CN108760045A - 一种大动态范围的光电探测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大动态范围的光电探测电路，该前置光电探测电路包括：光电二极管、跨阻放大电路、同相比例运算放大电路和级间反馈电路。光信号经光电二极管转换为电流信号，输出到跨阻放大电路，跨阻运放的反相输入端接电流输入信号，同相输入端接地，跨阻运放输出通过反馈电阻连接至其反相输入端，同时作为同相比例运算放大电路的输入信号接同相比例运放的同相输入端，同相比例运放的反相输入端通过电阻接地，并通过反馈电阻将同相比例运放电路的输出反馈至其反相输入端，通过级间反馈电阻将同相比例运放电路的输出反馈至跨阻放大电路运放的反相输入端。该光电探测电路，可以实现多通道的增益模式，并能显著增大可探测输入光功率的动态范围。
Description
技术领域：
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种大动态范围的光电探测电路。
背景技术：
随着信息技术的快速发展，光通信技术在众多领域得到了广泛的应用。前置光电探测电路作为光通信技术的重要组成部分，其性能直接决定着整个光接收机的性能。目前，常用的光接收机的前置光电探测电路有三种，分别为：高阻前置放大器、低阻前置放大器和跨阻前置放大器。高阻前置放大器增益大、灵敏度高，但是动态范围小；低阻前置放大器动态范围大，但是增益小，灵敏度低；跨阻前置放大器采用高输入阻抗负反馈结构，灵敏度高，增益大，动态范围大。所以光接收机中通常采用跨阻前置放大器。传统的跨阻前置放大器将光电流信号转换成电压信号，再经过主放大器放大电压信号。现有技术存在的问题是：1、当探测光功率较小的输入光时，信号信噪比低，信号会淹没在噪声中，无法准确探测到有用信号；2、在探测光功率较大的输入光时，由于跨阻增益较大，可能会造成信号的饱和失真。因此，传统的跨阻前置放大器动态范围小，为了提高动态范围，通常会牺牲部分增益。
发明内容：
本发明提供了一种大动态范围的光电探测电路，可根据光功率大小的不同，选择不同的增益模式，在不牺牲增益的同时，保证了可探测输入光功率的动态范围。
为了实现上述目的，本发明提供了一种大动态范围的光电探测电路，包括光电二极管、跨阻放大电路、同相比例运算放大电路和级间反馈电路，所述跨阻放大电路由跨阻运放A1和反馈电阻R1组成，光电二极管D1输出的电流信号接到跨阻放大电路中运放A1的反相输入端，A1的同相输入端接地，跨阻运放反馈电阻R1由A1的输出端接到A1的反向输入端；同相比例运算放大电路运放A2的同相输入端接A1的输出端，A2的反向输入端接电阻R3再接地，同相反馈电阻R4由运放A2的输出端接到A2的反向输入端，级间反馈电路由级间反馈电阻R2构成，R2一端接运放A2的输出端，一端接光电二极管的输出端。
上述电路中还包括第二同相比例运算放大电路和第二级间反馈电路，所述第二同相比例运算放大电路由运放A3和电阻R6和R7组成，运放A3的同相输入端接运放A2的输出端，A3的反向输入端接电阻R6再接地，同相反馈电阻R7一端接运放A3的输出端，另一端接A3的反向输入端；所述第二路级间反馈电路由级间反馈电阻R3构成，R3一端接运放A3的输出端，一端接运放A1的反向输入端。
上述同相比例运算放大电路和级间反馈电路分别包括对应的N路。
上述光电二极管D1为PIN光电二极管。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
针对待探测光功率变化范围较大的光信号，通过多路级间反馈，选择合适的增益模式。当光功率较大时，选择较小的增益通道，保证信号不会饱和失真；当光功率较小时，选择较大的增益通道，提高信噪比，保证信号不会淹没在噪声中。同时本发明的前置光电探测器可根据实际需要扩充为N个增益通道，在不牺牲增益的同时，也保证了可探测光功率的动态范围。
附图说明
图1是本发明大动态范围的光电探测电路；
图2是本发明用于大动态范围的三通道增益前置光电探测电路原理图；
图3是一种声光移频器频移量测量装置的原理简图；
图4是光功率为34μW时获得的拍频信号；
图5是光功率为15.6mW时获得的拍频信号。
具体的实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本保护的范围。
参见图1，一种用于大动态范围的光电探测电路，本实施例中是双通道增益前置的光电探测电路，具体包括光电二极管、跨阻放大电路、同相比例运算放大电路和级间反馈电路，所述跨阻放大电路由跨阻运放A1和反馈电阻R1组成，光电二极管D1输出的电流信号接到跨阻放大电路中运放A1的反相输入端，A1的同相输入端接地，跨阻运放反馈电阻R1由A1的输出端接到A1的反向输入端；同相比例运算放大电路运放A2的同相输入端接A1的输出端，A2的反向输入端接电阻R3再接地，同相反馈电阻R4由运放A2的输出端接到A2的反向输入端，级间反馈电路由级间反馈电阻R2构成，R2一端接运放A2的输出端，一端接光电二极管的输出端。
其中的同相比例运算放大电路和级间反馈电路在本实施例中分别为一个，根据需要可以设置对应的两路或N路。
