CN102970076B - 一种光电检测电路 - Google Patents

Abstract

本发明适用于光通讯领域，提供一种光电检测电路，该电路包括增益放大电路、光电探测器、控制单元、显示单元，所述增益放大电路包括一运算放大器，所述运算放大器的反相输入端与光电探测器连接，正相输入端接地，运算放大器输出端连接到所述控制单元，所述运算放大器的反相输入端与输出端之间还连接有反馈电阻，以及至少一组调整接入电路，所述每组调整接入电路包括串接的调整电阻和CMOS开关，所述CMOS开关的控制端连接到控制单元，所述CMOS开关的工作状态受所述控制单元控制，所述反馈电阻阻值大于所述调整电阻。本发明提供的光电检测电路与现有电路相比，提高了光功率的检测范围，即使对微弱光信号也能实现精确探测。

Description

一种光电检测电路

技术领域

本发明属于光通讯领域，尤其涉及一种光电检测电路。

背景技术

光电检测技术是一种将光强信息转换为可处理的电信号的技术，是光信号和电信号之间的桥梁，因其具有能进行远距离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传输的特点，以及检测信噪比高、抗干扰能力强、信息容量大等优点，因而被广泛应用于现代高速发展的光纤通信领域中。

如图1所示，现有的多增益光电检测电路是由光电二极管D1、运算放大器101、多路选择开关S、反馈电阻R1/R2/RN、反馈电容C1、低通滤波器102、模数转换器103、中央处理器104、显示单元105相互连接而成，通过光电二极管D1接收光信号并转换成成比例的电流信号，并经过由运算放大器101、多路选择开关S、反馈电阻R1/R2/RN、反馈电容C1组成的增益放大电路将此电流信号转换成相应的电压信号V，经过低通滤波器102滤波后送到模数转换器103和中央处理器104中进行采样处理分析，并将结果送到显示单元105上显示出来，所述多路选择开关S选在不同的档位，增益放大电路的输出增益不同。

但是现有的光电检测电路现采用了多路选择开关，由于器件的固有原因存在一个微小的漏电流，当待测光信号的光功率很小时，光电二极管D1输出的光电流与所述开关的漏电流处于相同数量级甚至小于一个数量级，这样就给后续检测系统带来很大的噪声干扰，增大了测量误差，严重影响了系统的检测性能，导致无法对微弱光信号进行精确探测。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种光电检测电路，旨在解决现有的光电检测电路由于采用了多路选择开关，当待测光信号的光功率很小时，多路选择开关的漏电流严重影响到光电检测结果的技术问题。

本发明中，所述光电检测电路包括增益放大电路，所述增益放大电路的输入端接入有光电探测器，输出端顺次连接有控制单元、显示单元，所述增益放大电路包括一运算放大器，所述运算放大器的反相输入端与光电探测器连接，正相输入端接地，运算放大器输出端连接到所述控制单元，所述运算放大器的反相输入端与输出端之间还连接有反馈电阻，以及至少一组调整接入电路，所述每组调整接入电路包括串接的调整电阻和CMOS开关，所述CMOS开关的控制端连接到控制单元，所述CMOS开关的工作状态受所述控制单元控制，所述反馈电阻阻值大于所述调整电阻。

进一步的，所述光电检测电路包括两路对称放置的增益放大电路，所述两路增益放大电路中的反馈电阻和调整电阻阻值均不相同，所述光电探测器连接在所述两路增益放大电路中的运算放大器反相输入端之间，所述运算放大器的输出端均连接到所述控制单元，所述两路增益放大电路中的CMOS开关的控制端均连接到所述控制单元，所述控制单元根据输入的两路电压值的大小自动调整CMOS开关的工作状态，选择其中一路电压输出至显示单元，同时对另一路输入电压实时监测，在达到预设电压值时控制此路增益放大电路的对应CMOS开关的工作状态来调整该路增益放大电路的增益，使得控制单元在选择切换输出之前该路增益放大电路已经处于准备就绪状态。

