CN108362377A - 一种低频低噪声平衡零拍探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及测量压缩态光场量子噪声领域。一种低频低噪声平衡零拍探测器，包括由两个光电二极管组成的差分电路、由两个缓冲器和一个跨阻运算放大器（5）组成的自举化的电流‑电压转换电路、由第一电容（6）和第一电阻（7）分别组成交流和直流输出电路；本发明通过对平衡零拍探测器在低频段的输入电流总噪声进行定量分析，去掉了传统探测器中的取样电阻，并采用了自举化的电流‑电压转换器，从而使探测器的电子学噪声在频率20Hz‑200kHz的范围内大大降低，并达到了高增益、高共模抑制比、结构简单和低成本的要求。
Description
技术领域
本发明涉及测量压缩态光场量子噪声领域。
背景技术
平衡零拍探测方法由于具有能够有效地降低经典噪声，放大信号光和直接表征信号光的正交分量起伏量的优点，而成为量子信息科学研究中测量压缩态压缩度的最佳方法之一。而探测器的电子学噪声、增益和共模抑制比是限制平衡零拍探测方法测量量子噪声的主要因素。为了减小电子学噪声对测量的影响，光电探测器所测得的电子学噪声至少要低于散粒噪声基准10dB以上。
目前，针对压缩光的产生和测量多集中在射频段(～MHz)，原因是射频段光的经典噪声较小，系统噪声容易达到量子噪声极限，量子噪声易于测量.在用于引力波探测的迈克耳孙干涉仪或弱磁场检测等实验中，其检测频率一般在低频段(20Hz～20kHz)，随着测量频率的降低和测量时间的增加，常规的射频压缩光探测系统由于电子元器件噪声限制以及电路设计上的不完美而无法达到直接测量的要求.
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种适合测量20Hz-200kHz频率的压缩态光场量子噪声的装置。
本发明所采用的技术方案是：包括由两个光电二极管组成的差分电路、由两个缓冲器和一个跨阻运算放大器(5)组成的自举化的电流-电压转换电路、由第一电容(6)和第一电阻(7)分别组成交流和直流输出电路；两个光电二极管中第一光电二极管(2)的阳极与第二光电二极管(1)的阴极连接，第一光电二极管(2)的阴极连接5V～15V的正电压，第二光电二极管(1)的阳极连接-15V～-5V的负电压；两个缓冲器的输入端都连接跨阻运算放大器(5)的反相输入端和第一光电二极管(2)的阳极，两个缓冲器中第一缓冲器(4)的输出端通过一个第二电容(3)连接第一光电二极管(2)的阴极，两个缓冲器中第二缓冲器(8)的输出端通过一个第三电容(9)连接第二光电二极管(1)的阳极；跨阻运算放大器(5)的输出端通过第一电容(6)连接交流输出，跨阻运算放大器(5)的输出端通过第一电阻(7)连接直流输出。
作为一种优选方式：两个缓冲器均采用N沟道结场效应管BF862，BF862的栅极均作为自举输入端，BF862的源极均作为自举输出端，跨阻运算放大器(5)为OPA657或ADA4817-1，第一电阻(7)的阻值为50Ω，第一电容(6)为47uF，第二电容(3)和第三电容(9)都为4.7uF，第一光电二极管(2)的阴极通过一个第五电阻(10)连接5V～15V的正电压，第二光电二极管(1)的阳极通过一个第六电阻(11)连接-15V～-5V的负电压，BF862的源极均通过一个阻值为5kΩ的电阻(12,13)连接-5V的负电压，两个缓冲器的漏极均接+5V正电压，跨阻运算放大器(5)的反相输入端与输出端之间并联连接有0.5pF的第四电容(14)和200kΩ的第四电阻(15)，跨阻运算放大器(5)的同相输入端接地。
本发明的有益效果是：本发明通过对平衡零拍探测器在低频段的输入电流总噪声进行定量分析，去掉了传统探测器中的取样电阻，并采用了自举化的电流-电压转换器，从而使探测器的电子学噪声在频率20Hz-200kHz的范围内大大降低，并达到了高增益、高共模抑制比、结构简单和低成本的要求。
