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本文中以国外某型激光导引头中使用的象限探测器放大组件为例,利用象限探测器放大组件带宽设计方法对其带宽进行改进设计,并通过电路仿真软件,对改进前后组件的最小可探测功率参量进行实验比对,验证象限探测器放大组件带宽设计方法的可行性和有效性。
目前某型激光导引头使用的象限探测器放大组件的系统带宽设计为2MHz,其主要技术参量为:照射激光脉冲宽度典型值τ=20ns、象限探测器结电容Cd=15pF,象限探测器噪声等效功率PNEP=15pW/Hz1/2,前置放大器放大倍率为10000V/A。根据照射激光脉冲宽度τ结合(5)式得出探测器象限探测器放大组件系统最佳带宽理想值f-3dB=17.5MHz;系统各级连部件间采用等带宽设计,TIA模块、VGA放大模块以及比例放大模块的带宽值均为f-3dB, c=25.1MHz。
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根据上述象限探测器放大组件的主要技术参量,使用MULTISIM电路仿真软件,搭建象限探测器放大组件仿真电路。通过调整电路参量,改变系统带宽值,分别测量系统带宽为3.3MHz, 4.9MHz, 7.8MHz, 11.0MHz, 14.5MHz, 17.9MHz, 21.2MHz以及27.6MHz时,在相同激励下的输出信号信噪比,并拟合出信噪比随频率变化的曲线,如图 7所示。
图 7中将电路仿真得出的带宽-信噪比变化曲线与利用象限探测器放大组件带宽设计方法进行数值仿真得出的结果做对比,可以看出, 两种不同的仿真方法得出的曲线变化趋势基本一致,且均存在唯一的最佳带宽值。使用电路仿真得出的最佳带宽值约为18MHz,与利用象限探测器放大组件带宽设计方法,计算得出的最佳带宽值基本一致,其相对误差小于5%。通过分析,引起该相对误差主要原因是图 4所示激励脉冲等效带宽与放大组件最佳带宽关系曲线的非线性。而结合图 5进行分析,该相对误差对探测灵敏度的影响小于0.1%,可忽略不计。
通过上述验证实验证明,象限探测器放大组件带宽设计中数值仿真及分析过程正确,同时也证明:使用象限探测器放大组件带宽设计方法,通过控制象限探测器放大组件带宽使其等于最佳带宽值,可提高激光导引系统的探测灵敏度。
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为了定量评估象限探测器放大组件带宽设计方法对某型激光导引头中使用的象限探测器放大组件的探测灵敏度优化程度,使用MULTISIM仿真软件,采用等带宽结构,搭建系统带宽分别为2.4MHz和17.8MHz的象限探测器放大组件仿真电路,对其输出信号的特性仿真,其结果如图 8所示。
图 8a是系统带宽为17.8MHz时,象限探测器放大组件输出信号时域波形;图 8b是系统带宽为2.4MHz时,象限探测器放大组件输出信号的时域波形。通过对比可以直观地看到,在相同信号激励下,当放大组件带宽等于最佳带宽值时,其输出信号的信噪比明显优于带宽为2.4MHz时。同时,将系统带宽等于最佳带宽值时的放大组件的输出特性与带宽为2.4MHz时放大组件的输出信号特性参量进行定量比对,其结果如表 1所示。
system
band-
width/MHzexcitation
signal pulse
width/nsoutput signal
amplitude/
mVoutput
noise
value/mVoutput signal-
to-noise
ratio/dB
before
improvement2.4 20 13.7 1.31 20.38 after
improvement17.8 20 69.03 2.68 28.2 Table 1. Comparison table of output signal and noise amplitude
由比对结果可知,在相同脉冲激光照射下,象限探测器放大组件带宽改进设计后,其输出信号的信噪比较改进前提升了约8dB。若激光导引头光学系统参量不变,使用象限探测器放大组件设计方法对象限探测器放大组件的带宽改进设计后,某型激光导引头的最小可探测功率下降约60%。由此可证明象限探测器放大组件带宽设计可有效地提升激光导引头的探测灵敏度。