基于MPPC探测器的激光脉冲信号读出电路设计

司 可，吴玲玲，梁海锋

（西安工业大学 光电工程学院，西安710021）

激光技术的出现，使得现代探测技术产生了里程碑式的变革，如今出现了多种利用激光技术来进行探测的光电类应用，如激光雷达和激光测距等[1-2]。由于激光信号有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好的特点[3]，因此激光技术广泛应用在各种高精度测量中。在激光应用中，光电探测器信号处理系统的性能是评定激光应用好坏的重要指标[4]。

现如今，应用最广泛的激光雷达是激光脉冲型测距雷达（ToF 型激光雷达），通过测量激光脉冲从发射激光到接收激光的飞行时间来得到目标的距离信息[5]。受制于探测器探测微弱光信号的能力，较远距离的微弱光信号探测是目前仍需提升的关键技术。

多像素光子计数器（MPPC）是由日本滨松公司根据光电倍增管的原理生产的一种新型光电探测器件，由工作在盖格模式下的雪崩二极管（APD）阵列组成，具有优良的光子计数能力，适用于在极弱光的场合下对光子进行计数。

本文针对日本滨松公司出品的8×8 阵列MPPC探测器S13361-3050NE-08 设计了信号读出电路并进行了相应的电路仿真，实现了激光器发射功率为100 mW、波长450 nm、视场角6°、探测距离150～200 m 的脉冲式激光雷达的回波脉冲探测。

1 系统及探测器相关参数计算

对于探测距离150～200 m、 视场角6°的脉冲式激光雷达，根据下式可以计算得到激光器输出到被测物体上的光斑尺寸。

由上式计算可知，该激光器的发射光学系统需要保证输出距离200 m 的光斑尺寸至少为21 m×21 m，输出距离150 m 的光斑尺寸至少为15.8 m×15.8 m。

文献[6]给出了激光雷达距离方程，得出了激光回波功率Pr与距离d 和发射功率Pt等参数间的关系。

式中：τα为激光在大气中的单程透过率；ηr为接收光学系统效率；ρT为目标反射率；At为目标照射部分投影面积；Ar为有效接受面积；θ 为发射系统与目标法向夹角；Al目标处激光光束横截面积。

如表1 所示为S13361-3050NE-08 探测器在工作温度为25 ℃时的参数指标。该探测器是一个MPPC 阵列，由64 个MPPC 以8×8 的排列方式排列而成，单个通道终端电容为320 pF，探测器峰值相应波长为450 nm。

表1 S13361-3050NE-08 探测器参数指标Tab.1 S13361-3050NE-08 detector parameters

对于8×8 阵列的探测器，单个通道所对应的光斑尺寸约为200 m 处2.625 m×2.625 m，150 m 处1.975 m×1.975 m。选择发射功率为100 mW、峰值波长为450 nm 的蓝光半导体激光器，利用式（3）可计算探测距离范围内探测器所能接收到的最小光功率。根据文献[7]，式（3）中各个参数取值为τα=0.98，ηr=0.7，ρT=0.1，Pt=0.1 W。

当探测距离为200 m 时，则接收到的光功率为

当探测距离为150 m 时，接收到的光功率为

在理想条件下，当没有光入射时，MPPC 所产生的光电流输出为零，但是由于热电子发射等原因也会产生自由载流子电子和空穴，它们在电场的作用下也会产生电流，这种无光照时在电路上流动的电流称为暗电流[8]。在探测器性能指标中，主要利用暗计数来表征这种特性，通过该指标可以得到探测器所能接收并探测的最小光功率。由能量公式计算单个光子产生的能量：

计算此探测器所能探测的最小光功率：

通过计算，最小探测光功率远远小于该探测器对200 m 处目标探测的接收光功率，满足探测要求。

图1 为该探测器中的单像素APD 的过偏压与探测器的量子探测效率、增益的曲线。根据该曲线可看到，当提供给探测器的过偏压为3 V 时（即工作电压56 V），APD 的增益为1.7×106、 探测效率为40%。因此通过APD 响应度公式，计算在此条件下单个APD 像素的响应度为

