窄脉冲激光信号峰值保持电路设计
第４２卷第１２期激光与红外
ＬＡＳＥＲ
＆
ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖ０１．４２，Ｎｏ．１２Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１２
２０１２年１２月
文章编号：１００１－５０７８（２０１２）１２—１３７７－０４・电子电路・
窄脉冲激光信号峰值保持电路设计
熊
焱１，陆耀东２，祝
敏２，邹正峰１
（１．北京理工大学光电学院，北京１０００８１；２．北京光电技术研究所，北京１０００１０）
摘要：首先介绍了跨导型峰值保持电路的结构和原理，使用两种不同的跨导放大器，设计了
适用于窄脉冲激光信号的跨导型峰值保电路，通过仿真分析后选择其中一种最合适的放大器进行电路实验，并通过实验详细讨论了影响电路保持效果的各项因素。该电路具有结构简单、线性良好、保持精度高等特点。
关键词：窄脉冲激光；跨导放大器；峰值保持；电路
中图分类号：ＴＮ２４７
文献标识码：Ａ
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－５０７８．２０１２．１２．０１３
Ｄｅｓｉｇｎｏｆｐｅａｋｈｏｌｄｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｎａｒｒｏｗｌａｓｅｒｐｕｌｓｅ
ＸＩＯＮＧＹａｎｌ，ＬＵＹａｏ—ｄｏｎ９２，ＺＨＵＭｉｎ２，ＺＯＵＺｈｅｎｇ．ｆｅｎ９１
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＯｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ；
２．ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｏ．ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｒｉｎｇ１０００１０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅｐｅａｋｈｏｌｄｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔ．Ｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｗｉｄｅｂａｎｄｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｃｔａｎｃｅ
ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ
ａｒｅ
ｕｓｅｄ
ｔｏ
ｄｅｓｉｇｎ
ｐｅａｋｈｏｌｄｉｎｇｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒ
ｎａｒｒｏｗ
ｌａｓｅｒｐｕｌｓｅ．
Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ，ｏｎｅｏｆｔｈｅｍｏｓｔｓｕｉｔａｂｌｅａｍｐｌｉｆｉｅｒｓｉｓｓｅｌｅｃｔｅｄｔｏｍａｋｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ，ａｎｄｔｈｅｎｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔａｆｆｅｃｔｔｈｅｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｌｉｎｅａｒｉｔｙａｎｄｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｒｒｏｗｌａｓｅｒｐｕｌｓｅ；ｏｐｅｒａｔｉｏｎａｌｔｒａｎｓｃｏｎｄｕｅｔａｎｃｅａｍｐｌｉｆｉｅｒ；ｐｅａｋｈｏｌｄｉｎｇ；ｃｉｒｃｕｉｔ
ａｒｅ
ｄｉｓｃｕｓｓｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｂｙｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｈａｓ
