CN108120432A - 一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器 - Google Patents

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周斌权
房建成
王婧
杨丹
吴文峰
陆麒麟
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Abstract

本发明公开了一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器，该前置放大器包括2个硅光二极管，一路差分信号的自动消偏放大模块、两路光电信号的单通道监控模块。其中，2个硅光二极管的电流输出端反向并联提供差分信号，其余两路电流输出端分别作为单端监测的输入信号；差分信号的自动消偏放大模块包括跨阻放大电路，以及直流比例‑积分反馈回路，实现光电流中交流分量的低噪声放大功能；两路单通道监控模块分别用于实时监测2个硅光二极管的原始光强信息。本发明利用2个硅光二极管，在10k‑100k的频响范围内，实现了差分信号的自动消偏低噪声放大功能及2路原始信号的实时监测功能。

Description

一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器
技术领域
本发明属于光电测量的技术领域。具体涉及一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器。
背景技术
核磁共振陀螺具有光学陀螺的精度、微机电(MEMS)陀螺的体积和低成本的发展潜力，是目前发展最快的一类原子自旋陀螺仪。本发明中所述的磁场惯性测量装置正是基于核磁共振陀螺的原理实现的。该装置大多采用一束探测光对气室中原子的拉莫尔进动信息进行检测，由光电探测器将光信号转换成电信号，供控制电路处理。光检信号的前置放大器是整个电路的先导，其性能对于信号的检测、处理及系统的精度都有着重要影响。
在获取探测光光旋角信息的诸多方法中，较为常用的是监测探测光极化面旋转角的差分偏振法。该方法采用一束线偏振光作为探测光射入气室后，采用偏振分光棱镜将出射探测光分成两束，通过两束光光强的差来检测代表着核子极化率的光旋角信号，作为该磁场惯性测量装置的输出信号。由于用于该检测方法的光学元件(二分之一波片与偏振分光棱镜)间存在不可避免的方位误差，导致微弱光信号中存在直流偏置分量，抑制了对于差分光强信号中交流成分的提取与放大。
因此，亟需研制一种适用于检测该磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器，从而实现在10k-100k的频响范围内，滤除差分光检信号的直流分量，仅对其交流分量实现低噪声、高增益的放大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种适用于磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器，以确保对磁场惯性测量装置的微弱差分光信号实现放大的同时，自动消除该信号中的直流偏置分量，仅提取交流成分进行低噪声放大。并且，具备实时监控差分前两路微弱光信号的功能。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器，该前置放大器包括2个硅光二极管，一路差分信号的自动消偏放大模块、两路光电信号的单通道监控模块，其中，2个硅光二极管的输出端反向并联提供差分信号，其余两路电流输出端分别作为单端监测的输入信号；差分信号的自动消偏放大模块包括跨阻放大电路，以及直流比例-积分反馈回路，实现光电流中交流分量的低噪声放大功能；两路单通道监控模块分别用于实时监测2个硅光二极管的原始光强信息，该前置放大器利用2个硅光二极管，在10k-100k的频响范围内，实现了差分信号的自动消偏低噪声放大功能及2路原始信号的实时监测功能。
其中，所述的硅光二极管具备2个输出端，用于将两路光信号转换成电流信号，二者的输出端反向并联提供差分电流信号，作为自动消偏放大模块的输入信号；其余两路电流输出端分别作为单端监测的输入信号，供后续单端监测电路处理。
其中，所述的差分信号的自动消偏放大模块包括跨阻放大电路，以及直流比例-积分反馈回路，前者将电流量转换成电压量进行放大，后者对光电流中的直流分量进行积分并反馈，从而自动消除光电流中的直流分量，实现光电流中交流分量转换为电压的低噪声放大功能。
其中，所述的单通道监控模块首先通过电阻将电流量转换为电压量，其次采用仪用放大器进行放大，构成实时监测通路，用来监测2路硅光二极管采集的光电流强度。
本发明的原理是：首先，通过硅光二极管将光强信号转换为电流信号，供后续电路处理；其次，将两路光电流进行反向并联得到差分光电流信号，通过跨阻放大原理将该电流信号转为电压信号并进行放大，其中，利用运算放大器构建比例-积分回路作为反馈回路，对该信号的直流分量进行积分并反馈至信号输入点，用来消除差分光电流含有的直流分量，实现对于该差分光电流信号交流分量的放大功能，即实现自动消偏功能；最后，两路单通道监控模块具有类似的电路结构，分别通过低温漂电阻使得单束光电流转换为电压量，再采用仪用放大器进行放大，构成实时监测通路，用来监测2路硅光二极管采集的光电流强度。
本发明与现有技术相比的优点在于：克服现有前置放大器增益易受输入光信号直流偏置影响的不足，提出一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器方案，实现对于该磁场惯性测量装置微弱光信号的自动消偏放大功能，进而确保了仅提取其交流成分进行低噪声放大，并且，具备实时监控差分前两路微弱光信号的功能，可以实现磁场惯性测量装置等仪器中对于微弱光信号的交流成分的长时间、高稳定精密测量。同时，本电路作为提取磁场惯性测量装置信号的首要环节，还可与后续控制处理电路组合为一体，便于微小型磁场惯性测量装置电路系统的研制与集成，利于磁场惯性测量装置向着微小型、高集成方向发展。
