CN111525898A - 一种高增益宽带平衡零拍探测器 - Google Patents
一种高增益宽带平衡零拍探测器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111525898A CN111525898A CN202010329647.4A CN202010329647A CN111525898A CN 111525898 A CN111525898 A CN 111525898A CN 202010329647 A CN202010329647 A CN 202010329647A CN 111525898 A CN111525898 A CN 111525898A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- capacitor
- photodiode
- radio
- class amplifier
- resistor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 80
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 21
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000000926 separation method Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/56—Modifications of input or output impedances, not otherwise provided for
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
本发明涉及量子随机数发生器，一种高增益宽带平衡零拍探测器，包括由第一光电二极管和第二光电二极管组成的差分电路，由第一电阻和第一电容组成的交直流分离电路，由顺序连接的第一射频类放大器、第二电容、第二射频类放大器、第三电容、第三射频类放大器、第四电容组成的三级放大电路。本发明通过对平衡零拍探测器进行改进，去掉了传统的跨组运算放大器，采用射频类放大器，并以此重新设计电路，从而使平衡零拍探测器的带宽大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及量子随机数发生器，具体为一种高增益宽带平衡零拍探测器。
背景技术
基于连续变量量子态分量起伏不确定性生成随机数的方法，因其模型明确、高带宽、强鲁棒性、可芯片集成等优势成为一种有着很好应用前景的量子随机数产生方案。平衡零拍探测器能够可靠地提取连续变量量子态的量子正交分量的噪声起伏，具有将经典噪声共模抑制的同时还能把量子正交分量起伏增益放大到宏观水平的优点，从而被广泛用于量子随机数发生器中。平衡零拍探测器信噪比直接影响着连续变量量子随机数的量子熵含量，其带宽则直接决定着连续变量量子随机数的熵源带宽，也就是说，平衡零拍探测器直接影响着连续变量量子随机数发生器的安全性及产率。网络技术的飞速发展对信息传输速度与安全性要求越来越高，随机码安全性及产率的提高迫在眉睫。所以本发明提出研究高带宽、高信噪比、高增益的平衡零拍探测器方案。
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低于散粒噪声基准10dB以上，即要求信噪比至少大于10dB。
目前，平衡零拍探测器在电路设计上多采用一级放大电路结构或者两级放大电路结构，原因在于探测器增益与信噪比之间存在矛盾，即随着放大级数的增加，虽然探测器的增益会增加，但是探测器的电子噪声也会增加，从而导致信噪比降低，不能满足大于10dB这一要求。除此之外，探测器的增益与带宽之间也存在矛盾，目前的平衡零拍探测器所用到的放大器基本都是跨阻运算放大器，如SA5211、 AD829AQ等，它们更适用于低频领域，而在扩大带宽时，其增益性能会下降。这些问题大大限制了平衡零拍探测器测量量子噪声的能力。因此，如何提高探测器性能，仍需要探究。
发明内容
本发明为了解决现有平衡零拍探测器在高频领域增益低的问题，提出了一种高增益宽带平衡零拍探测器。
