CN111817674A - 一种放大电路、光电信号检测电路、检测芯片电路及芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种放大电路、光电信号检测电路、检测芯片电路及芯片，采用可调RC电路网络，得到放大电路，跨阻电阻将光电流信号转换为电压信号，经过可变增益放大电路放大后，利用包络检波电路进行二级检波，在光信号较强时，一级检波的包络输出就能够被采用，在光信号较弱时，在检波电路中再次进行放大，二级检波的包络输出能够被采用。本申请通过可变增益放大电路的放大，实现了带通滤波和可变增益，根据二级检波的幅度判断外部光信号的大小。本申请通过RC调整数值，实现不同的增益，提高增益的稳定性和电流‑电压转换的线性度，实现带通滤波和低频带通放大，保证了系统拥有高的小信号增益和大的动态范围，简化了电路结构，降低了成本。

Description

一种放大电路、光电信号检测电路、检测芯片电路及芯片
技术领域
本发明涉及光电检测技术领域，尤其是涉及一种高灵敏度宽动态范围光电信号检测电路、检测芯片及芯片电路。
背景技术
目前，电梯光幕是由安装在电梯轿门两侧的红外发射器和接收器、安装在轿顶的电源盒及专用柔性电缆四大部分组成。在发射器内有多个红外发射管，红外发射管数量为8个，或16个，或32个；在发射端微处理器控制下，发射接收管依次打开，自上而下连续扫描轿门区域，当其中任何一束光线被阻挡时，控制系统立即输出开门信号，轿门即停止关闭并反转开启，直至乘客或阻挡物离开警戒区域后电梯门方可正常关闭，从而达到安全保护目的，这样可避免电梯夹人事故的发生。
微弱光信号检测技术是电梯光幕的主要技术点。由于电梯应用场景中，两个电梯门之间距离较远，随着电梯门的张开，在接收端收到的光信号会衰减至千分之一。对应的在接收端光敏管中感应的电流只有数nA。在接收端，采用线性放大的方法设计的接收电路，容易受到环境光和噪声的干扰，采用限幅放大器方法设计的电路，又无法检测信号的具体强弱来判断门的位置。
在数据速率很低的情况下，如果采用闭环自动增益控制，由于固有的下限截止频率将难以适应；在外部光信号强弱变换速度很快，要求系统实时快速反应的情况下，闭环自动增益控制由于固有的环路建立时间也难以适应。
因此，如何对微弱光信号进行有效检测，是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种放大电路、光电信号检测电路、检测芯片电路及芯片，采用可调RC电路网络，得到放大电路，跨阻电阻将光电流信号转换为电压信号，经过可变增益放大电路放大后，利用包络检波电路进行二级检波，在光信号较强时，一级检波的包络输出就能够被采用，在光信号较弱时，在检波电路中再次进行放大，二级检波的包络输出能够被采用。本申请通过可变增益放大电路的放大，实现了带通滤波和可变增益，根据二级检波的幅度判断外部光信号的大小。
第一方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种放大电路，包括运算放大器、RC电路网络，RC电路网络的一端连接在运算放大器的负或正输入端，另一端连接在运算放大器的输出端，运算放大器的正或负输入端连接设定值端；RC电路网络包括固定电阻电路、固定电容电路、至少一个可调电容电路、至少一个可调电阻电路；固定电阻电路与至少一个可调电阻电路串联连接，组成电阻电路，固定电容电路、至少一个可调电容电路、电阻电路并联连接，
可调电容电路包括串联连接的电容、第一控制开关，可调电阻电路包括并联连接的电阻、第二控制开关，第一控制开关用于断开或连接电容到RC电路网络中，第二控制开关用于断开或连接电阻到RC电路网络中。
