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CN113670345A - 一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置 - Google Patents

一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置，包括光电二极管和电流信号分解模块。光电二极管的阳极与电流信号分解模块的输入端连接，光电二极管接收光信号并转换为电流信号，电流信号分解模块包括电流低频信号检测电路和电流高频信号检测电路，用于分解光电二极管产生的电流信号的低频分量和高频分量，并且将电流低频分量和高频分量分别转换、放大成电压信号。本发明可以实现光电流信号分解，适用于需要在大直流分量中精密提取微弱交流分量的光电探测系统，可大幅度提高交流分量的第一级跨阻增益，从而提高系统信噪比，具有结构简单、低噪声的优点。

Description

一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置
技术领域
本发明涉及光电探测领域，尤其涉及一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置。
背景技术
利用光电二极管或其他电流输出传感器测量物理性质的精密测量系统，常常需要将电流信号的直流分量和交流分量分解来获得不同的物理信息。比如在光镊技术、激光准直技术等实时动态测量及闭环控制系统中，只有光电流的交流分量包含了位移变化信息，所以需要从光电流大直流分量中精密提取微弱交流分量。
图2示出了第一种常规的电流分解方法，这种方法实际上是电压分解，先将光电流通过跨阻放大器转换为电压信号后再通过滤波、差分等方法实现直流分量和交流分量的分解，但是光电流中的高直流分量会极大地限制跨阻放大电路的增益，导致运算放大器饱和，所以这种方法需要在跨阻放大电路后级再添加多级电压放大结构实现高增益。多级电压放大结构会增加组件数量、增大方案尺寸，并且前级的输出噪声会在后级放大，影响系统的噪声性能和精度。
图3示出了第二种常规的电流分解方法，利用电容和接地电阻实现电流交流耦合，这种方法光电二极管两端的压差会随光电流直流分量幅值的变化而改变，一方面影响光电二极管性能的稳定性，另一方面为了降低系统的噪声增益，电阻R11应选较大阻值，但是光电流一定时，较大阻值的R11会导致光电二极管阳极的电压过大。所以这种方案若保证大入射光功率，需减小R11阻值，会极大地牺牲电路噪声性能；若保证电路噪声性能，需降低入射光功率，会劣化光噪声。
而且上述两种常规方案在提取交流分量时，没有将直流分量保留，而是直接将直流分量滤除，从而无法获取直流分量中的物理信息。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置，能够分解并同时提取出光电流中的低频分量和高频分量，克服了常规电流分解方法的缺点，能同时获得低频分量和高频分量中的物理信息，无需将电流信号转换为电压信号后再分解，并且不改变光电二极管两端的压差，本发明提高了光电探测装置的噪声性能和精度，简化了电路结构设计。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置，包括光电二极管和电流信号分解模块，所述光电二极管的阳极与所述电流信号分解模块的输入端连接；所述光电二极管接收光信号并转换为电流信号；所述电流信号分解模块包括电流低频信号检测电路和电流高频信号检测电路，用于分解所述光电二极管产生的电流信号的低频分量和高频分量，并且将电流低频分量和高频分量分别转换放大成电压信号。
进一步地，所述电流低频信号检测电路由电阻R1、电阻R2、电容C1和运算放大器OPA1组成，所述电阻R1一端与所述光电二极管阳极连接，另一端与所述运算放大器OPA1的负输入端连接，所述电阻R2一端与所述光电二极管阳极连接，另一端与所述运算放大器OPA1的输出端连接，所述电容C1一端与所述运算放大器OPA1的负输入端连接，另一端与所述运算放大器OPA1的输出端连接，所述运算放大器OPA1的正输入端接地。
进一步地，所述电流低频信号检测电路包含电流低通滤波器，用于提取光电流中的低频分量，所述运算放大器OPA1的输出Udc＝-I2×R2，其中I2为光电流的低频分量。
进一步地，所述电流低通滤波器的截止频率可由
Figure BDA0003203580280000021
近似计算。
进一步地，所述电流高频信号检测电路由电阻R3、电容C2、电容C3和运算放大器OPA2组成，所述电容C2一端与所述光电二极管阳极连接，另一端与所述运算放大器OPA2的负输入端连接，所述电容C3和所述电阻R3并联后，一端与所述运算放大器OPA2的负输入端连接，另一端与所述运算放大器OPA2的输出端连接，所述运算放大器OPA2的正输入端接地。
进一步地，所述电流高频信号检测电路包含电流高通滤波器，用于提取光电流中的高频分量，所述运算放大器OPA2的输出Uac＝-I3×R3，其中I3为光电流的高频分量。
进一步地，所述电流高通滤波器的截止频率可由
Figure BDA0003203580280000022
近似计算，其中R1||R2表示R1和R2并联。
附图说明
图1是本发明的电路连接示意图；
图2是一种常规电流分解方法的电路图；
图3是另一种常规电流分解方法的电路图；
图4是一具体实施例的输出幅频特性曲线；
图5是本发明技术和常规技术在相同增益下实测的电压噪声密度曲线对比图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
本发明所提供的一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置，包括光电二极管和电流信号分解模块；所述光电二极管的阳极与所述电流信号分解模块的输入端连接；所述光电二极管接收光信号并转换为电流信号；所述电流信号分解模块包括电流低频信号检测电路和电流高频信号检测电路，用于分解所述光电二极管产生的电流信号的低频分量和高频分量，并且将电流低频分量和高频分量分别转换放大成电压信号。
在本实施例中，如图1，电流低频信号检测电路由电阻R1、电阻R2、电容C1和运算放大器OPA1组成，它们之间的连接关系描述如下：电阻R1一端与光电二极管阳极连接，另一端与运算放大器OPA1的负输入端连接，电阻R2一端与光电二极管阳极连接，另一端与运算放大器OPA1的输出端连接，电容C1一端与运算放大器OPA1的负输入端连接，另一端与运算放大器OPA1的输出端连接，运算放大器OPA1的正输入端接地。