本发明是所采用的技术方案是：一种高增益宽带平衡零拍探测器，包括由第一光电二极管(1)和第二光电二极管(2)组成的差分电路，由第一电阻(3)和第一电容(4)组成的交直流分离电路，由顺序连接的第一射频类放大器(5)、第二电容(6)、第二射频类放大器(7)、第三电容(8)、第三射频类放大器(9)、第四电容(10)组成的三级放大电路；第一光电二极管(1)的阳极和第二光电二极管(2)的阴极连接，第一光电二极管(1)的阴极通过第二电阻(11)连接正电压，第二光电二极管(2)的阳极通过第三电阻(13)连接负电压，第一光电二极管(1)的阴极通过第五电容(12)接地，第二光电二极管(2)的阳极通过第六电容(14)接地，第一光电二极管(1)的阳极通过第一电阻(3)接地，第一光电二极管(1)的阳极通过第一电容(4)连接第一射频类放大器(5)的输入端，第一射频类放大器(5)的输出端通过第二电容(6)连接第二射频类放大器(7)的输入端，第二射频类放大器(7)的输出端通过第三电容(8)连接第三射频类放大器(9)的输入端，第三射频类放大器(9)的输出端通过第四电容(10)连接交流输出，第一射频类放大器(5)和第二电容(6)构成第一级放大电路，第二射频类放大器(7)和第三电容(8)构成第二级放大电路，第三射频类放大器(9)和第四电容(10)构成第三级放大电路。
两个光电二极管产生了光电流差信号，第一电阻(3)将电流信号转化成电压信号并进行了放大(因为射频类放大器的输入信号是电压，所以我们要把两光电二极管产生的差电流信号转化成电压信号，而根据欧姆定律U＝IR，此时的电阻R 相当于起到了一个放大作用，放大的倍数为电阻的阻值)；第一电容(4)、第二电容(6)、第三电容(8)和第四电容(10)起隔离直流作用；三个射频类放大器均为低噪声射频放大器(射频类放大器中有一参数叫做噪声系数NF,噪声系数是为了衡量某一放大器或某一系统的噪声特性而引入的对系统内部噪声大小的度量，噪声系数NF＝输入端信噪比/输出端信噪比。本专利中要求噪声系数NF 一般小于2.7dB)，目的是放大电压信号；第五电容(12)和第六电容(14)与第二电阻(11)和第三电阻(13)构成滤波电路，过滤电源产生的高次谐波噪声。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明通过对平衡零拍探测器进行改进，去掉了传统的跨组运算放大器，采用射频类放大器，并以此重新设计电路，从而使平衡零拍探测器的带宽大大提高(传统的跨阻运算放大器的带宽与放大倍数成反比，如果要增加放大倍数的话，那么带宽必然减小，以此放大器为核心的平衡零拍探测器一般都只有几十MHz，这种放大器并不适用于高频电路，而射频类放大器的带宽一般是固定的、很大的，相比于跨阻放大器在增加探测器带宽方面更有优势)。现有的平衡零拍探测器，测量带宽一般在MHz量级，本发明的测量带宽可达GHz量级。
(2)本发明基于基尔霍夫电流定律，设计了一种以射频类放大器为核心的三级放大电路结构的平衡零拍探测器，使得探测器在高频领域也具有较高的增益，具体为在GHz量级的带宽下增益达到20K以上，这远远超过同等带宽条件下的平衡零拍探测器的增益性能。
(3)本发明在实现平衡零拍探测器增益高于20K、带宽为GHz量级优越性能的情况下，也保证了探测器的信噪比大于10dB(平衡零拍探测器的放大级数从二级变成三级之后，相对应的会引入了更多的噪声，使探测器的信噪比过低而失去使用价值，这也是以往探测器放大级数增加到三级时所面临的问题，而本发明通过理论计算，改用低暗电流噪声光电二极管，因为暗电流噪声为噪声的主要成分，此外采用的射频类放大器噪声系数低于2.7，因为噪声系数超过2.7的放大器自身引入噪声过多，基于这两点改变重新设计了电路，从而解决了探测器信噪比低这一问题，并通过实例理论计算，验证了这一设计的可行性，确保了探测器的性能提升)，满足了平衡零拍探测器实际测量的基本要求，使得该探测器的发明具有现实意义。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是现有的跨阻运算放大器电路结构图；
图3是现有的光电二极管噪声模型示意图；
其中，1、第一光电二极管，2、第二光电二极管，3、第一电阻，4、第一电容， 5、第一射频类放大器，6、第二电容，7、第二射频类放大器，8、第三电容，9、第三射频类放大器，10、第四电容，11、第二电阻，12、第五电容，13、第三电阻，14、第六电容，15、跨阻运算放大器，16、反馈电阻，17、光电二极管产生的光电流，18、光电二极管产生的热噪声，19、光电二极管产生的暗电流，20、光电二极管分流电阻，21、光电二极管结电容，22、低噪声射频放大器。具体实施方式