本发明进一步设置为：第一控制开关、第二控制开关结构相同，包括由互补SCOM管组成的传输门电路，互补CMOS开关管的栅极相互连接、源极相互连接、漏极相互连接；源极、漏极作为开关的两端。
第二方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种光电信号检测电路，包括依次连接的光信号接收电路、电压转换电路、放大电路、检波电路，光信号接收电路用于将光信号转换为电流信号，经过电压转换电路后，转换成电压信号，放大电路对电压信号进行放大，经过检波电路后得到电压幅度信号。
本发明进一步设置为：光信号接收电路包括光敏元件，用于将光信号转换为电流信号；电压转换电路包括跨阻放大电路，用于将电流信号转换为电压信号。
本发明进一步设置为：跨阻放大电路包括所述放大电路。
本发明进一步设置为：跨阻放大电路的跨阻RC电路网络，包括由三个串联电阻组成的跨阻电阻电路、第一跨阻电容电路、第二跨阻电容电路，跨阻电阻电路、第一跨阻电容电路、第二跨阻电容电路并联连接，在第二串联电阻的两端并联第一跨阻开关电路，在第二电容电路中包括串联的第二跨阻开关电路、第二跨阻电容，第一跨阻开关电路、第二跨阻开关电路的控制端相连接。
本发明进一步设置为：放大电路包括依次连接的二级运放子电路，第一级运放子电路用于以固定放大倍数进行放大，第二级运放子电路用于以可调放大倍数进行放大。
本发明进一步设置为：第二级运放子电路包括所述放大电路；第二级运放子电路的第二RC电路网络，包括至少二个电阻串联的电阻电路、与电阻电路并联的至少一个电容电路。
本发明进一步设置为：检波电路包括的第一检波子电路、检波放大电路、第二检波子电路，第一检波子电路的输入端连接检波放大电路的输入端，第二检波子电路的输入端连接检波放大电路的输出端；第一检波子电路、第二检波子电路分别包括包络检波电路，检波放大电路用于以可调放大倍数进行放大。
本发明进一步设置为：检波放大电路包括检波运放电路、检波RC电路网络，检波RC电路网络包括至少一个检波电阻电路、与检波电阻电路并联的一个检波电容电路。
第三方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种具有光电信号的检测芯片电路，包括依次连接的电压转换电路、放大电路、检波电路，电压转换电路用于将输入电流信号转换为电压信号，放大电路对电压信号进行放大，经过检波电路后得到电压幅度信号，检波电路包括第一检波子电路、检波放大电路、第二检波子电路，在检波放大电路的负或输入端、输出端分别引出引脚，用于在检测芯片外设置可调RC电路网络。
第四方面，本发明的上述发明目的通过以下技术方案得以实现：
一种光电信号的检测芯片，包括用于传输光信号电流的第一引脚，用于引用第一检波子电路输出的第二引脚，用于设置检波放大电路放大倍数的第三、第四引脚，用于引用第二检波子电路输出的第五引脚。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果为：
1.本申请通过放大电路的RC数值，实现不同的增益，提高增益的稳定性和电流-电压转换的线性度；
2.进一步地，本申请的二级可变增益放大电路，第一级实现隔直流和带通滤波，第二级实现可变增益放大，以较小的RC实现低频带通放大，提高芯片的集成度；
3.进一步地，本申请的二级检波，分别对应光信号强弱时的状态，保证了系统拥有高的小信号增益和大的动态范围，简化了电路结构，降低了成本。
附图说明
图1是本发明的一个具体实施例的检测电路结构示意图；
图2是本发明的一个具体实施例的跨阻放大电路结构示意图；
图3是本发明的一个具体实施例的放大电路结构示意图；
图4是本发明的一个具体实施例的检测芯片封装结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施例一