现有的平衡零拍探测器，测量带宽一般在MHz量级，而很少有kHz量级的平衡零拍探测器。对于测量频率在MHz量级的探测器,跨阻运算放大器反相端总电容对应的阻抗相比在低频段的阻抗要小，由跨阻运算放大器的输入电压噪声在总电容上产生的噪声电流在总噪声电流中占的权重较大，因而对于是否存在取样电阻关系不大。而对于测量频率在低频段的探测器，由于跨阻运算放大器反相端总电容对应的阻抗也较大，此时如果存在取样电阻，由总电容阻抗和取样电阻并联产生的总电阻要远小于反相端总电容对应的阻抗，因而由运放的输入电压噪声产生的电流噪声也变大，此时对于去掉取样电阻至关重要。同时，由于运放本身的输入电压噪声在低频段较大，本发明通过采用自举技术，由缓冲器的电压噪声取代了跨阻运放的输入噪声电压，进一步降低了探测器的电子学噪声。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明具体实施方式中的电路图；
图3是现有技术中的测量压缩态光场量子噪声结构示意图；
其中，1、第二光电二极管，2、第一光电二极管，3、第二电容，4、第一缓冲器，5、跨阻运算放大器，6、第一电容，7、第一电阻，8、第二缓冲器，9、第三电容，10、第五电阻，11、第六电阻，12、第二电阻，13、第三电阻，14、第四电容，15、第四电阻，16、第七电阻，17、取样电阻。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种低频低噪声平衡零拍探测器，可用于探测分析压缩态光场频率在20Hz-200kHz之间的量子噪声谱，同时还可监测两光电管的入射光功率是否相等。两个光电二极管产生的光电流差信号，经由缓冲器和跨阻运算放大器组成的自举化的电流-电压转换器转化为相应的电压信号，电压信号的交流部分经第一电容输出到AC端，用于测量探测器的电子学噪声和光场的量子噪声；直流部分经第一电阻输出至DC端用于检测两光电管的入射光功率是否相等。本发明装置包括由第一光电二极管PhD1和第二光电二极管PhD2组成的差分电路，第一光电二极管PhD1的阳极与第二光电二极管PhD2的阴极连接，第一光电二极管PhD1的阴极通过一个第五电阻连接5V～15V的正电压，第二光电二极管PhD2的阳极通过一个第六电阻连接-15V～-5V的正电压；第五电阻和第六电阻都为可变电阻，目的是为了保证第一光电二极管PhD1的阴极的电压在需要的范围和第二光电二极管PhD2的阳极电压在需要的范围，第二电容和第三电容都为4.7uF；第一缓冲器、第二缓冲器、跨阻运算放大器组成的自举化的电流-电压转换器电路，两个缓冲器均采用N沟道结场效应管BF862，跨阻运算放大器为OPA657或ADA4817-1，两个BF862的栅极(缓冲器的输入端)都连接跨阻运算放大器的反相输入端和第一光电二极管的阳极，第一缓冲器的输出端(BF862源极)通过串联一个阻值为5kΩ的第二电阻连接-5V的负电压，同时，第一缓冲器的输出端(BF862源极)通过一个第二电容连接第一光电二极管的阴极，第二缓冲器的输出端(BF862源极)通过串联一个阻值为5kΩ的第三电阻连接-5V的负电压，同时，第二缓冲器的输出端(BF862源极)通过一个第三电容连接第二光电二极管的阳极，两个缓冲器的漏极均接+5V正电压，跨阻运算放大器的反相输入端与输出端之间并联有0.5pF的第四电容和200kΩ的第四电阻，跨阻运算放大器的同相输入端接地；第一电容和第一电阻分别组成交流和直流输出电路，为了电路的稳定，在第一电容后连接阻值为50Ω的第七电阻然后连接输出。
本实施例中两个光电二极管均采用FD500测量1064nm的激光，结电容小于10pF(反偏电压12V)，以减小电子学噪声，两个缓冲器均采用N沟道结场效应管BF862，其输入电压噪声密度EN仅为跨阻运算放大器采用的芯片是一款低噪声、高增益带宽积放大芯片OPA657，其输入电流噪声密度iN在10Hz-100MHz范围仅为输入电压噪声密度EN为@10Hz‐1kHz，频率大于1KHz时为跨阻运算放大器的输入电容(包括差分电容和共模电容)为5.2pF，增益带宽积GBP为1.6GHz。电路采用正负12V供电(第一光电二极管的阴极连接12V的正电压，第二光电二极管的阳极连接-12V的负电压)，两光电二极管相连的结点为A，结点A再分别与两个BF862的栅极和OPA657的反相输入端相连，BF862的漏极接+5V电源，源极通过5k电阻接至-5V电压，同时源极均作为自举输出端通过4.7uF电容与PhD1的阴极(PhD2的阳极)相连；跨阻运算放大器采用OPA657，其跨阻(第四电阻)为200kΩ，反馈电容(第四电容)为0.5pf，输出端分别接47uF的交流耦合电容(第一电容)输出交流信号，接50Ω的电阻(第一电阻)输出直流信号。