本发明的有益效果是：本发明将一个阻值较大的反馈电阻固定接在运算放大器的反相输入端和输出端构成反馈，所述反馈电阻与各个调整电阻并联，将多路选择开关替换成CMOS开关，当探测弱光信号（光功率小于-70dBm）时，光电探测器生成的光电流很小，增益放大电路应该选择输出大增益，因此此时选择阻值较大的反馈电阻，同时将与阻值较小的各个调整电阻连接的CMOS开关断开，由于各个CMOS开关断开，因此不会引漏电流，保证了光电检测结果的准确性；当探测较强光信号时，光电探测器生成的光电流较大，增益放大电路应该选择输出较小增益，对应选择接通其中的一路CMOS开关，虽然该接通的CMOS开关会引入漏电流，但漏电流与当前生成的光电流相比，漏电流可以忽略不计，因此总体来讲不会影响到光电检测结果的准确性。本发明提供的光电检测电路与现有电路相比，提高了光功率的检测范围，即使对微弱光信号也能实现精确探测。

附图说明

图1是现有的光电检测电路的电路图；

图2是本发明第一实施例提供的光电检测电路的电路图；

图3是本发明第二实施例提供的光电检测电路的电路图；

图4是本发明第三实施例提供的光电检测电路的电路图；

图5是本发明第三实施例提供光电检测电路的增益切换和档位切换的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

图2示出了本发明第一实施例提供的光电检测电路的电路结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的光电检测电路包括增益放大电路1，所述增益放大电路1的输入端接入有光电探测器D，输出端顺次连接有控制单元4、显示单元5，所述增益放大电路1包括一运算放大器11，所述运算放大器11的反相输入端与光电探测器D连接，正相输入端接地，运算放大器11输出端连接到所述控制单元4，所述运算放大器11的反相输入端与输出端之间还连接有反馈电阻Rz，以及至少一组调整接入电路，所述每组调整接入电路包括串接的调整电阻Rx和CMOS开关Sx，所述CMOS开关Sx的控制端连接到控制单元4，所述CMOS开关Sx的工作状态受所述控制单元4控制，所述反馈电阻Rz阻值大于所述调整电阻Rx。

为了降低外界噪声干扰，作为一种优选实施方式，运算放大器11的输出端与控制单元4之间还连接有低通滤波器3，所述反馈电阻Rz还并联连接有反馈电容Cx，这样可以滤去电路的高频噪声。

另外，作为一种器件选择方式，本实施例中，所述光电探测器D可以为光电二极管，所述CMOS开关Sx可以为N沟道增强型MOS场效应管，其源极与运算放大器的反相输入端连接，漏极与调整电阻连接，栅极连接到所述控制单元4。所述控制单元4在栅极加上一个大于开启电压的电压时，漏源两极导通，同时产生一个小的漏极电流；当去掉加在栅极上的电压时，漏源两极之间形成两个背靠背的PN结，电阻阻值极大，因而不会有漏电流。所述控制单元4为内置有模数转换器的中央处理器，或者包括有独立的模数转换器和中央处理器，所述CMOS开关的控制端连接到所述中央处理器。

本实施例中，所述调整接入电路至少为一组，包括调整电阻Rx和CMOS开关Sx，图示中仅示出了一组，未示出的用省略号表示，本电路中，光电探测器D接收光信号后转化成成比例的光电流Ip，所述光电流Ip经过增益放大电路1放大后生成一电压V并输入到控制单元4，控制单元4将输入电压V采样处理分析，并送入显示单元5输出结果。当不同的Rx接入到电路时，增益放大电路1的输出增益Gx不同，比如假设只有Rz接入到电路，所有的CMOS开关Sx断开，根据虚短虚断原理，所述输出电压V=Ip*Rz，若其中的一个调节电阻Rx接入到电路，即与该Rx连接的CMOS开关接通，此时输出电压V=Ip*(Rz//Rx)，所述Rz//Rx表示Rz和Rx并联阻值，当接入的等效电阻越大，增益放大电路1的输出增益越大，因此，当只有Rz接入到电路时，增益放大电路1的输出增益最大，当接入的Rx越小时，增益放大电路1的输出增益越小。