本发明的一种光电信号检测电路，如图1所示，包括依次连接的光信号接收电路、电压转换电路、放大电路、检波电路，光信号接收电路用于将光信号转换为电流信号，电流信号经过电压转换电路后，转换成电压信号，对电压信号进行放大，经过检波电路后得到电压幅度信号。
光信号接收电路包括光敏二极管1，光敏二极管1的负极连接电源端，正极连接电压转换电路，光信号照射到光敏二极管时，在光敏二极管中产生电流。
电压转换电路包括跨阻放大电路2，用于将电流信号转换为电压信号。
检波电路包括第一检波子电路、检波放大电路、第二检波子电路，其中，第一检波子电路的输入端连接检波放大电路的输入端，第二检波子电路的输入端连接检波放大电路的输出端。
第一检波子电路包括第一包络检测电路5，第二检波子电路包括第二包络检测电路10。
放大电路3的输出端连接第一包络检测电路5的输入端，第一包络检测电路5的输出端输出第一光幅值包络信号VO1。
检波放大电路包括检波运放电路、检波RC电路网络。
检波运放电路包括检波运算放大器9，放大电路3的输出端连接检波放大电路第一电阻4的一端，检波放大电路第一电阻4的另一端连接检波运算放大器的负输入端、检波RC电路网络的一端，检波运算放大器的输出端连接检波RC电路网络的另一端、第二包络检测电路5的输入端，第二包络检测电路10的输出端输出第二光幅值包络信号VO2，检波运算放大器的另一个输入端接设定电压值端。
检波RC电路网络包括二个检波电阻电路、一个检波电容电路；第一检波电阻电路、第二检波电阻电路、检波电容电路并联连接，组成检波RC电路网络。
第一检波电阻电路包括一个固定电阻8，第二检波电阻电路包括一个可变电阻7，检波电容电路包括一个电容6。
本申请的光电信号检测电路，包括由一级跨阻大器（TIA），两级可变增益放大器和两级包络检波电路，完成对光电信号的检测，通过包络检波输出幅度的大小实现对外部光信号的强弱的判断。光电信号检测电路具有高的电流-电压转换增益和动态范围。两级包络检波架构允许在实际应用中灵活判断信号强弱。在光信号弱的时候，读取第二包络检波输出来判断，光信号强的时候，读取第一级包络检波输出来判断，这种分级判断方式既保证了系统拥有高的小信号增益，应对弱信号应用，又保证了系统拥有大的动态范围，应对强信号应用，不需要闭环自动增益控制，从而降低了系统复杂程度和实现成本。
具体实施例二
本发明的一种光电信号检测电路中的跨阻放大电路，如图2所示，包括跨阻运算放大器201、跨阻RC电路网络，跨阻RC电路网络并联在跨阻运算放大器201的负输入端与输出端之间，跨阻运算放大器201的正输入端连接设定值VREF端。
跨阻RC电路网络包括由四个依次串联连接的电阻202、203、204、205组成的跨阻电阻电路、第一跨阻电容电路、第二跨阻电容电路，跨阻电阻电路、第一跨阻电容电路、第二跨阻电容电路并联连接。
在电阻203、204的两端并联第一跨阻开关电路，第一跨阻开关电路包括由互补CMOS开关管209组成的传输门电路，互补CMOS开关管的栅极相互连接、源极相互连接、漏极相互连接，源极相互连接后连接电阻202、203的连接点，漏极相互连接后连接电阻204、205的连接点。
第一跨阻电容电路包括电容208。
第二跨阻电容电路包括电容207、第二跨阻开关电路。第二跨阻开关电路包括由互补CMOS开关管206组成的传输门电路，互补CMOS开关管的栅极相互连接、源极相互连接、漏极相互连接，第二跨阻开关电路的源极连接第二跨阻电容207的一端，其漏极连接跨阻电阻电路的一端、跨阻运算放大器的负输入端，第二跨阻电容207的另一端连接跨阻电阻电路的另一端、跨阻运算放大器的输出端。
第一跨阻开关电路的栅极、第二跨阻开关电路的栅极连接在一起，作为控制端。
互补CMOS开关管包括一个N型CMOS开关管和一个P型CMOS开关管。
