CN102281035A - 放大器电路和用于调整检测器元件的输出电流信号的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种放大器电路和用于调整检测器元件的输出电流信号的方法。该放大器电路包括输出电流是信号依赖的检测器元件(11)、负载电阻(32)以及运算放大器(23)。检测器元件(11)的一端和负载电阻(32)电连接至运算放大器(23)的输入端。负载电阻(32)为至少两个部分电阻器(321，322)串联连接的形式，补偿电容器(82，83)分别与部分电阻器(321，322)并联连接，或者多个串联连接的部分补偿电容器(821，822，831，832)与各部分电阻器(321，322)并联连接。运算放大器(23)的输出端(O)通过反馈电容器(7)与补偿电容器(82，83，821，822，831，832)之二相连接，从而至少部分补偿负载电阻(32)的寄生电容的影响。

Description

放大器电路和用于调整检测器元件的输出电流信号的方法
技术领域
本发明的实施例涉及放大器电路、具有光电二极管的检测器电路以及用于调整检测器元件的输出电流信号的方法，其中，该检测器元件输出取决于被检测的物理量的输出电流。
背景技术
当例如光、温度和压力等可被检测器元件检测到的物理量施加至多个例如光电二极管的检测器元件或传感器时，检测器元件或传感器生成输出电流信号，输出电流的强度取决于被检测的物理量的量或强度或幅度，例如光强度、温度和压力。分别通过负载电阻(load resistance)或跨导放大器(transimpedanceamplifier)将输出电流信号转换为电压信号。
图1示出跨导放大器电路，其中，检测器元件被简示为电流源10且与运算放大器(OPV)20的反相输入端连接。OPV 20的输出端O经由具有寄生电容40的欧姆电阻30与OPV 20的反相输入端连接。
图2涉及用于通过负载电阻31将检测器元件的输出电流信号转换为电压信号的放大器电路。检测器元件被简示为设置在基准电位和OPV 21的非反相输入端之间的电流源10。负载电阻31及其寄生电容41也连接在基准电位和OPV 21的非反相输入端之间，使得电流源10的输出电流流经负载电阻31。
假定图1和图2所示的放大器电路仅以直流电流和直流电压或者慢速变化的信号而动作，并将此用作运算放大器的理想运行的基础，则通过将相应的输出信号电流乘以负载电阻来获得输出端O处的电压量。如果输出信号电流是快速变化的信号，则放大器电路由于负载电阻的寄生电容而表现出低通特性。
例如，针对信号噪声也被放大，可以在其它信号路径设置相应的高通滤波器来补偿这种低通特性。
图3涉及具有图2所示负载电阻31的另一放大器电路，其中，通过自举电路(bootstrap circuit)减少或补偿检测器元件的寄生电容51。检测器元件再次被简示为电流源10，电流源10的第一端经由偏置电阻器6耦接至直流电压源，电流源10的第二端耦接至OPV 21的非反相输入端。OPV 21的输出信号经由自举电容器52耦接回OPV 21的非反相输入端。
由于OPV 21的传输延迟，在OPV 21的输出信号与输入信号之间发生相位偏移，使得对于较高频率的补偿效果受到削弱。
发明内容
本发明基于以下的目的，即提供一种针对检测器元件具有更大带宽的放大器电路，其中，该检测器元件的输出电流是信号依赖(signal-dependent)的。该目的包括用于调整检测器元件的输出电流信号的方法。
通过如独立权利要求所要求保护的放大器电路及方法来实现上述目的。根据各从属权利要求获得有利的实施例。
在下文中，将参考附图更详细地说明本发明的实施例。主要着重于描述和解释形成本发明的基础的原理。只要不同实施例的特征不彼此排斥，则可以将不同实施例的特征彼此结合。在下文中，将参考附图更详细地说明本发明。
附图说明
图1示出根据现有技术的跨导放大器电路的简化电路图。
图2示出根据现有技术的具有负载电阻的放大器电路的简化电路图。
图3示出根据现有技术的具有自举电容器的放大器电路的简化电路图。
图4示出根据一个实施例的具有两个部分负载电阻和两个补偿电容器的放大器电路的简化电路图。
图5示出根据另一实施例的具有两个部分负载电阻和四个部分补偿电容器的放大器电路的简化电路图。
图6示出用于说明检测器元件的寄生电容的影响的图3所示放大器电路的传输函数。
图7示出用于说明负载电阻的寄生电容的影响的图2所示放大器电路的传输函数。
图8示出用于说明根据一个实施例的反馈电容器的影响的图5所示放大器电路的传输函数。
图9示出用于说明寄生电容的影响的图5所示放大器电路的另一传输函数。
图10示出用于调整检测器元件的输出电流信号的方法的简化流程图。
具体实施方式