如图1所示，一种高增益宽带平衡零拍探测器，可用于探测分析连续变量量子态量子正交分量的噪声起伏。两个光电二极管产生的光电流差信号，经由第一电阻转化成相应的电压信号，电压信号的交流部分经由第一电容输出到第一射频类放大器和第二电容，经过第一次放大，再输出到第二射频类放大器和第三电容，经过第二次放大，然后输出到第三射频类放大器和第四电容，经过第三次放大，最后输出到AC端，用于测量平衡零拍探测器的电子学噪声和光场的量子噪声。本发明装置包括由第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2组成的差分电路，第一光电二极管PD1的阳极与第二光电二极管PD2的阴极连接，第一光电二极管PD1的阴极通过第二电阻连接正电压，第二光电二极管PD2的阳极通过第三电阻连接负电压，第一光电二极管的阴极通过第五电容接地，第二光电二极管的阳极通过第六电容接地；第二电阻与第五电容构成滤波电路，第三电阻与第六电容构成滤波电路，过滤电源产生的高次谐波噪声，第五电容和第六电容都为uF量级；两光电二极管的光电流差信号经由第一电阻转化成电压信号；第一电容起隔直作用，分离出电压信号中的交流部分，第一电容为pF量级；第一射频类放大器和第二电容为第一级放大电路，第二射频类放大器和第三电容为第二级放大电路，第三射频类放大器和第四电容为第三级放大电路，电路对电压信号进行了三次放大后输出，第二电容、第三电容和第四电容同样为隔直电容，都为pF量级。
本实施例中两个光电二极管测量1550nm的激光，具有低结电容、宽带、高响应度、低暗电流的特性；三个射频类放大器均为低噪声射频放大器，具有宽带、低增益、低噪声系数的特性。电路采用正负供电模式，两光电二极管相连的结点为A，结点A再接电阻(第一电阻)接地，同时结点A也通过交流耦合电容(第一电容)输出出交流信号；三射频类放大器后分别接交流耦合电容(第二电容、第三电容和第四电容)。
射频类放大器本身具有自增益，其增益一般是固定的，同时其带宽一般也是固定的，不需要像传统的跨阻运算放大器一样(如图2)，通过外接反馈电阻R来放大电信号，这避免了增益(即反馈电阻R即终端电容)与增益带宽GBW之间的矛盾，它们具有这样的关系：
从而能够保证探测器在宽带情况下获得高增益。已知本发明所设计电路的结构和元器件的具体参数，根据
可得频率上限为：2GHz，其中f为频率，Π为常数，C为电容(光电二极管的结电容)，再把元器件的封装和焊脚的寄生电容影响考虑在内，总寄生电容预计为单位pF左右，那么带宽将下降0.5GHz，故平衡零拍探测器的理论带宽为1.5GHz，为GHz量级。已知射频类放大器的自增益，即电压放大倍数，那么三级芯片级联时电压放大达到自增益的三倍，再结合两光电二极管光电流差信号经过的第一电阻的阻值，故平衡零拍探测器的理论增益可达到28K，超过20K。
现有技术中多采用如图3所示的光电二极管噪声模型来定量分析探测器的信噪比。光电二极管的热噪声为：
其中K为波尔兹曼常数，T为热力学温度，RD为光电二极管分流电阻。光电二极管的暗电流噪声为：
其中q为电子电量，id为光电二极管的暗电流。光电二极管的总噪声为：
光电二极管被激光照射时产生的光电流为：iPD，signal＝P|ρ，其中P为入射光功率，ρ为光电二极管的响应度。因此，光电二极管处的信噪比为：
假设入射光为3mW的1550nm激光，光电二极管的温度为25℃，再代入其他设计参数，那么可以算得：SNRPD＝238dB。噪声系数是为了衡量某一线性电路(如放大器)或一系统(如接收机)的噪声特性而引入的对系统内部噪声大小的度量，射频类放大器的噪声系数NF＝输入端信噪比/输出端信噪比。第一射频类放大器的输入端信噪比约等于光电二极管处的信噪比SNRPD，故可以算得第一射频类放大器的输出端信噪比为95dB。依次计算可知，第三射频类放大器的输出端信噪比为 15dB。再把其他元器件产生的微弱噪声考虑进来，如第二电阻、第三电阻产生的热噪声等，那么整体的信噪比会下降约4dB，故平衡零拍探测器的理论信噪比为11dB。该信噪比满足平衡零拍探测器信噪比必须大于10dB这一基本要求。
Claims (2)
1.一种高增益宽带平衡零拍探测器，其特征在于：包括由第一光电二极管（1）和第二光电二极管（2）组成的差分电路，由第一电阻（3）和第一电容（4）组成的交直流分离电路，由顺序连接的第一射频类放大器（5）、第二电容（6）、第二射频类放大器（7）、第三电容（8）、第三射频类放大器（9）、第四电容（10）组成的三级放大电路；第一光电二极管（1）的阳极和第二光电二极管（2）的阴极连接，第一光电二极管（1）的阴极通过第二电阻（11）连接正电压，第二光电二极管（2）的阳极通过第三电阻（13）连接负电压，第一光电二极管（1）的阴极通过第五电容（12）接地，第二光电二极管（2）的阳极通过第六电容（14）接地，第一光电二极管（1）的阳极通过第一电阻（3）接地，第一光电二极管（1）的阳极通过第一电容（4）连接第一射频类放大器（5）的输入端，第一射频类放大器（5）的输出端通过第二电容（6）连接第二射频类放大器（7）的输入端，第二射频类放大器（7）的输出端通过第三电容（8）连接第三射频类放大器（9）的输入端，第三射频类放大器（9）的输出端通过第四电容（10）连接交流输出，第一射频类放大器（5）和第二电容（6）构成第一级放大电路，第二射频类放大器（7）和第三电容（8）构成第二级放大电路，第三射频类放大器（9）和第四电容（10）构成第三级放大电路。
