CN102914366A - 一种高共模抑制比(cmrr)的光电差分探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高共模抑制比(CMRR)的光电差分探测器。该装置包括两个光电二极管D21和D22、差分微调电路28以及跨阻放大电路29，两个光电二极管D21和D22串接，组成差分电路，对两路光信号进行差分运算得到差分光电流，通过调节差分微调电路28可以使得两个光电二极管D21和D22的光电流响应速度高度相近或者相等，跨阻放大电路29对差分光电流进行I-V放大等到差分电压信号。本发明巧妙的运用了一种差分电阻微调电路28调节两个光电二极管D21和D22的差异，让探测器具有高CMRR、高信噪比(SNR)以及低成本等优点，可以广泛用于高精度激光光谱测量、高精度半导体磁光克尔转角测量、高精度半导体法拉第转角测量试等试验中。

Description

一种高共模抑制比(CMRR)的光电差分探测器

技术领域

本发明涉及一种光电差分探测装置，尤其是涉及一种具有高共模抑制比的光电差分探测装置及实现方法，其特点是利用差分微调电路补偿光电二极管的差异来提高光电差分对管的共模抑制比。在高精度低噪声激光测量中具有重要的应用价值。

背景技术

随着激光实验的发展，激光器的功率漂移、散弹噪声和寄生调制等因素对激光实验的测量的影响越显突出，低噪声高分辨率的光电探测也越显重要，尤其是低频率调制的激光测量实验受此影响较大。光电差分探测能够运用电路手段抑制激光的噪声影响，大大提高光电探测的信噪比。

光电差分探测器通过对两束激光，一束为待测激光，另一束为参考激光，进行差分运算，实现共模噪声抵消，差模噪声将放大，从而提高测量的信噪比。两束激光的偏置和共模噪声将会被抑制，差异将被放大，由此可知，光电差分探测器对两束激光的共模抑制能力将决定噪声的消除效果。目前现有的技术由于技术单一，无法减小或者消除光电二极管的响应差异和放大电路差异，使得共模抑制比局限于40db。

本发明将对光电二极管的差异进行分析，运用差分微调电路对上述差异进行有效补偿，大大提高差分光电探测器的共模抑制比。

发明内容

光电二极管的等效电路如附图1，由二极管D1、并联电阻R2、并联电容C3和串联电阻Rs4组成。二极管D1等效光电二极管的PN结，可表示其光谱响应；并联电阻R2等效光电二极管开路电阻，可表示其暗电流；并联电容C3等效光电二极管的PN结电容，可表示其交流特性；串联电阻Rs4等效光电二极管封装中的连线、管脚以及各种连接电阻，可表示其输出内阻。

光电差分探测器运用两个光电二极管，其中一个用于探测待测光信号，另一个用于探测参考光信号，所以理论上应选择两个完全一样的光电二极管进行探测才能实现高共模抑制比，但是完全一样的光电二极管现实世界上不存在。影响光电二极管的差异主要有四个因素：光电二极管的光谱响应S差异、光电二极管的等效串联电阻Rs差异、光电二极管的等效并联电容C差异以及光电二极管等效并联电阻R差异。上述差异对光电差分对管的共模抑制比的影响分别如下：

a)光谱响应S差异将直接影响光信号转换为电信号的比例，此差异ΔS将直接影响光电流

的差异Δ×I，两者呈线性关系，对光电二极管共模抑制比的影响为：

$\mathrm{CMRR}=20\×{\log }_{10}\frac{I_{\mathrm{com}}}{\mathrm{\Δ}\×I}=20\×{\log }_{10}\frac{I_{\mathrm{com}}}{\mathrm{\Δ}\×I_{\mathrm{com}}}$

b)光电二极管等效串联电阻Rs差异将直接影响光电二极管的输出相位特性，此差异ΔR1将直接影响光电流的相位差异

两者呈线性关系，对光电二极管共模抑制比的影响为：

c)光电二极管等效并联电容C差异跟光电二极管等效串联电阻Rs差异一样，都将直接影响光电二极管的输出相位特性，此差异ΔC将直接影响光电流的相位差异

对光电二极管的共模抑制影响与等效串联电阻Rs差异一样。

d)光电二极管等效并联电阻R差异与b)与c)影响效果一样，都将直接影响光电二极管的输出相位特性，但是影响比例不同，此差异ΔR将影响光电流的相位差异为

对光电二极管共模抑制比的影响为：

$\mathrm{CMRR}=20\×{\log }_{10}\frac{I_{\mathrm{com}}}{\frac{(\mathrm{Rs}+R)\×(R+\mathrm{\Δ}\×R)}{(\mathrm{Rs}+R+\mathrm{\Δ}\×R)\×R}\×I_{\mathrm{com}}}$

$=20\×{\log }_{10}\frac{I_{\mathrm{com}}}{\frac{(\mathrm{Rs}+R)\×(R+\mathrm{\Δ}\×R)}{(\mathrm{Rs}+R+\mathrm{\Δ}\×R)\×R}\×I_{\mathrm{com}}}$

由于光电二极管R＞＞Rs，所以d)相比a)、b)、c)对光电差分探测器的共模抑制比影响要小很多，可以忽略其影响。其中a)的影响可以通过调节光电差分探测器的入射光强进行补偿，容易实现；b)和c)的差异就很难通过调节光学器件和光路来调节，所以本发明运用电路手段，采用差分微调电路对b)和c)的差异进行有效补偿，实现高共模抑制比。