图4示出根据一个实施例的具有检测器元件11的放大器电路的电路图，检测器元件11的输出电流信号要转换为电压信号。根据一个实施例，检测器元件11是光电二极管，例如是具有低的信号依赖输出电流的PIN光电二极管，诸如用在干涉仪中的PIN光电二极管或者用于在光纤陀螺仪中记录干涉仪信号的PIN光电二极管等。根据其它实施例，检测器元件是交流电流信号源、磁性检波器、压电传感器或热敏元件(thermoelement)。
一方面，检测器元件11可以经由偏置电阻器6连接至电压源。另一方面，检测器元件11电连接至运算放大器(OPV)23的非反相输入端和负载电阻32，其中，负载电阻32分为两个串联连接的部分电阻器321、322并耦接至例如地的基准电位。根据其它实施例，不设置偏置电阻器6。
利用与检测器元件11并联连接的电容器51表示检测器元件11固有的寄生电容。以同样的方式，用电容器421、422表示部分电阻器321、322各自固有的寄生电容。为了部分补偿电容器421、422的电容波动，分别设置与部分电阻器321、322并联连接的补偿电容器82、83。补偿电容器82、83彼此串联连接在基准电位和OPV 23的非反相输入端之间。
根据一个实施例，设置自举电容器52以补偿检测器元件11的寄生电容51，OPV 23的输出信号经由自举电容器52从OPV 23的输出端O耦接回非反相输入端。根据其它实施例，不设置自举电容器52。
为了补偿部分电阻器321、322的寄生电容的低通效应，通过反馈电容器7将来自OPV 23的输出端O的输出信号反馈至补偿电容器82、83的串联中，例如，反馈至补偿电容器82、83之间。
如图4所示，实际负载电阻的等效电路图包括负载电阻与寄生电容的并联连接。当负载电阻分为两个串联连接的部分电阻器时，绝对电阻值保持不变，而寄生电容几乎减半。然而，由于随之添加了来自连接表面的寄生电容，因此不能任意地继续上述方法。
由于电阻器的制造商通常不标明寄生电容的电容值，寄生电容的电容值有很大波动。由于这个原因，将标明具有接近的电容的补偿电容器布置为与负载电阻并联或者分别与部分电阻器并联。补偿电容器的电容可以选择为与寄生电容的电容具有同一量级或者略大于寄生电容的电容。
图5示出以下的实施例，根据该实施例，图4所示的补偿电容器82和补偿电容器83分别分为彼此串联连接的两个部分电容器821、822和两个部分电容器831、832。在合适的点处，经由反馈电容器7将输出信号从OPV 23的输出端反馈到部分电容器821、822、831、832的串联中，例如，如图5所示，反馈到分配给被定位为朝着基准电位的部分电阻器322的两个部分电容器831、832之间。反馈电容器的电容值小于10pF，例如为2pF或更低，但至少是例如500fF。
根据具有四个部分电容器821、822、831、832的其它实施例，反馈电容器7也可以连接至部分电容器822和831之间的连接处。除电容器的大小之外，电容器之间的比值对于指定连接点也是决定性的。由于这会导致很多种情况，根据上述实施例将电容器821、822、831、832均选择为彼此相等。电容器831、832之间的节点被确定为最优的反馈输入。
负载电阻32可以为100kΩ～1MΩ的量级，部分电容器821、822、831、832可以为约0.2pF～2pF的量级。在光电二极管的情况下，负载电阻的电流可以在几纳安～几微安之间。在具有较高信号电流的其它传感器的情况下，必须相应地改变负载电阻。
根据具有四个部分电容器821、822、831、832的其它实施例，可以将输出信号反馈至分配给被定位为朝着OPV 23的部分电阻器321的两个部分电容器822和821之间。其它实施例涉及将负载电阻32分为多于两个的部分电阻器的结构。
图6～图9分别示出如图2、图3、图5所示的放大器电路的频率依赖的传输函数。沿纵轴以分贝为单位分别绘制输出信号的衰减，沿横轴以赫兹为单位绘制频率。已通过测试和仿真确定了这些传输函数。
图6所示的传输函数A、B、C示出光电二极管的寄生电容对图3所示具有自举电容器的放大器电路的带宽的影响。假定传输函数A的寄生电容为1pF，传输函数B的寄生电容为2pF，以及传输函数C的寄生电容为3pF。当使用自举电容器时，寄生电容的波动对整体电路的带宽仅有轻微影响。在示出的例子中，光电二极管的寄生电容为1pF与光电二极管的寄生电容为3pF之间的带宽差为400kHz。随后，由负载电阻和负载电阻的寄生电容给定的低通滤波器是确定放大器电路的时间常数。
图7所示的传输函数A、B、C、D示出负载电阻的寄生电容对放大器电路的带宽的影响。在该情况下，曲线A假定寄生电容为0.2pF、曲线B假定寄生电容为0.7pF、曲线C假定寄生电容为1.2pF以及曲线D假定寄生电容为1.7pF。由于四个电容器串联连接，因此，最小的电容为200/4＝50fF，最大的电容为1700/4≈400fF。带宽从400fF的2.7MHz扩展至50fF的10.1MHz，即相差了约4倍。
图8示出反馈电容器对图5所示放大器电路的带宽的影响。假定计算曲线A用的反馈电容器的电容为0pF，计算曲线B用的反馈电容器的电容约为2pF。没有反馈电容器时，带宽为4.8MHz，具有2pF的反馈电容器时，带宽约为8.8MHz。