在本实施例中，如图1，电流高频信号检测电路由电阻R3、电容C2、电容C3和运算放大器OPA2组成，它们之间的连接关系描述如下：电容C2一端与光电二极管阳极连接，另一端与运算放大器OPA2的负输入端连接，电容C3和电阻R3并联后，一端与运算放大器OPA2的负输入端连接，另一端与运算放大器OPA2的输出端连接，运算放大器OPA2的正输入端接地。
根据运算放大器“虚短”、“虚断”的特性以及电路基本原理可知：
I0＝I1+I2+I3 (1)
U1＝I1×R1 (2)
U1＝I3×ZC2 (3)
Udc＝U1-I2×R2 (4)
Figure BDA0003203580280000031
其中I0为光电二极管生成的光电流，ZC1和ZC2分别为电容C1和C2的等效阻抗。由以上公式可得：
Figure BDA0003203580280000032
Figure BDA0003203580280000033
Figure BDA0003203580280000034
Figure BDA0003203580280000041
Figure BDA0003203580280000042
Figure BDA0003203580280000043
电容C1、C2在谐振频率内表现为容性，等效阻抗可由公式
Figure BDA0003203580280000044
确定。由式(6)(7)(8)(9)可得，低频时，U1|f＝0＝0，I1|f＝0＝0，I2|f＝0＝I0，I3|f＝0＝0；高频时，U1|f＝∞＝0，I1|f＝∞＝0，I2|f＝∞＝0，I3|f＝∞＝I0，从而实现电流高频分量和低频分量的分离，并且光电二极管阳极的电压U1不随光电流变化而变化。
在本实施例中，如图1，运算放大器OPA1和运算放大器OPA2的型号选用低噪声、宽电源轨的精密运算放大器OPA209，电阻R1的阻值选为200kΩ，电阻R2的阻值选为3kΩ，电阻R3的阻值选为10kΩ，电容C1的容值选为2nF，电容C2的容值选为10nF，电容C3的容值选为10pF，本实施例的输出幅频特性曲线如图4。本实施例已实际应用于真空光镊技术的位置探测系统中，在2×104系统增益下，本发明技术和图2常规技术实现的光电探测装置在相同测试系统中实际测试的电压噪声密度曲线如图5，表明本发明技术在1MHz内的平均输出电压噪声密度相对于图2常规技术优化了接近一个量级，噪声性能得到极大改善，而且本发明电路结构更简单，有利于降低成本和解决方案面积。
与常规技术比较，本发明能够分解并同时提取出光电流中的低频分量和高频分量，无需将电流信号转换为电压信号后再分解，并且不改变光电二极管两端的压差，适用于需要在大直流分量中精密提取微弱交流分量的光电探测系统，可大幅度提高交流分量的第一级跨阻增益，从而提高系统信噪比，具有结构简单、低噪声的优点。
上述具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置，其特征在于：包括光电二极管和电流信号分解模块，所述光电二极管的阳极与所述电流信号分解模块的输入端连接；所述光电二极管接收光信号并转换为电流信号；所述电流信号分解模块包括电流低频信号检测电路和电流高频信号检测电路，用于分解所述光电二极管产生的电流信号的低频分量和高频分量，并且将电流低频分量和高频分量分别转换放大成电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置，其特征在于：所述电流低频信号检测电路由电阻R1、电阻R2、电容C1和运算放大器OPA1组成，所述电阻R1一端与所述光电二极管阳极连接，另一端与所述运算放大器OPA1的负输入端连接，所述电阻R2一端与所述光电二极管阳极连接，另一端与所述运算放大器OPA1的输出端连接，所述电容C1一端与所述运算放大器OPA1的负输入端连接，另一端与所述运算放大器OPA1的输出端连接，所述运算放大器OPA1的正输入端接地。
3.根据权利要求2所述的一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置，其特征在于：所述电流低频信号检测电路包含电流低通滤波器，用于提取光电流中的低频分量，所述运算放大器OPA1的输出Udc＝I2×R2，其中I2为光电流的低频分量。
4.根据权利要求3所述的一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置，其特征在于：所述电流低通滤波器的截止频率可由
Figure FDA0003203580270000011
近似计算。
5.根据权利要求1所述的一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置，其特征在于：所述电流高频信号检测电路由电阻R3、电容C2、电容C3和运算放大器OPA2组成，所述电容C2一端与所述光电二极管阳极连接，另一端与所述运算放大器OPA2的负输入端连接，所述电容C3和所述电阻R3并联后，一端与所述运算放大器OPA2的负输入端连接，另一端与所述运算放大器OPA2的输出端连接，所述运算放大器OPA2的正输入端接地。
6.根据权利要求5所述的一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置，其特征在于：所述电流高频信号检测电路包含电流高通滤波器，用于提取光电流中的高频分量，所述运算放大器OPA2的输出Uac＝I3×R3，其中I3为光电流的高频分量。
7.根据权利要求6所述的一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置，其特征在于：所述电流高通滤波器的截止频率可由
Figure FDA0003203580270000012
近似计算，其中R1||R2表示R1和R2并联。
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CN114413769A (zh) * 2022-04-01 2022-04-29 之江实验室 一种四象限探测模块及其应用方法
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