2.根据权利要求1所述的一种高增益宽带平衡零拍探测器，其特征在于：两个光电二极管产生了光电流差信号；第一电阻（3）将电流信号转化成电压信号并进行了放大；第一电容（4）、第二电容（6）、第三电容（8）和第四电容（10）起隔离直流作用；三个射频类放大器均为低噪声射频放大器，目的是放大电压信号；第五电容（12）和第六电容（14）与第二电阻（11）和第三电阻（13）构成滤波电路，过滤电源产生的高次谐波噪声。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010329647.4A CN111525898A (zh) | 2020-04-23 | 2020-04-23 | 一种高增益宽带平衡零拍探测器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010329647.4A CN111525898A (zh) | 2020-04-23 | 2020-04-23 | 一种高增益宽带平衡零拍探测器 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111525898A true CN111525898A (zh) | 2020-08-11 |
Family
ID=71904946
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010329647.4A Pending CN111525898A (zh) | 2020-04-23 | 2020-04-23 | 一种高增益宽带平衡零拍探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111525898A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114323090A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-04-12 | 山西大学 | 宽带平衡零拍光电探测器 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102721955A (zh) * | 2012-06-19 | 2012-10-10 | 哈尔滨工业大学 | 2μm相干激光测风雷达系统中平衡式光电探测器 |
| CN103457550A (zh) * | 2012-05-30 | 2013-12-18 | 上海无线通信研究中心 | 射频功率放大器及其移动终端 |
| CN103746665A (zh) * | 2013-10-17 | 2014-04-23 | 天津大学 | 一种0.1～3GHz CMOS增益可调驱动功率放大器 |
| CN108362377A (zh) * | 2018-02-05 | 2018-08-03 | 山西大学 | 一种低频低噪声平衡零拍探测器 |
| WO2018228772A1 (en) * | 2017-06-13 | 2018-12-20 | Firecomms Limited | A low-noise transimpedance amplifier incorporating a regulator |
| CN110971198A (zh) * | 2018-09-29 | 2020-04-07 | 天津大学青岛海洋技术研究院 | 一种具有高增益的射频低噪声放大器设计 |
-
2020
- 2020-04-23 CN CN202010329647.4A patent/CN111525898A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103457550A (zh) * | 2012-05-30 | 2013-12-18 | 上海无线通信研究中心 | 射频功率放大器及其移动终端 |
| CN102721955A (zh) * | 2012-06-19 | 2012-10-10 | 哈尔滨工业大学 | 2μm相干激光测风雷达系统中平衡式光电探测器 |