图9示出寄生电容器421、422对图5所示放大器电路的带宽的减小效果。曲线A、B、C、D是用寄生电容器的不同电容值计算出的：A)100fF、B)150fF、C)200fF、D)250fF。与图7比较可知，放大器电路的带宽对负载电阻的寄生电容的波动范围的依赖性明显较小。
根据图10所示的方法，为了调整检测器元件的信号依赖的输出电流信号，通过负载电阻和运算放大器将输出电流信号转换为电压信号(302)。在这种配置下，将负载电阻设置为至少两个部分电阻器的串联电路。部分电阻器分别并联连接补偿电容器，或者并联连接多个串联连接的部分补偿电容器。经由反馈电容器将运算放大器的输出信号馈回至两个补偿电容器或者部分补偿电容器之间(304)，以对部分电阻器的寄生电容的低通效应进行补偿。
根据一个实施例，运算放大器的输出信号还经由自举电容器和检测器元件馈回至运算放大器的输入端，以对检测器元件的寄生电容进行补偿。

Claims (12)

1.一种放大器电路，包括：
检测器元件(11)，所述检测器元件(11)的输出电流是信号依赖的，
负载电阻(32)，以及
运算放大器(23)，
其中，所述检测器元件(11)的一端和所述负载电阻(32)电连接至所述运算放大器(23)的输入端，
所述负载电阻(32)被设置为至少两个部分电阻器(321，322)串联连接的形式，补偿电容器(82，83)分别与所述部分电阻器(321，322)并联连接或者多个串联连接的部分补偿电容器(821，822，831，832)分别与所述部分电阻器(321，322)并联连接，所述运算放大器的输出端(O)通过反馈电容器(7)与所述补偿电容器(82，83)中的两个补偿电容器或所述部分补偿电容器(821，822，831，832)中的两个部分补偿电容器相连接。
2.根据权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，所述补偿电容器(82，83)各自的电容为所述部分电阻器(321，322)各自的寄生电容的量级。
3.根据权利要求2所述的放大器电路，其特征在于，所述补偿电容器(82，83)各自的电容大于所述部分电阻器(321，322)各自的寄生电容。
4.根据权利要求3所述的放大器电路，其特征在于，对所述部分电阻器(321，322)分别分配两个部分补偿电容器(821，822，831，832)。
5.根据权利要求1所述的放大器电路，其特征在于，所述检测器元件(11)的不与所述运算放大器(23)连接的一端连接至直流电压源。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的放大器电路，其特征在于，所述检测器元件(11)是交流电流信号源。
7.根据权利要求1～5中的任一项所述的放大器电路，其特征在于，所述检测器元件(11)是光电二极管。
8.根据权利要求7所述的放大器电路，其特征在于，所述检测器元件(11)是光学PIN二极管。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的放大器电路，其特征在于，为了补偿所述检测器元件(11)的寄生电容(51)，所述运算放大器(23)的输出信号经由自举电容器(52)和所述检测器元件(11)耦接回所述运算放大器(23)的输入端。
10.根据权利要求1～8中的任一项所述的放大器电路，其特征在于，在所述运算放大器(23)的输出端和所述检测器元件(11)的不与所述运算放大器(23)连接的一端之间设置自举电容器(52)。
11.一种用于调整检测器元件(11)的输出电流信号的方法，所述输出电流信号是信号依赖的，所述方法包括：
通过负载电阻(32)和运算放大器(23)将所述输出电流信号转换为电压信号，所述负载电阻(32)被设置为至少两个部分电阻器(321，322)的串联电路，补偿电容器(82，83)分别与所述部分电阻器(321，322)并联连接或者多个串联连接的部分补偿电容器(821，822，831，832)分别与所述部分电阻器(321，322)并联连接；
经由反馈电容器(7)将所述运算放大器(23)的输出信号馈回至所述补偿电容器(82，83)中的两个补偿电容器之间或者所述部分补偿电容器(821，822，831，832)中的两个部分补偿电容器之间，以对所述部分电阻器(321，322)的寄生电容的低通效应进行补偿。
12.根据权利要求11所述的用于调整检测器元件(11)的输出电流信号的方法，其特征在于，还包括：
经由自举电容器(52)和所述检测器元件(11)将所述运算放大器(23)的输出信号馈回至所述运算放大器(23)的输入端，以对所述检测器元件(11)的寄生电容(51)进行补偿。
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