在探测微弱光信号（光功率小于-70dBm）时，光电探测器转换的光电流大小在pA级及以下级，而传统的多路选择开关其漏电流大约在nA级（少数能达到pA级）。开关漏电流和光电流在相同数量级甚至比光电流大一个数量级，且由于电路设计的原因，此漏电流无法消除，因此会给检测系统带来很大的噪声干扰，增大了测量误差，严重影响了系统的检测性能。而本实施例提供的光电检测电路，在探测微弱光信号时，生成的光电流较小，因此增益放大电路1需要输出大增益，此时选择阻值较大的反馈电阻Rz，同时将与阻值较小的各个调整电阻Rx连接的CMOS开关Sx断开，由于没有CMOS开关接入到电路中，因此不会引漏电流，保证了光电检测结果的准确性；当探测较强光信号时，光电探测器D生成的光电流较大，增益放大电路1应该选择输出较小增益，对应选择接通其中的一路CMOS开关，虽然该接通的CMOS开关会引入漏电流，但漏电流与当前生成的光电流相比，漏电流可以忽略不计，因此总体来讲不会影响到光电检测结果的准确性。本发明提供的光电检测电路与现有电路相比，提高了光功率的检测范围，即使对微弱光信号也能实现精确探测。

实施例二：

图3示出了本发明第二实施例提供的光电检测电路的电路结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的光电检测电路包括两路如实施例一所述的增益放大电路1、1＇，所述光电探测器D连接在所述两路增益放大电路中的运算放大器的反相输入端之间，所述运算放大器11、11＇的输出端均连接到所述控制单元4，其输出电压分别为V1和V2，所述两路增益放大电路中的CMOS开关Sx、Sx＇的控制端均连接到所述控制单元4，所述控制单元4根据输入的两路电压值V1和V2的大小自动调整CMOS开关Sx、Sx＇的工作状态（接通或断开），选择其中一路电压V1（或V2）输出至显示单元5，同时对另一路输入电压V2（或V1）实时监测，在达到预设电压值时控制此路增益放大电路1＇（或1）的对应CMOS开关Rx＇（或Rx）的工作状态来调整该路增益放大电路的增益，使得控制单元4在选择切换输出之前该路增益放大电路已经处于准备就绪状态。同样作为优选实施方式，所述每个运算放大器11、11＇的输出端与控制单元4之间还连接有低通滤波器3、3＇，所述反馈电阻Rz、Rz＇还并联连接有反馈电容Cx、Cx＇。

现有的光电检测电路采用多路选择开关，如图1所示，假设图示中R1<R2<RN，如果光信号功率从大到小快速变化，那么光电二极管D1生成光电流从大到小快速变化，那么增益放大电路的输出增益必须同时从小到大快速变化，因此所述多路选择开关S需要快速从R1切换到R2、RN，由于多路选择开关S本身器件所限，多路选择开关切换时间较长、测试速度不快，无法对快速变化的光功率做出及时切换响应，已经不能满足当前快速发展的光通信系统的要求。本优选实施例就是为了解决这个问题。

具体的，本发明将多路选择开关S替换成了响应速度很快的CMOS开关，光电探测器D接收到光信号后，生成的光电流Ip进入到两路增益放大电路1、1＇，对应生成两路电压V1和V2，所述电压V1和V2输入到控制单元4中，所述控制单元4控制所有CMOS开关Sx、Sx＇的接通和断开，即能够控制增益放大电路1、1＇的输出增益，控制单元4选择其中一路电压（假设为V1）输出至显示单元5，同时对另一路输入电压（对应为V2）实时监测，在达到预设电压值时控制此路增益放大电路（对应为1＇）的对应CMOS开关（对应为Sx＇）的工作状态来调整增益，使得控制单元4在选择切换输出之前该路增益放大电路已经处于准备就绪状态。具体的，比如当前增益放大电路1的输出增益为100db，控制单元4选择输出V1且同时监测V2的大小，现规定当输入的光功率增加到一定大小P0时，增益放大电路1＇的输出增益为80db，且控制单元4换挡输出V2，本实施例实现了在光功率达到P0时，控制单元4已经完成了调整增益放大电路1＇的输出增益为80db，即控制单元4在换档输出之前，增益放大电路1＇已经处于准备就绪状态，这样控制单元4在换档输出的时候，增益放大电路1＇的输出增益已经为80db，此时无需再调整CMOS开关Sx＇的开合状态，因此实现了即时换挡即时输出，没有时延。为了达到这个目的，在光功率快要达到P0时，假设为Py，此时增益放大电路1＇的输出电压值为Vy，所述Vy就是当前增益段的预设电压值，在V2到达Vy时，此时光功率接近于P0但是还没到，而在此同时就开始调整增益放大电路1＇的CMOS开关，使得增益放大电路1＇的增益为80db，当光功率继续增加直至P0时，控制单元4换挡将整增益放大电路1＇的输出电压输出。