附图说明
图1为本发明一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器的结构组成框图；
图2为本发明的自动消偏放大模块电路；
图3为本发明的单通道监控模块电路；
图4为本发明的自动消偏放大模块的输入输出仿真曲线。
具体实施方式
本发明提出了一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器，下面结合附图与具体实施例对本发明进行详细说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
如图1所示为本发明一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器的结构组成框图。该前置放大器包括2个硅光二极管，一路差分信号的自动消偏放大模块、两路光电信号的单通道监控模块。
所述的硅光二极管具备2个输出端，用于将两路光信号转换成电流信号，二者的输出端反向并联提供差分电流信号，其余两路电流输出端分别作为单端监测的输入信号，供后续电路处理。
所述的差分信号的自动消偏放大模块包括跨阻放大电路，以及直流比例-积分反馈回路，前者将电流量转换成电压量进行放大，后者对光电流中的直流分量进行积分并反馈，从而自动消除光电流中的直流分量，实现光电流中交流分量转换为电压的低噪声放大功能。
所述的单通道监控模块首先通过电阻将电流量转换为电压量，其次采用仪用放大器进行放大，构成实时监测通路，用来监测2路硅光二极管采集的光电流强度。
如图2所示为本发明的自动消偏放大模块电路。差分光电流信号Diff-in通过作为跨阻运算放大器的OPA656芯片，转换为电压信号，OPA656芯片是一款宽带单位增益稳定的FET输入跨阻运算放大器，具有500MHz的单位增益带宽，以及2pA的输入偏置电流，其出色的噪声抑制性能保证了对于电流信号的低噪声I-V转换功能。电阻R1决定了放大倍数，电容Cs用于调节电路带宽与防止自激振荡；OP1611芯片作为积分反馈回路的运算放大器，通过电阻R5、R2、R3的阻值与电容C2、C1的容值调节反馈回路的积分频率，将输出信号中的直流分量反馈至Diff-in的输入点，起到自动消偏的作用；BNC 1为输出信号。
如图3所示为本发明的单通道监控模块电路。Signal-in是硅光二极管的单端信号，作为电路的输入；采用AD8250仪用放大器芯片进行放大，AD8250是一款程控增益仪用放大器，属于差动放大电路。电阻R8将输入电流量转换为AD8250的输入电压差；OPA2227芯片用来设置AD8250参考电压的零点；KBAA芯片是线性稳压电源芯片，通过R15与R14的比值调节输出电压在7V左右，为输入电流信号提供固定的电压偏置。
如图4所示为本发明的自动消偏放大模块的输入输出仿真曲线，Diff-In作为该模块的输入仿真信号，其交流分量的振幅为1μA，频率为100kHz，直流偏置为999.5μA。经过自动消偏放大模块的电路处理，从该图中输出信号Vo1的仿真结果中可以看出，该模块实现了对于输入电流信号交流分量的I-V转换及放大功能，并且完全滤除了输入电流信号的直流偏置，实现了自动消偏放大的功能。
本发明虽为磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器，但也可以作为一种具有自动消偏功能的通用光检放大电路，应用者可以根据其特殊的应用领域通过适当修改电路接口来灵活方便地实现其功能。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器，其特征在于：该前置放大器包括2个硅光二极管，一路差分信号的自动消偏放大模块、两路光电信号的单通道监控模块，其中，2个硅光二极管的电流输出端反向并联提供差分信号，其余两路电流输出端分别作为单端监测的输入信号；差分信号的自动消偏放大模块包括跨阻放大电路，以及直流比例-积分反馈回路，实现光电流中交流分量的低噪声放大功能；两路单通道监控模块分别用于实时监测2个硅光二极管的原始光强信息，该前置放大器利用2个硅光二极管，在10k-100k的频响范围内，实现了差分信号的自动消偏低噪声放大功能及2路原始信号的实时监测功能。
2.根据权利要求1所述的一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器，其特征在于：所采用的硅光二极管具备2个输出端，用于将两路光信号转换成电流信号，二者的输出端反向并联提供差分电流信号，作为所述的自动消偏放大模块的输入信号；其余两路电流输出端分别作为单端监测的输入信号，供后续单端监测电路处理。
3.根据权利要求1所述的一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器，其特征在于：所述差分信号的自动消偏放大模块包括跨阻放大电路，以及直流比例-积分反馈回路，前者将电流量转换成电压量进行放大，后者对光电流中的直流分量进积分并反馈，从而自动消除光电流中的直流分量，实现光电流中交流分量转换为电压的低噪声放大功能。
4.根据权利要求1所述的一种磁场惯性测量装置微弱光信号的前置放大器，其特征在于：单通道监控模块首先通过电阻将电流量转换为电压量，其次采用仪用放大器进行放大，构成实时监测通路，用来监测2路硅光二极管采集的光电流强度。
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