CN105355704A - 对称双pin平衡光电探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明的对称双PIN平衡光电探测器，包括两个类别、型号均相同的光电二极管D1和光电二极管D2，光电二极管D1的负极连接可调正偏置电压，光电二极管D1正极与光电二极管D2负极相连，光电二极管D2正极连接可调负偏置电压，光电二极管D1正极与光电二极管D2负极连接节点处获取两串联光电二极管的电流差值I3；电流信号转化模块包括对差值电流信号I3转化为电压信号的跨阻放大器U3，及进一步放大的运算放大器U4；U4的输出即为电压信号输出模块的一路输出。本发明通过使两光电二极管的偏置电压可调，在调试过程中，动态调节两个光电二极管的偏置电压，以达到两个光电二极管响应系数一致，进而达到平衡探测器测量的目的。
Description
技术领域
本发明属于光电探测器领域，尤其是涉及一种对称双PIN平衡光电探测器。
背景技术
在以往探测系统中的平衡光电探测器需要使用一对性能对称的光电探测器，首先必须挑选性能对称的电子元器件，这就使得设计一个完全对称的平衡光电探测器有了难度，如何设计一种结构简单、避免由于器件的不对称给光电转换过程及光电流转换放大过程引入放大噪声的光电探测器成为本领域技术人员研究的课题。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种结构简单，且可以避免由于器件的不对称给光电转换过程及光电流转换放大过程引入放大噪声的对称双PIN平衡光电探测器。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种对称双PIN平衡光电探测器，包括顺序连接的光电流信号采集模块、电流信号转化模块和电压信号输出模块；所述光电流信号采集模块包括两个类别、型号均相同的光电二极管D1和光电二极管D2，所述光电二极管D1的负极连接可调正偏置电压，光电二极管D1正极与光电二极管D2负极相连，所述光电二极管D2正极连接可调负偏置电压，所述光电二极管D1正极与所述光电二极管D2负极连接节点处获取两串联光电二极管的电流差值I3；所述电流信号转化模块包括对差值电流信号I3转化为电压信号的跨阻放大器U3，及对这个电压信号进一步放大的运算放大器U4；电压信号输出模块的第二路SMA2的输入端与所述运算放大器的输出端连接。
所述电流信号转化模块还包括将光电二极管D1产生的光电流转化为单路监测电压信号的第一仪表放大器U1，所述第一仪表放大器U1的输出端与所述电压信号输出模块的第一路SMA1的输入端连接；所述电流信号转化模块还包括将光电二极管D2产生的光电流转化为单路监测电压信号的第二仪表放大器U5，所述第二仪表放大器U5的输出端与所述电压信号输出模块的第三路SMA3的输入端连接。
所述光电二极管D1的负极与可调正偏置电压之间连接限流电阻R1，所述光电二极管D2的正极与可调负偏置电压之间连接限流电阻R13；所述正偏置电压由第一线性正压稳压器U2及其外围电路：电容C2、电容C3、电阻R3和可调电阻R4来提供；负偏置电压由第二线性负压稳压器U6及其外围电路：可调电阻R14、电阻R15、电容C13和电容C12来提供。
所述跨阻放大器为OPA657U，所述运算放大器为THS3091，所述运算放大器的反相端与所述跨阻放大器的输出点之间设有电阻R7，所述运算放大器的正相端与地之间设有串联连接的电阻R9和可变电阻R10，所述运算放大器的反相端与输出端之间跨接电阻R5。
所述第一仪表放大器U1为INA126U及其外围电路：电阻R2,所述第一仪表放大器U5为INA126U及其外围电路：电阻R12；所述第一仪表放大器U1的同相端连接所述可调正偏置电压，所述第一仪表放大器U1的反相端连接所述光电二极管D1的负极；所述第二仪表放大器U2的反相端连接所述可调负偏置电压，所述第二仪表放大器U1的同相端连接所述光电二极管D2的正极。
所述电压输出模块的第一路SMA1与所述第一仪表放大器U1的输出端之间设有滤波电容C1，所述电压输出模块的第三路SMA3与所述第二仪表放大器U5的输出端之间设有滤波电容C10。