显然，当光功率逐渐减小时，每个增益段也有一个预设的电压值，当到达该预设电压值时，控制单元4换挡输出。

实施例三：

图4示出了本发明第三实施例提供的光电检测电路的电路结构，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例作为一个具体实例来描述本发明技术方案。在本实施例中，调节电阻Rx为R1-R4，反馈电阻为R_2N-1、R_2N，CMOS开关Sx为S1-S4，控制端为G1-G4，各器件具体位置如图4所示。

本实施例中，增益放大电路1有三个档位：R1档（S1接通、S3断开）、R3档（S1断开、S3接通）和R_2N-1档（S1和S3均断开），这三个档位对应输出增益为G1=0dB、G3=40dB和G_2N-1=80dB；增益放大电路1＇也有三个档位：R2档（S2接通、S4断开）、R4档（S2断开、S4接通）和R_2N档（S2和S4均断开），这三个档位对应输出增益为G2=20dB、G4=60dB和G_2N=100dB。光电检测电路的增益切换和档位切换的关系图如图5所示，光功率在-120~-90dBm之间时，系统输出增益为100dB，即选择G_2N输出；光功率在-90~-70dBm之间时，系统输出增益为80dB，即选择G_2N-1输出；光功率在-70~-50dBm之间时，系统输出增益为60dB，即选择G4输出；光功率在-50~-30dBm之间时，系统输出增益为40dB，即选择G3输出；光功率在-30～-10dBm之间时，系统输出增益为20dB，即选择G2输出；光功率在-10~10dBm之间时，系统输出增益为0dB，即选择G1输出。

下面来看具体的增益切换和档位切换的过程。

假设光功率从-120dBm到10dBm逐渐变大，调整方案具体如下：

当光功率在-120~-90dBm之间时，增益放大电路1＇处于R_2N档，V2输出，增益为100dB；

当光功率在-90~-73dBm之间时，增益放大电路1处于R_2N-1档，V1输出，增益为80dB；

当光功率在-73~-70dBm之间时，增益放大电路1处于R_2N-1档，增益放大电路1＇处于R4档，V1输出，增益为80dB；本步骤中当光功率接近-70dBm时，即达到-73dBm时，控制单元调整增益放大电路1＇处于R4档，为后续V2输出提前做准备；

当光功率在-70~-53dBm之间时，增益放大电路1＇处于R4档，V2输出，增益为60dB由于在到达-70dBm时，上一步中已经将增益放大电路1＇调整到R4档，因此本步骤有V1切换到V2输出时，可以实现即时切换即时输出，由于没有CMOS开关切换，因此基本没有时延；

当光功率在-53~-50dBm之间时，增益放大电路1＇处于R4档，增益放大电路1处于R3档，V2输出，增益为60dB；

当光功率在-50~-33dBm之间时，增益放大电路1处于R3档，V1输出，增益为40dB；

当光功率在-33~-30dBm之间时，增益放大电路1处于R3档，增益放大电路1＇处于R2档，V1输出，增益为40dB；

当光功率在-30～-13dBm之间时，增益放大电路1＇处于R2档，V2输出，增益为20dB；

当光功率在-13～-10dBm之间时，增益放大电路1＇处于R2档，增益放大电路1处于R1档，V2输出，增益为20dB；

当光功率在-10~10dBm之间时，增益放大电路1处于R1档，V1输出，增益为0dB。

现将上述过程总结如下表：

从上表看出，控制单元在切换输出电压V1或V2之前，增益放大电路已经提前准备好了换挡工作，比如上表中由80dB增益切换为60dB增益输出时，增益放大电路1＇已经提前切换到R4档位（即在光功率为-73dB时切换到R4档位），因此不会产生CMOS开关切换延时，保证了能够快速响应光功率变化。