通过第一跨阻开关电路、第二跨阻开关电路的导通或截止，调整RC电路网络的参数，从而改变跨阻放大电路的增益大小。
本申请由运放构成的跨阻放大电路能够提高增益的稳定性和电流-电压转换的线性度。
具体实施例三
本发明的一种光电信号检测电路中的放大电路，如图3所示，包括依次连接的耦合电容301、二级运放子电路，第一级运放子电路用于以固定放大倍数进行放大，第二级运放子电路用于以可调放大倍数进行放大。
耦合电容301用于隔离信号的直流成分，将信号的交流成分传输到放大电路进行放大。
第一级运放子电路包括第一运放放大器305、第一运放RC电路网络、第一输入电阻302，第一运放RC电路网络包括并联连接的电阻304、电容303。
第一输入电阻302的一端连接耦合电容301的一端，另一端连接第一运放放大器305的负输入端、第一运放RC电路网络的一端，第一运放放大器305的输出端、第一运放RC电路网络的另一端、第二级运放子电路的输入端连接在一起。
第一级运放子电路的放大倍数由电阻304、302的比值决定，当电阻304、302确定后，放大倍数就确定了。
第二级运放子电路包括第二运放放大器313、第二运放RC电路网络、第二输入电阻306，第二输入电阻306的一端连接第一级运放子电路的输出端，另一端连接第二运放放大器313的负输入端、第二运放RC电路网络的一端，第二运放RC电路网络的另一端连接第二运放放大器313的输出端、检波电路的输入端，第二运放放大器313的正输入端连接设定值VREF端。
第二运放RC电路网络包括并联连接的第二运放电阻电路、第一运放电容电路、第二运放电容电路；第二运放电阻电路包括串联连接的电阻310、311。
在电阻310的两端并联有第一运放开关电路，第一运放开关电路包括由互补CMOS开关管312组成的传输门电路，互补CMOS开关管的栅极相互连接、源极相互连接、漏极相互连接，其源极、漏极与电阻310并联，其源极连接第二运放放大器313的负输入端。
第一运放电容电路包括电容309。
第二运放电容电路包括串联连接的电容308、第二运放开关电路，第二运放开关电路包括由互补CMOS开关管307组成的传输门电路，互补CMOS开关管的栅极相互连接、源极相互连接、漏极相互连接，互补CMOS开关管的源极连接第二运放放大器313的负输入端，其漏极连接电容308的一端，电容308的另一端连接第二运放放大器313的输出端、检波电路的输入端。
第一运放开关电路的控制端、第二运放开关电路的控制端连接在一起。
通过第一运放开关电路、第二运放开关电路的导通或截止，调整RC电路网络的参数，从而改变放大电路的增益大小。
本申请的放大电路，由两级运算放大器和外围反馈RC构成。第一级实现隔直流和带通滤波，RC值的取值可以较小，第二级实现可变增益放大，RC值的取值可以更小，增益外部配置。交流耦合放大避免了直接耦合放大时直流增益和交流增益的矛盾，避免了闭环直流调节结构的使用。两级运放结构避免了单级带通放大器的带通特性和高增益的矛盾。
具体实施例四
本申请的一种光电信号检测芯片电路，如图1虚线框内所示，包括依次连接的电压转换电路2、放大电路3、检波电路，输入信号VIN经过电压转换电路2后，得到电压信号VG1，放大电路3对电压信号VG1进行放大，得到电压信号VG2，经过检波电路后得到电压幅度信号VO1，检波电路包括第一检波子电路、检波放大电路、第二检波子电路，在检波放大电路的负输入端、输出端分别引出引脚，用于在检测芯片外设置可调RC电路网络。
具体地，检波放大电路包括检波输入电阻4、检波运算放大器，放大电路3的输出端连接检波输入电阻4的一端，检波输入电阻4的另一端连接检波运算放大器的一个输入端、电阻8的一端、引出端VG3，其输出端连接电阻8的另一端、引出端VG4、第二检波子电路的输入端，在引出端VG3、引出端VG4之间设置可调RC电路网络，用于外部设置检波放大电路的增益。