现有技术中多采用如图3所示的电路图进行测量压缩态光场的量子噪声，光电二极管将光信号转化为相应的电流信号后，电流信号首先经交流耦合电容和取样电阻分成交流信号和直流信号两部分，交流信号经跨阻运算放大器由AC端输出；直流信号再经直流同相比例放大电路放大由DC端输出。由AC端输出的电子学噪声主要来源于跨阻运算放大器的输入电流噪声密度iN，输入电压噪声密度EN和电阻的热噪声。由于取样电阻的存在，跨阻运算放大器等效输入噪声总电流密度ieq为：
其中K为波尔兹曼常数，T为绝对温度，R为取样电阻，为取样电阻的热噪声密度；，F为测量濒率，为反相端总电容CS(包括光电二极管的结电容、跨阻运算放大器的输入电容和寄生电容，寄生电容相对很小可忽略)的阻抗，反相端总电容CS越小，总噪声越小。不难看出，由于取样电阻的存在，不仅多了由取样电阻引入的热噪声密度一项，但由于此项远小于另外两项，可忽略；而且由跨阻运算放大器输入电压噪声引起的噪声成分也增大，尤其是随着测量频率降低，电容阻抗越大，由取样电阻引起的噪声成分占据了噪声性能的主导地位。因此对于低频段的平衡零拍探测器，去掉取样电阻可大大降低电子学噪声。现有技术中的反相端总电容(包括两光电二极管并联的结电容20pF、跨阻运算放大器的输入电容5.2pF)约25.2pF在1kHz处的阻抗约为6.3MΩ，存在1kΩ取样电阻，跨阻运算放大器的输入噪声电压密度产生的噪声电流密度为本发明中去掉了取样电阻，进行新的设计，运放的输入噪声电压产生的噪声电流密度为约为原来的万分之一。
并且本发明中采用自举化的电流-电压转换电路，即光电二极管阴阳极始终连结在由N沟道结场效应管BF862所构成的自举缓冲器的输入-输出端，所以光电二极管两端电压差(BF862的栅源极电压)保持不变，也就是跨阻运算放大器OPA657的输入电压噪声作用于两光电二极管的结点A时，由于自举效应同时也作用于光电二极管的另一极，这样就消除了跨阻运算放大器的输入电压噪声在光电二极管上产生的噪声电流。然而，缓冲器BF862信号传输又引入了一个新的噪声电压作用在光电二极管上，即用缓冲器BF862的输入电压噪声密度取代原跨阻运算放大器OPA657的输入电压噪声密度自举化的电流-电压转换器产生的噪声电流密度更小，仅为本发明中总输入电流噪声密度主要由跨阻运算放大器的输入电流噪声密度来支配，AC端输出的电压噪声密度为
Claims (2)
1.一种低频低噪声平衡零拍探测器，其特征在于：包括由两个光电二极管组成的差分电路、由两个缓冲器和一个跨阻运算放大器（5）组成的自举化的电流-电压转换电路、由第一电容（6）和第一电阻（7）分别组成交流和直流输出电路；两个光电二极管中第一光电二极管（2）的阳极与第二光电二极管（1）的阴极连接，第一光电二极管（2）的阴极连接5V~15V的正电压，第二光电二极管（1）的阳极连接-15V~-5V的负电压；两个缓冲器的输入端都连接跨阻运算放大器（5）的反相输入端和第一光电二极管（2）的阳极，两个缓冲器中第一缓冲器（4）的输出端通过一个第二电容（3）连接第一光电二极管（2）的阴极，两个缓冲器中第二缓冲器（8）的输出端通过一个第三电容（9）连接第二光电二极管（1）的阳极；跨阻运算放大器（5）的输出端通过第一电容（6）连接交流输出，跨阻运算放大器（5）的输出端通过第一电阻（7）连接直流输出。
2.根据权利要求1所述的一种低频低噪声平衡零拍探测器，其特征在于：两个缓冲器均采用N沟道结场效应管BF862，BF862的栅极均作为自举输入端，BF862的源极均作为自举输出端，跨阻运算放大器（5）为OPA657或ADA4817-1，第一电阻（7）的阻值为50Ω，第一电容（6）为47uF，第二电容（3）和第三电容（9）都为4.7uF，第一光电二极管（2）的阴极通过一个第五电阻（10）连接5V~15V的正电压，第二光电二极管（1）的阳极通过一个第六电阻（11）连接-15V~-5V的负电压，BF862的源极均通过一个阻值为5kΩ的电阻连接-5V的负电压，BF862的漏极均接+5V正电压，跨阻运算放大器（5）的反相输入端与输出端之间并联连接有0 .5pF的第四电容（14）和200kΩ的第四电阻（15），跨阻运算放大器（5）的同相输入端接地。
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