所述两个光电二极管电子特性相同。
相对于现有技术，本发明所述的对称双PIN平衡光电探测器具有以下优势：
(1)本发明所述的平衡光电探测器通过使两个光电二极管的偏置电压可调，在调试过程中，可以动态调节两个光电二极管的偏置电压，以达到两个光电二极管响应系数一致，进而达到平衡探测器测量的目的；这样就避免了制作一对对称探测器的工作，同时也避免了由于器件的不对称给光电转换过程及光电流转换放大过程引入放大噪声，而且本发明结构简单，成本低；
(2)每个光电二极管的电流信号经仪表放大器放大后转换为电压信号输出可以对单路电压进行显示，同时也可以监测该路器件的故障情况，方便监测；
(3)可调正偏置电压和负偏置电压提供电路采用低噪声、微功率线性稳压器，结构简单，功耗低、噪声小；
(4)跨阻放大器为OPA657U，其本身具有1.6GHz的高增益带宽积、±0.25mV的输入偏置电压、2pA的输入偏置电流和70mA高输出电流等优点；运算放大器为THS3091，其本身具有7300V/μs的高压摆率、270MHz宽带宽响应、能够提供±250mA驱动电流和±5V到±5V宽电源电压供电等优点，选用的这两个芯片外围电路少，结构简单，成本低，性能稳定；
(5)仪表放大器选用INA126U优点：其本身具有的低漂移、低功耗、高共模抑制比、宽电源供电范围及小体积等一系列优点，它利用的是差分小信号叠加在较大的共模信号之上的特性，能够去除共模信号，而又同时将差分信号放大；
(6)电压输出模块与各放大器之间的滤波电容的设置，提高输出电压的稳定性和可靠性；
(7)两个光电二极管电子特性相同，方便调节，节省调试时间，提高生产效率。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的电路方框图；
图2为本发明的电路连接示意图；
图3为本发明的电路原理图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1、2、3，本发明介绍一种对称双PIN平衡光电探测器，包括顺序连接的光电流信号采集模块3，电流信号转化模块4，电压信号输出模块5；所述光电流信号采集模块3包括两个类别、型号相同的光电二极管D1和光电二极管D2，在光电二极管D1的负极连接可调正偏置电压1，光电二极管D1正极与光电二极管D2负极相连，在光电二极管D2正极连接可调负偏置电压2，在节点A处利用基尔霍夫电流定律获取两串联光电二极管的电流差值I3；电流信号转化模块4包括将光电二极管D1产生的光电流转化为单路监测的电压信号的第一仪表放大器U1、光电二极管D2产生的光电流转化为单路监测的电压信号的第二仪表放大器U5，对差值电流信号I3转化为电压信号的跨阻放大器U3，再对这个电压信号放大的运算放大器U4；电压信号输出模块5的输入端分别接到运算放大器U4、第一仪表放大器U1和第二仪表放大器U5的输出端。
如图3，本发明串联的两个光电二极管应选用两个电子特性相同的PIN光电二极管，以保证它们的响应系数、响应速度尽量一致使测量结果准确。光电二极管D1的偏置电压由U2(MIC5205)给定，U2输出的电压是一个可调电压，调节R4可改变OUT端输出电压，可调范围为0—8V。流过D1的电流也就是流过R1的电流，R1的电压被U1正相端和反相端采集，通过控制R2阻值的大小可控制第一仪表放大器U1的放大倍数从而控制SMA1输出电压的放大倍数。光电二极管D2的偏置电压由U6(LT1964)给定，U6输出的电压是一个可调电压，调节R14可改变OUT端输出电压，可调范围为-8—0V。流过D2的电流也就是流过R13的电流，R13的电压被U6正相端和反相端采集，通过控制R12阻值的大小可控制第二仪表放大器U5的放大倍数从而控制SMA3输出电压的放大倍数。
D1、D2的电流差信号流进由U3(OPA657U)和外围电路组成的跨阻放大器的反相端，C4、C5、C7和C8为U3的滤波电容，更换R11电阻阻值，可调节由电流转化成电压的放大倍数，转化后的电压信号接到由U4(THS3091)和外围电路构成的反相运算放大器，放大倍数为-(R5/R7)，R9、R10可调节U4的正向偏置电流。由反相运算放大器放大后的电压信号由SMA2输出。