ａ
ｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｇｏｏｄ
１
引言小等特点，适于处理快速窄脉冲信号＂‘４Ｊ。本文采用跨导型峰值保持电路，可实现高重复频率窄脉冲激光信号峰值的保持，能对脉宽为纳秒级的脉冲进行检测，激光脉冲重复频率范围从单脉冲到千赫兹，在信号脉宽一定的条件下，总的误差不超过５％。该电路具有结构简单、保持精度高、稳定性强以及成本低等特点。
２电路结构与原理
２．１
随着激光技术的飞速发展，其在高科技领域内的应用备受重视，其中，激光制导、激光测距、激光通信等均是以激光脉冲信号探测为基础，实现信号传输、探测和处理等¨乞Ｊ。在窄脉冲半导体激光器峰值功率测量系统中，被测激光信号脉宽为纳秒量级，重复频率为千赫兹级，直接使用高速ＡＤ采集电路难以捕捉到窄脉冲的幅值，因此需要设计适用于窄脉冲信号的峰值保持电路。该电路的作用是对前端放大器输出的信号进行展宽并保持一段时间，以便采用常规低速Ａ／Ｄ转换器进行采集处理。传统的电压型峰值保持电路的非线性较大、动态范围和通频带较小，且不适合处理快信号；而采用跨导型峰值保持电路，具有电路响应速度快、动态范围大、误差
典型电路结构
跨导型峰值保持电路的典型电路结构如图１所
作者简介：熊焱（１９８９一），男，在读硕士研究生，主要从事激
光功率能量测试仪，光电仪器技术方面的研究。Ｅ・ｍａｉｌ：ｘｉｏｎｇｙａｎ６６４４
＠１２６．ｃｏｉｎ
收稿日期：２０１２－０４—１８；修订日期：２０１２－０５－０６
１３７８
激光与红外
２．２
第４２卷
示，主要由跨导放大器Ｇ、恒流源Ｉ、二极管Ｄ、保持电容Ｃ和电压缓冲器Ｂ组成。
电路原理图
为了使整个跨导型峰值保持电路的响应速度较快，跨导放大器、二极管和电压缓冲器的延时之和必须有一定要求，因此跨导放大器和电压缓冲器的带宽必须足够宽，二极管应采用肖特基二极管。宽带跨导放大器（ＷＴＡ）主要在ＯＰＡ６６０‘５１和ＯＰＡ６１５¨Ｊ
图１跨导峰值保持器原理图
中选择。
跨导运算放大器又称ＯＴＡ，它将电压输入变为电流输出，并通过外加偏压来控制运算放大器的工作电流，使其输出电流在较大的范围内变化旧。。ＯＴＡ对输入电压Ｋ。和输出电压Ｋ。。之间的电压差进行放大，输出为电流信号。若Ｖｏ。。＜Ｖｉ。，则二极管Ｄ导通，Ｇ输出的电流信号对保持电容Ｃ充电；若Ｖｏ。。≥Ｖｉ。，则Ｄ截止，保持电容Ｃ上的电压保持不变，恒流源Ｉ的作用是为跨导放大器提供静态回路。
ＯＰＡ６６０是一个可灵活设计成高性能视频、射频和中频电路等系统的集成放大器，它内含宽带、双极性的集成电压控制电流源。由ＯＰＡ６６０构成的峰值保持电路原理图如图２所示。整个电路采用电压串联负反馈，ＯＰＡ６５０为电压缓冲器，反馈电压等于输出端电压。Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７和Ｑ１构成放电回路，当ＰＥＡＫ为低电平时，实现峰值保持功能；当ＰＥＡＫ为高电平时，保持电容Ｃ１放电，Ｑ１在这里起开关的作用。
图２由ＯＰＡ６６０构成的峰值保持电路原理图
ＯＰＡ６１５包含一个运算跨导放大器、一个缓冲放大器和一个并发开关电路，当开关使能时，其输出电流很大，能够迅速给电容充电，当开关关断时，其关断
电阻很大，可以使电容上的电荷尽可能保持不变，由ＯＰＡ６１５构成的峰值保持电路原理图如图３（省略了放电回路）所示，电路中无需外接电压缓冲器。
图３由ＯＰＡ６１５构成的峰值保持电路原理图
３电路仿真分析
通过ＡｌｔｉｕｍＤｅｓｉｇｎｅｒ仿真软件对图２所示的电路图进行仿真。取输入信号幅度Ｖｉ。＝１Ｖ，脉宽取
为２０ｎｓ，上升沿为５ｎｓ时，仿真结果表明该峰值保
持电路。仿真结果如下：响应速度约为８ｎｓ，当ｔ＝
１００
ｎｓ时，输出信号Ｖｏ。。＝１０２５．１ｍＶ，由此可得峰
值保持的绝对误差为２５．１ｍＶ，保持误差为２．５１％，仿真结果如图４所示。
激光与红外Ｎｏ．１２
２０１２
１．
１＿
１．／‰
斗０．
Ｋ・√
／ｘ。
０．０．Ｏ．
ｊ孝
ｌ
｛ｊ
ｔｉｍｅ／ｎｓ
图４仿真时间为１００ｎｓ时输出电压
对于放电环节，取ＰＥＡＫ的高电平时间为２０ＦＩＳ