参见图2，一种用于大动态范围的光电探测电路，本实施例中是三通道增益前置光电探测电路。三通道增益前置光电探测电路是对双通道增益前置光电探测电路增益通道的扩充，两者在原理上是相同的。该电路包括：光电二极管、跨阻放大电路、两路同相比例运算放大电路和两路级间反馈电路。所述光电二极管D1将光信号转换为电流信号；跨阻放大电路由跨阻运放A1和反馈电阻R1组成，光电二极管D1输出的电流信号接到跨阻放大电路中运放A1的反相输入端，A1的同相输入端接地，跨阻运放反馈电阻R1一端接A1的输出端，另一端接A1的反向输入端；第一路同相比例运算放大电路由运放A2和电阻R4和R5组成，运放A2的同相输入端接运放A1的输出端，A2的反向输入端接电阻R4再接地，同相反馈电阻R5一端接运放A2的输出端，另一端接A2的反向输入端；第一路级间反馈电路由级间反馈电阻R2构成，R2一端接运放A2的输出端，一端接运放A1的反向输入端；第二路同相比例运算放大电路由运放A3和电阻R6和R7组成，运放A3的同相输入端接运放A2的输出端，A3的反向输入端接电阻R6再接地，同相反馈电阻R7一端接运放A3的输出端，另一端接A3的反向输入端；第二路级间反馈电路由级间反馈电阻R3构成，R3一端接运放A3的输出端，一端接运放A1的反向输入端；
该前置光电探测电路的基本原理是：光电二极管将光信号转换成电流信号，电流按照一定的比例在电阻R1、R2、R3上形成分流，将电流信号转换成电压信号UO1、UO2、UO3，实现了三通道增益，依次按照UO3、UO2、UO1的顺序检测前置光电探测电路的输出效果，最终选取增益效果好的通道作为前置光电探测电路到的输出端。
光电二极管在光敏面接收到光信号产生电流信号I，电流按照一定的比例在电阻R1、R2、R3上形成分流，具体的比例关系如下推导。
从图中可以看出本发明的前置光电探测电路有三路增益通道，分别为电阻R1、R2、R3对应的通道，记三通道的分流依次为I1、I2、I3，三个通道的输出电压依次为UO1、UO2、UO3。
增益通道一分析，流过R1上的电流I1，根据欧姆定理增益通道一的输出电压：
UO1＝I1×R1
增益通道二分析，流过R2上的电流I2，根据欧姆定理增益通道二的输出电压：
UO2＝I2×R2
增益通道三分析，流过R3上的电流I3，根据欧姆定理增益通道三的输出电压：
UO3＝I3×R3
根据同相比例运放电路的特性可得UO1和UO2的关系如下：
UO2＝A2×UO1
其中A2表示运放A2的比例放大倍数；
同理可得UO2和UO3的关系如下：
UO3＝A3×UO2
其中A3表示运放A3的比例放大倍数。
根据以上的推理可得如下关系：
I2R2＝A2×I1R1
I3R3＝A3×I2R2
可以得到I1、I2、I3的分流比例如下：
I3:I2:I1＝A3A2R2R1:A2R3R1:R2R3
本实例中A1运放选用AD8065，A2运放选用ADA4817，A3运放选用ADA4817，电路中各电阻阻值分别为：R1＝470Ω,R2＝3.6KΩ,R3＝28KΩ,R4＝100Ω,R5＝3.9KΩ,R6＝100Ω,R7＝3.9KΩ。可以得出运放A2的比例放大倍数A2＝40,运放A3的比例放大倍数A3＝40，I1、I2、I3的分流比例为：I3:I2:I1＝26.9:5.2:1。
从上面的分析中可以看出，通道三的增益最大，灵敏度最高，通道一的增益最小，通道二的增益居中。
为了进一步说明本发明的使用效果，下面将本电路用于对声光移频器频移量测量装置(参见图3)中，对光电二极管6转换的电流信号进行处理，这里的光电二极管6为PIN光电二极管。
如图4和图5是在干涉光的输入光功率不同时获得的拍频信号。其中图4是输入干涉光光功率为34uW时去直流偏置后通过实施例的增益通道三获得的拍频信号，可以看出当光功率较小时，使用增益较大的通道可以很好的对拍频信号进行放大。图5是输入干涉光光功率为15.6mW时通过增益通道一获得的拍频信号，可以看出当光功率较大时，使用增益较小的通道可以很好的对拍频信号进行放大。可以看出当需要探测光功率较小的光源时，可以选用增益最大的第三通道，当需要探测光功率较大的光源时，可以选用增益最小的第一通道，当需要探测光功率适中的光源时，可以选用增益居中的第二通道。
Claims (4)
1.一种大动态范围的光电探测电路，包括光电二极管、跨阻放大电路、同相比例运算放大电路和级间反馈电路，所述跨阻放大电路由跨阻运放A1和反馈电阻R1组成，光电二极管D1输出的电流信号接到跨阻放大电路中运放A1的反相输入端，A1的同相输入端接地，跨阻运放反馈电阻R1由A1的输出端接到A1的反向输入端；同相比例运算放大电路运放A2的同相输入端接A1的输出端，A2的反向输入端接电阻R3再接地，同相反馈电阻R4由运放A2的输出端接到A2的反向输入端，级间反馈电路由级间反馈电阻R2构成，R2一端接运放A2的输出端，一端接光电二极管的输出端。
2.如权利要求1所述的一种大动态范围的光电探测电路，其特征在于：还包括第二同相比例运算放大电路和第二级间反馈电路，所述第二同相比例运算放大电路由运放A3和电阻R6和R7组成，运放A3的同相输入端接运放A2的输出端，A3的反向输入端接电阻R6再接地，同相反馈电阻R7一端接运放A3的输出端，另一端接A3的反向输入端；所述第二路级间反馈电路由级间反馈电阻R3构成，R3一端接运放A3的输出端，一端接运放A1的反向输入端。
3.如权利要求1所述的一种大动态范围的光电探测电路，其特征在于：所述同相比例运算放大电路和级间反馈电路分别包括对应的N路。
4.如权利要求1或2或3所述的一种大动态范围的光电探测电路，其特征在于：所述光电二极管D1为PIN光电二极管。
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