本发明将通过调节光电二极管的串联电阻Rs差异，减小或者消除光电二极管的输出光电流相位差异

实现高的共模抑制比。光电差分探测器的电路如附图2，包括两个光电二极管D21和D22、差分微调电路28以及跨阻放大电路29，两个光电二极管D21和D22串接组成差分电路，对两路光信号进行差分运算得到差分光电流，通过调节差分微调电路28可以使得两个光电二极管D21和D22的光电流响应速度高度相近或者相等，跨阻放大电路29对差分光电流进行I-V放大等到差分电压信号。光电差分微调电路28是由一个可调电阻VR26和两个等值的固定阻值的电阻R23和R24组成。可调电阻VR26的阻值为10倍的固定电阻R23(或R24，R23＝R24)阻值，调节可调电阻VR26可以同时改变电阻R23和R24的并联等效电阻，而且电阻R23阻值的改变方向与R24的相反。通过计算可以得到R23或R24的并联等效阻值变化公式为：

$\mathrm{\Δr}=[R23-R24]{|}_{\mathrm{VR}(0\→10\×R23)}=[\frac{R23\×\mathrm{VR}}{R23+\mathrm{VR}}-\frac{R24\×(10\×R24-\mathrm{VR})}{11\×R24-\mathrm{VR}}]{|}_{\mathrm{\ΔR}(0\→10\×R23)}$

其中：R23＝R24。运用Matlab计算得到其调节曲线如附图3：

图中纵坐标为电阻R23的并联等效阻值减去R24的并联等效阻值Δr＝R23-R24，横坐标为可调电阻VR26从0到100％的值。曲线在VR26值为20到80之间是非常平滑的，这表明当电阻光电二极管的光电流输出相位差

很小时，可以很好的解决b)、c)和d)误差带来的影响，使得两个光电二极管高精度匹配，达到高的共模抑制比。例如：采用普通的20T的可调电阻变可以实现±7.759×10^-6Ω/°电阻匹配精度，对应得到的最大共模抑制比为：

$\mathrm{CMRR}=20{\log }_{10}\frac{1}{7.759\×{10}^{-6}}=102.2\mathrm{db}\left(\max \right)$

这个结果比目前所有的现有技术40db要高很多，非常适合高精度、低噪声光电探测试验。

附图说明

图1是光电二极管的等效模型图。

图2是本发明的光电差分探测器的原理图。

图3是本发明的差分微调电路28的可调电阻VR26的改变对R23和R24的调节分析图，曲线的纵坐标为电阻R23的并联等效阻值减去R24的并联等效阻值Ar＝R23-R24，横坐标为可调电阻VR26从0到100％的值。

图4是一种调节本发明光电差分探测器的共模抑制比方案图。

具体实施方式

依据上述原理与图解，本发明给出一种具体实施方法。

a)选择Hamamtsu公司的配对精度为1％的孪生光电二极管S1336-10BQ作为差分光电探测器的光电二极管D21和D22，其具有宽的光谱响应、大接收面积、超低噪声等优点。

b)选择Vishay公司的T93YA101KT20阻值为100Ω的精密可调电阻作为差分微调电路28的可调电阻VR26。

c)选择两个Vishay公司的CMF5010K000BEEB阻值为10Ω的金属膜电阻作为差分微调电路28的固定阻值电阻R23和R24。

d)选择TI公司的OPA129U低输入偏置电流、低噪声运算放大器作为光电差分探测器的OPA27。

e)选择Vishay公司的CMF55100K00BEEB阻值为100KΩ的金属膜电阻作为光电差分放大器的Rf25。

f)选择Wima公司的FKP2D001001D00JSSD容值为100pF的薄膜电容作为光电差分放大器的Cf26。

搭建完光电差分对管后，本发明提供一种调节光电差分探测器的共模抑制比方案，如附图4：采用632nm的He-Ne激光器41为光源，经过一个光隔离器42，接着经过一个偏振方向为45°的高消光比起偏器43，得到偏振方向为45°的偏振激光，再经过一个斩波器44，调制激光的强度，再经过一个可调角度的沃拉斯顿棱镜45进行检偏，得到两个偏振方向互相垂直的偏振光，然后分别射入光电差分探测器46的两个光电二极管中，光电差分探测器46的输出电压输入到锁相放大器47中测量出其幅值。

调节沃拉斯顿棱镜45，使得锁相放大器47读数最小，然后调节光电差分探测器46的差分微调电路中的可调电阻VR，使得锁相放大器47的读数进一步减小到最低，记录此值V_min，然后挡住其中一路光，读出此时锁相放大器47读数V1，同样的方式挡住另外一路光，读出锁相放大器47读数V2，根据公式计算出此时的共模抑制比：

$\mathrm{CMRR}=20{\log }_{10}\frac{\frac{V1+V2}{2}}{V_{\min }}\mathrm{db}$

同时可以根据需要调节不同频率下的共模抑制比，使其在光电差分探测器46在需要的频段具有高的共模抑制。

Claims (2)

1.一种高共模抑制比光电差分探测器，其特征是包括光电二极管、差分微调电路和跨阻放大电路，两个光电二极管串接组成差分电路，通过调节差分微调电路可以使得两个光电二极管的光电流响应速度高度相近或者相等，跨阻放大电路对差分光电流进行I-V放大，得到差分电压信号。

2.权利要求书1中所述的高共模抑制比的光电差分探测器，其特征是差分微调电路由可调电阻和两个等值的固定电阻组成，可调电阻的阻值为10倍的固定电阻阻值。

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