因为两个光电二极管电子性能不可能完全一致，那么使两个光电二极管的偏置电压可调，在调试过程中，可以动态调节两个光电二极管的偏置电压，以达到两个光电二极管响应系数一致达到平衡探测器测量作用。
探测器的无光噪声是一个很重要的参数，在调试过程中，用示波器观察U2波形，可调节R10使波形处于最大噪声和最小噪声的中间值，只要供电电源的噪声足够小，设计的平衡探测器的无光噪声也很小。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种对称双PIN平衡光电探测器，其特征在于：包括顺序连接的光电流信号采集模块、电流信号转化模块和电压信号输出模块；所述光电流信号采集模块包括两个类别、型号均相同的光电二极管D1和光电二极管D2，所述光电二极管D1的负极连接可调正偏置电压，光电二极管D1正极与光电二极管D2负极相连，所述光电二极管D2正极连接可调负偏置电压，所述光电二极管D1正极与所述光电二极管D2负极连接节点处获取两串联光电二极管的电流差值I3；所述电流信号转化模块包括对差值电流信号I3转化为电压信号的跨阻放大器U3，及对这个电压信号进一步放大的运算放大器U4；电压信号输出模块的第二路SMA2的输入端与所述运算放大器的输出端连接。
2.根据权利要求1所述的对称双PIN平衡光电探测器，其特征在于：所述电流信号转化模块还包括将光电二极管D1产生的光电流转化为单路监测电压信号的第一仪表放大器U1，所述第一仪表放大器U1的输出端与所述电压信号输出模块的第一路SMA1的输入端连接；所述电流信号转化模块还包括将光电二极管D2产生的光电流转化为单路监测电压信号的第二仪表放大器U5，所述第二仪表放大器U5的输出端与所述电压信号输出模块的第三路SMA3的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的对称双PIN平衡光电探测器，其特征在于：所述光电二极管D1的负极与可调正偏置电压之间连接限流电阻R1，所述光电二极管D2的正极与可调负偏置电压之间连接限流电阻R13；所述正偏置电压由第一线性正压稳压器U2及其外围电路：电容C2、电容C3、电阻R3和可调电阻R4来提供；负偏置电压由第二线性负压稳压器U6及其外围电路：可调电阻R14、电阻R15、电容C13和电容C12来提供。
4.根据权利要求1所述的对称双PIN平衡光电探测器，其特征在于：所述跨阻放大器为OPA657U，所述运算放大器为THS3091，所述运算放大器的反相端与所述跨阻放大器的输出点之间设有电阻R7，所述运算放大器的正相端与地之间设有串联连接的电阻R9和可变电阻R10，所述运算放大器的反相端与输出端之间跨接电阻R5。
5.根据权利要求2所述的对称双PIN平衡光电探测器，其特征在于：所述第一仪表放大器U1为INA126U及其外围电路：电阻R2,所述第一仪表放大器U5为INA126U及其外围电路：电阻R12；所述第一仪表放大器U1的同相端连接所述可调正偏置电压，所述第一仪表放大器U1的反相端连接所述光电二极管D1的负极；所述第二仪表放大器U2的反相端连接所述可调负偏置电压，所述第二仪表放大器U1的同相端连接所述光电二极管D2的正极。
6.根据权利要求2-5任一项所述的对称双PIN平衡光电探测器，其特征在于：所述电压输出模块的第一路SMA1与所述第一仪表放大器U1的输出端之间设有滤波电容C1，所述电压输出模块的第三路SMA3与所述第二仪表放大器U5的输出端之间设有滤波电容C10。
7.根据权利要求1-5任一项所述的对称双PIN平衡光电探测器，其特征在于：所述两个光电二极管电子特性相同。
8.根据权利要求6所述的对称双PIN平衡光电探测器，其特征在于：所述两个光电二极管电子特性相同。
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