进行仿真，ＰＥＡＫ在１７５～１９５ｎｓ内为高电平，其他时间为低电平，仿真结果如图５所示。仿真表明放电完毕后保持电容上的残余电压为０．６ｍＶ，该电压对下一次的充电影响可以忽略不计。因此，后面的仿真和分析中，省略了对放电回路的仿真。
Ｌ１．０．｝ｏ．
０．卜¨…｝｝…｝…｝～｝－斗￥＝；卜一…ｌ
０．ｙ
ｌ＼｛
ｌ‰、
ｊ、、￡ｌ
－０．
图５仿真时间为２５０ｎｓ时输出电压
由ＯＰＡ６１５数据手册可知，输出信号与输入信号是２倍的线性关系，对图３所示的电路图进行仿真。仿真结果如下：响应速度约为３ＦＩＳ，下垂速率约
２０
ｍＶ／¨ｓ。当ｆ＝１００ｎｓ时，输出信号Ｖｏ。。＝
１９８９．２ｍＶ，由此可得峰值保持的绝对误差为１０．８
ｍＶ，保持误差为１．０２％，仿真结果如图６
所示。
２－
２．１１・
Ｌ
０．０．
ｔｉｍｅ／Ｉｌｌｓ
图６仿真时间为２５０ｎｓ时输出电压
表１给出在输入信号相同的情况下，由这两款ＷＴＡ组成的峰值保持电路的比较结果。
表１
两款ｗＴＡ组成的峰值保持电路性能比较
下垂速率／
响应保持残余器件
（ｍＶ・Ｉｘｓ。）
时间／ｎｓ
误差／％
电压／ｍＶ
０ＰＡ６６０，８２．５１０ＯＰＡ６１５
２０
３
１．Ｏ
５
由上述仿真分析可以看出由这两款ｗＴＡ构成的峰值保持电路均能实现窄脉冲峰值保持的功能，且保持精度很高。ＯＰＡ６６０的响应时间较长，保持误差也较大；ＯＰＡ６１５的带宽最宽，响应时间很短，熊焱等窄脉冲激光信号峰值保持电路设计
１３７９
保持误差也最小，且电路中结构简单，虽然其输出信
号幅值是输入信号的２倍，由于所保持的信号为了提供给后续单片机电路处理，可以在单片机软件程序中将信号还原，以实现峰值保持的效果。因此，实际电路中选择ＯＰＡ６１５进行调试和实验。
４实际电路结果分析
实际中选择ＯＰＡ６１５构成跨导型峰值保持电路进行实验，用信号发生器产生窄脉冲信号，以输入作为触发源，通过示波器同时观察输入和峰值输出，并记录波形。通过多次实验可以发现，峰值保持电路的保持精度与诸多因素有关，主要有肖特基二极管和跨导放大器类型、保持电容类型和大小、输入信号频率和幅值、输入信号脉宽等。
肖特基二极管类型对电路影响非常大，由于二极管在开断之间有时间差，会有反向漏电流，反向漏电流越大，电路下垂速率也越大。因此，应选择正向导通电压小、开关时间快、恢复时间短以及结电容小
的二极管。此外，跨导放大器应选用宽带、高转换速率的放大器。
保持电容类型的选择主要考虑两个因素，一是电容的绝缘电阻要足够太，二是电容材料的吸收性能要好’７。。此外，保持电容越大，下垂速率和保持误差越小，响应时间越长。
输人信号频率过大时，保持电容上有残留电压，对下一次峰值保持有影响；输入信号幅值越大时，输出波形下垂越小，响应时问越慢；输入信号脉宽越小，输出波形下垂越严重。
综合上述结论，实际电路中，选择输入电压脉冲信号幅度Ｖｉ．．＝ｌＶ，脉宽取为２０ｎｓ，上升沿为５
ｎｓ，
频率为１ｋＨｚ，肖特基二极管的型号为ＢＡＴｌ７，分别
选择３０ｐＦ和５０ｐＦ的聚苯乙烯电容进行实验，测
得结果如表２和表３所示。
表２
Ｃ＝３０
ｐＦ时的实验结果
、
输入信号幅度／Ｖ０．３Ｏ．５
０．７０．９１．１１．３１．５１．７输出信号幅度／Ｖ０．５４Ｏ．９３１．３２１．７２２．１２２．５１２．９０３．３３保持误差／％
１０
７
５．７
４．４
３．６
３．５
３．３
２．１
表３
Ｃ＝５０
ｐＦ时的实验结果
输入信号幅度／ＶＯ．３
０．５Ｏ．７０．９１．１１．３１．５１。７输出信号幅度／Ｖ０．５９０．９９１．４０１．７９２１８２．５８２．９７３．３７保持误差／％
１．７
１．０
０
Ｏ．５
０．９
０．７
１．０
０．９
当输入电压峰值小于０．３Ｖ时，输出电压极不稳定，因此表中未给出输入电压峰值在０．】～０．３
Ｖ
１３８０
激光与红外
第４２卷
之间的保持误差。可以看出，选择５０ｐＦ的保持电容时，电路的保持效果最好。
５应用与结论
设计了一种窄脉冲激光信号峰值保持电路，选择合适的芯片，能实现纳秒级脉宽的激光信号峰值保持，以方便后续电路进行信号处理。该电路结构简单，线性度和稳定性好，响应速度快，保持精度高，可广泛应用于各种窄脉冲激光信号探测的场合。
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