激光干涉测速系统中超宽带光电探测器的研究与设计

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激光干涉测速是基于光学多普效应将待测物速度变化转化为与之对应光强变化的一种测量技术,具高时间分辨率、高测试动态范围、高测试精度以及非接触测量等优点,目前这种技术被广泛用于现代瞬态光电测量、爆轰物理过程、新型材料应变特性研究、医疗检测等领域,作为激光干涉测速系统中关键模块之一的高速光电探测器,其性能直接影响到激光干涉测速系统的灵敏度、测速范围及准确性,而目前国内对适用于激光干涉测速仪的光电探测器研究并不多,对与此类光电探测器的转换增益、带宽、噪声系数等参数的处理尚未有好的解决方案,在该类探测器的应用领域更多的是依赖国外进口,且价格昂贵,针对该现状,本文以现有的AFDISAR平台为基础,总结国内外经验,对如何实现一种激光干涉测速系统专用的超宽带光电探测器进行研究设计:通过研究AFDISAR系统原理,提出基于混合微波集成电路的宽带光电探测电路实现方案,通过同时采集光电二极管的阴极和阳极的光电流,并由两组带宽不同的放大电路进行放大,最后由连续通带双工器进行信道合并,获得一种适用于AFDISAR系统的超宽带光电探测器,主要内容包括:1.分析光电二极管工作模式对带宽和噪声的贡献,提出了一种采用运算放大器输入共模电压提供光电二极管偏置电压,并由差动放大电路的高共模抑制比来隔离输出共模电压的设计方案,获得了带宽DC-2.5GHz的探测器放大电路;2.研究多倍频程微波放大电路的原理,设计了一种利用高电子迁移率晶体管并采用HMIC方式实现的分布式放大电路,并提出了一种通过对栅极和漏极添加补偿元件的方式来获得等长的栅极线和漏极线的设计方法,通过这种方式减小电路寄生效应,获得了带宽0.1GHz-12GHz的探测器放大电路;3.研究现代微波双工器的原理,设计了宽阻带平面低通滤波器(DC-2.5GHz)和SSL高通滤波器(2.5GHz-12GHz),并通过优化设计,得到一种缩减型双终端连续通带双工器(DC-12GHz),实现低频通带和高频通带信号的合并;4.进行仿真并设计实际电路,最后得到具有DC-11.4GHz带宽,433.85V/W转换增益的光电探测器,通过多次实验来验证方案的可行性和可靠性。
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