同样，当光功率从10dBm到-120dBm逐渐减小时，上述过程正好相反，只是增益切换时预设电压值不同，该预设电压值与提前换挡的光功率对应，比如当光功率达到-60dBm时，增益放大电路1＇处于R2档，V2输出，增益为60dB，当光功率减小到-67dBm时，在保持增益放大电路1＇处于R2档同时，将增益放大电路1调整为R_2N-1档，V2输出，增益为60dB，当光功率继续减小到-70dBm时，此时直接将V1输出，增益为80dB。

现有的光电检测电路采用多路选择开关的增益放大电路，开关切换时间较长、测试速度不快，无法对快速变化的光功率及时响应，同时开关引入的漏电流给后续检测系统带来很大的噪声干扰，增大了测量误差，严重影响了系统的检测性能。而本发明实施例提供了可用于弱信号探测的光电检测电路，该电路具有两路对称的多增益放大电路，采用CMOS开关预换档技术，可实现对被测光信号的连续探测。用CMOS开关替换原有的多路选择开关，切换时间短、响应快，使测试速度大大加快，同时消除了探测弱光时开关漏电流带来的噪声干扰，而两路对称的多增益放大电路增大了光功率的测量范围，实现了对微弱光信号的探测。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种光电检测电路，包括增益放大电路(1)，所述增益放大电路(1)的输入端接入有光电探测器(D)，输出端顺次连接有控制单元(4)、显示单元(5)，其特征在于，所述增益放大电路(1)包括一运算放大器(11)，所述运算放大器(11)的反相输入端与光电探测器(D)连接，正相输入端接地，运算放大器(11)输出端连接到所述控制单元(4)，所述运算放大器(11)的反相输入端与输出端之间还连接有反馈电阻(Rz)，以及至少一组调整接入电路，所述每组调整接入电路包括串接的调整电阻(Rx)和CMOS开关(Sx)，所述CMOS开关(Sx)的控制端连接到控制单元(4)，所述CMOS开关(Sx)的工作状态受所述控制单元(4)控制，所述反馈电阻(Rz)阻值大于所述调整电阻(Rx)；所述光电检测电路包括两路对称放置的增益放大电路(1、1＇)，所述光电探测器(D)连接在所述两路增益放大电路中的运算放大器反相输入端之间，所述运算放大器(11、11＇)的输出端均连接到所述控制单元(4)，所述两路增益放大电路中的CMOS开关(Sx、Sx＇)的控制端均连接到所述控制单元(4)，所述控制单元(4)根据输入的两路电压值的大小自动调整CMOS开关(Sx、Sx＇)的工作状态，选择其中一路电压输出至显示单元(5)，同时对另一路输入电压实时监测，在达到预设电压值时控制此路增益放大电路的对应CMOS开关的工作状态来调整该路增益放大电路的增益，使得控制单元(4)在选择切换输出之前该路增益放大电路已经处于准备就绪状态。

2.如权利要求1所述光电检测电路，其特征在于，所述每个运算放大器(11、11＇)的输出端与控制单元(4)之间还连接有低通滤波器(3、3＇)。

3.如权利要求2所述光电检测电路，其特征在于，所述反馈电阻(Rz、Rz＇)还并联连接有反馈电容(Cx、Cx＇)。

4.如权利要求1-3任一项所述光电检测电路，其特征在于，所述CMOS开关(Sx、Sx＇)是场效应管，其源极与运算放大器的反相输入端连接，漏极与调整电阻连接，栅极连接到所述控制单元(4)。

5.如权利要求4所述光电检测电路，其特征在于，所述控制单元(4)为内置有模数转换器的中央处理器，或者包括有独立的模数转换器和中央处理器，所述CMOS开关(Sx、Sx＇)的控制端连接到所述中央处理器。

6.如权利要求5所述光电检测电路，其特征在于，所述光电探测器(D)为光电二极管。