式中：e 为一个电子的电荷量；ν 为接收到光的频率；h 为普朗克常数；ηe为单个APD 像素的量子效率；M为单个APD 像素的电流增益。

图1 探测器过偏置电压与量子探测效率、增益、串扰概率的关系Fig.1 Overvoltage specifications of gain，crosstalk probability，photon detection efficiency

探测200 m 时，由式（7）计算单个APD 像素输出的光电流为

通过MPPC 阵列的特性参数中的像素数量N和通道数量Nc可得单个通道的像素个数为None=N/Nc=3584/64=56，则单个通道内所有像素所产生的总电流为

通过上式的计算可知，在探测200 m 探测距离的情况下，MPPC 阵列的单个通道会产生5.22×10-6A的电流。

2 信号读出电路设计

如图2 所示为以通道数为64 的MPPC 阵列为探测器的激光雷达的信号处理系统框图，信号读出电路设计即为图中MPPC 微弱信号探测模块和时刻鉴别模块的电路设计。

图2 MPPC 阵列信号处理系统框图Fig.2 MPPC array signal processing system

当MPPC 阵列探测器接收到微弱的激光脉冲回波后，产生64 路微弱的电流信号到微弱信号探测模块，该模块将微弱的电流信号转化成电压信号并放大输出到时刻鉴别模块来产生多路的CMOS 电平，这样即可实现激光脉冲回波信号的有效识别。

2.1 微弱信号探测模块

光电探测系统中，回波信号经过MPPC 探测器内部电流增益放大之后， 其电流信号仍旧十分微弱。如果不经过处理，很容易就淹没在电路的噪声信号中。

MPPC 所探测的回波信号的形状是由激光发射的脉冲波形、 大气衰减以及探测目标共同决定的。根据高速脉冲信号带宽经验公式[9]和所选用的脉冲激光器的光脉冲上升时间5 ns， 计算所需设计的放大电路带宽：

式中：tr为上升时间。代入相关参数计算可得所要设计放大电路的带宽范围满足75 MHz～88 MHz。

针对此指标，采用跨阻放大电路和二级电压信号放大电路来完成此模块的电路设计。

2.1.1 跨阻放大电路

采用跨阻放大电路对探测器输出的电流信号进行放大，并输出为电压信号。跨阻放大器是跨阻放大电路的核心器件，选用跨阻放大器的目的是其既可以将弱信号进行放大，也可以将电流信号转化为电压信号。

跨阻放大电路需要在保证系统带宽的同时实现尽可能高的增益。因此，对于跨阻放大器首要考虑的指标是带宽和增益，即增益带宽积。针对所需的指标，对几类常用跨阻放大器进行调研，几种跨阻放大器特性参数如表2 所示。通过对比选择TI 公司生产的OPA855 为此部分的核心器件。

表2 几款跨阻放大器特性参数Tab.2 Characteristic parameters of several transimpedance amplifiers

OPA855 是一款具有双极输入的宽带低噪声运算放大器，适用于宽带跨阻和电压放大器应用。将该器件配置为跨阻放大器（TIA）时，8 GHz 增益带宽积（GBWP）能够在低电容光电二极管应用中以高达几千欧的跨阻增益。

对于选定的跨阻放大器，其接收带宽和放大增益是主要的考虑因素。跨阻放大器端接的电阻大小，直接决定将输入电流转换成电压信号的能力，即放大增益。过大的跨阻值会大大缩小电路的信号带宽，引起信号波形的展宽，通常亦需要在跨阻上并联一个大电容， 保证电路的稳定。跨阻放大器的-3 dB 带宽计算如下：

式中：Rf为跨阻值；CS为运放输入寄生电容，对于本文的MPPC 阵列，CS的值为320 pF。

使用TINA-TI 软件进行跨阻放大电路设计，利用一个幅值5.22 μA、持续时间10 ns 的电流发生器和一个320 pF 的电容并联来模拟单通道的MPPC探测器。将式（9）计算得到的所需设计的放大电路的带宽代入式（10）计算该放大电路可选择的反馈电阻为