| CN103746665A (zh) * | 2013-10-17 | 2014-04-23 | 天津大学 | 一种0.1～3GHz CMOS增益可调驱动功率放大器 |
| WO2018228772A1 (en) * | 2017-06-13 | 2018-12-20 | Firecomms Limited | A low-noise transimpedance amplifier incorporating a regulator |
| CN108362377A (zh) * | 2018-02-05 | 2018-08-03 | 山西大学 | 一种低频低噪声平衡零拍探测器 |
| CN110971198A (zh) * | 2018-09-29 | 2020-04-07 | 天津大学青岛海洋技术研究院 | 一种具有高增益的射频低噪声放大器设计 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| XIAOXIONG ZHANG 等: "1.2-GHz Balanced Homodyne Detector for Continuous-Variable Quantum Information Technology" * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114323090A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-04-12 | 山西大学 | 宽带平衡零拍光电探测器 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN113138018A (zh) | 一种用于量子随机数产生的高信噪比宽带平衡零拍探测器 | |
| CN203629593U (zh) | 用于光纤传感微弱信号的检测电路 | |
| CN108362377B (zh) | 一种低频低噪声平衡零拍探测器 | |
| CN204694347U (zh) | 一种低噪声光电检测电路 | |
| CN104852769A (zh) | 一种应用于光接收机前端tia带rssi的分相电路 | |
| Zheng et al. | Design and analysis of a W-Band detector in 0.18-µm SiGe BiCMOS | |
| CN102680091B (zh) | 一种太赫兹波的高速探测方法及装置 | |
| CN111525898A (zh) | 一种高增益宽带平衡零拍探测器 | |
| CN111106867A (zh) | 一种适用于连续变量量子随机数产生的探测模块 | |
| CN117419805A (zh) | 一种微弱红外信号处理采集装置 | |
| CN113740878B (zh) | 用于测风雷达的平衡探测器电路 | |
| CN107846248B (zh) | 一种用于微波光子系统的超宽带多通道光电一体化探测器 | |
| CN110231096B (zh) | 辐射计前端结构和终端设备 | |
| CN110132425B (zh) | 辐射计前端以及终端设备 | |
| CN108534893B (zh) | 一种用于光外差探测的光电检测电路 | |
| CN102141631A (zh) | 一种高灵敏度、宽带氢或氘alpha谱线强度测量方法和系统 | |
| JPH04252923A (ja) | 光検波回路 | |
| CN207475555U (zh) | 一种用于微波光子系统的超宽带多通道光电一体化探测器 | |
| CN213341068U (zh) | 固体激光器的功率反馈采集电路与固体激光机 | |
| CN111579065B (zh) | 一种kHz量级高信噪比平衡零拍探测器及检测系统 | |
| CN107733641A (zh) | 高速高可调带宽量子平衡零差探测器及其控制方法 | |
| CN114923567A (zh) | 一种自举低噪声光电探测器 | |
| CN204559585U (zh) | 应用于光接收机前端tia带rssi的分相电路 | |
| CN210774350U (zh) | 一种雷电光辐射探测器 | |
| CN221037673U (zh) | 一种宽带光电探测装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200811 |