集团公司第四十四研究所.产品手册[Z]，2017.

[4]Analogy Devices公司.AD8304数据手册[Z]，2002.

[5]雷越辰，余葭颖.基于AD8304对数放大器的开放型数字式光功率计[J].科技视界，2012（20）：47-48.

[6]杨浩，刘译文，赵笠铮，等.基于AD8304对数放大器的高精度光功率计的设计[J].实验科学与技术，2015，13（4）：217-218.