为有稍大的带宽，选择该电阻阻值为511 Ω。

根据OPA855 的典型应用电路， 选择反相放大的方式来放大信号， 反相放大典型电路如图3 所示。RF取值511 Ω，RG取值511 mΩ，则该放大电路可以将输入信号放大1000 倍。

图3 OPA855 反相放大方式典型电路图Fig.3 Inverting amplifier circuit of OPA855

在进行跨阻放大电路设计时，除了需要计算反馈电阻RF，还需要进行补偿电容CF的计算来使得电路更加稳定，利用式（12）可完成CF的取值。

计算可得CF 取值为3.3 pF。图4 中的C2即为补偿电容。

2.1.2 电压放大电路

跨阻放大电路在带宽合适的情况下增益不能过大，因此输出的电压脉冲信号幅值依然不满足时刻鉴别的幅度要求，需要利用电压放大电路对其进一步放大以达到时刻鉴别要求。

采用TI 公司生产的运算放大器OPA695 为此部分电路的核心芯片， 设计了一个增益为20 dB 电压放大电路。利用TINA-TI 软件对所设计的微弱信号探测模块电路进行仿真，利用电流信号发生器产生脉冲信号来模拟MPPC 接收到的脉冲回波信号，整体电路仿真图如图4 所示。通过调整放大电路的反馈电阻RF和补偿电阻RG来调整电路的增益，这两个电阻分别对应图4 中的R7和R8。

图4 微弱信号探测模块整体仿真图Fig.4 Simulation diagram of the weak signal detection module

图5 为微弱信号探测模块的仿真交流特性曲线。曲线中看到该电路在75～88 MHz 带宽内增益可达大约74 dB。图6 为微弱信号探测模块电路的瞬时响应。

图5 微弱信号探测模块交流特性曲线Fig.5 AC characteristic curve of weak signal detection module

图6 微弱信号探测模块电路仿真瞬时响应Fig.6 Simulation transient response of weak signal detection module

可得结论，该电路将输入电流5.22 μA 转化为约33 mV 的电压。

2.2 时刻鉴别模块

回波激光脉冲在被探测器接收到后要产生计时停止信号以使得后端计时芯片停止计时，此模块就是为实现此功能的。

此模块采用TI 公司出品的微型封装高速电压比较器TLV3501 来实现时刻鉴别的功能，此比较器具有4.5 ns 的低时间延迟，在2.7 V～5.5 V 的电压范围内工作。超轨输入共模范围可以使其应用在低电压比较的应用场合，该比较器可直接输出CMOS 或TTL 逻辑电平。

整体电路仿真原理如图7 所示。为了选取合适的阈值电压， 在前两级放大输出的信号上利用5 V电源、R11和R6叠加200 mV 的直流电压， 电路中设置阈值电压为250 mV，电路输出3.3 V 的CMOS 逻辑电平。

图7 整体电路仿真图Fig.7 Simulation diagram of overall circuit

3 电路仿真与分析

对所设计的电路进行瞬态响应分析，仿真结果如图8 所示。IG1 为电流发生器向系统输入的5.22 μA脉冲电流，CMP_OUT 为电路输出幅值为3.3 V 的CMOS 逻辑电平， 从仿真图中可看到整体电路实现了对高电平时间10 ns 的微小脉冲的鉴别和探测。

图8 电路瞬时响应仿真曲线图Fig.8 Transient response simulation curve of circuit

从图中可看到输出信号较输入信号有约9 ns的延迟，可在最终计时结果中将这9 ns 的延迟当作系统误差消除。

4 结语

本文设计了一个以MPPC 为探测器的脉冲式激光雷达信号读出电路。该电路可实现对150～200 m处的回波信号的有效探测、且脉冲激光器发射功率仅需100 mW。将此激光脉冲信号读出电路进行仿真分析，通过仿真分析结果可得结论：所设计电路可以满足上述指标要求，即能够对回波脉冲进行有效地探测和识别。