第一检波子电路输出电压幅度信号VO1，第二检波子电路输出电压幅度信号VO2。
若电压信号经过放大电路3后，其幅度值满足要求，经过第一检波子电路后就能够得到与输入信号幅度相关的电压幅度信号VO1。
若电压信号经过放大电路3后，其幅度值较小，不能满足要求，再经过检波放大电路后，由第二检波子电路，再得到与输入信号幅度相关的电压幅度信号VO2，根据VO1、VO2的幅值判断外部光信号的大小。
电压幅度信号VO1、VO2为包络信号。
电压转换电路2设置有控制端GCON1，放大电路3设置有控制端GCON2，分别输入高低电平进行控制。
本申请检测芯片电路，以较小的RC实现低频带通放大器，提高芯片的集成度。
具体实施例五
本申请的一种光电信号检测芯片，如图4所示，将实施例四中的控制端GCON1、GCON2进行固定设置，不做引出脚，减少引出脚数量，只引出用于用于传输光信号电流的第一引脚AIN，对应图1中的VIN，用于引用第一检波子电路输出的第二引脚AOUT1，对应图1中的VO1，用于设置检波放大电路放大倍数的第三引脚RADJ1、第四引脚RADJ2，用于引用第二检波子电路输出的第五引脚AOUT2, 对应图1中的VO2。
在第三引脚RADJ1、第四引脚RADJ2之间连接电阻，对检测放大电路的放大倍数进行调整。第三引脚RADJ1对应图1中的VG3，第四引脚RADJ2，对应图1中的VG4。
同时还设置第六引脚VREF，用于设定内部参考电压，通过外接滤波电容实现调整。
本申请的工作原理是，在电压转换电路、放大电路、检波放大电路中，分别设置可调RC电路网络，设置可调R值与可调C值，实现对增益的调整，从而实现电路的高灵敏度宽动态范围。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种放大电路，其特征在于：包括运算放大器、RC电路网络，RC电路网络的一端连接在运算放大器的负或正输入端，另一端连接在运算放大器的输出端，运算放大器的正或负输入端连接设定值端；RC电路网络包括固定电阻电路、固定电容电路、至少一个可调电容电路、至少一个可调电阻电路；固定电阻电路与至少一个可调电阻电路串联连接，组成电阻电路，固定电容电路、至少一个可调电容电路、电阻电路并联连接，
可调电容电路包括串联连接的电容、第一控制开关，可调电阻电路包括并联连接的电阻、第二控制开关，第一控制开关用于断开或连接电容到RC电路网络中，第二控制开关用于断开或连接电阻到RC电路网络中。
2.根据权利要求1所述放大电路，其特征在于：第一控制开关、第二控制开关结构相同，包括由互补CMOS管组成的传输门电路，互补CMOS开关管的栅极相互连接、源极相互连接、漏极相互连接；源极、漏极作为开关的两端。
3.一种光电信号检测电路，其特征在于：包括依次连接的光信号接收电路、电压转换电路、放大电路、检波电路，光信号接收电路用于将光信号转换为电流信号，经过电压转换电路后，转换成电压信号，对电压信号进行放大，经过检波电路后得到电压幅度信号。
4.根据权利要求3所述光电信号检测电路，其特征在于：光信号接收电路包括光敏元件，用于将光信号转换为电流信号；电压转换电路包括跨阻放大电路，用于将电流信号转换为电压信号。
5.根据权利要求4所述光电信号检测电路，其特征在于：跨阻放大电路包括如权利要求1或2所述的放大电路。
6.根据权利要求5所述光电信号检测电路，其特征在于：跨阻放大电路的跨阻RC电路网络，包括由三个串联电阻组成的跨阻电阻电路、第一跨阻电容电路、第二跨阻电容电路，跨阻电阻电路、第一跨阻电容电路、第二跨阻电容电路并联连接，在第二串联电阻的两端并联第一跨阻开关电路，在第二电容电路中包括串联的第二跨阻开关电路、第二跨阻电容，第一跨阻开关电路、第二跨阻开关电路的控制端相连接。
7.根据权利要求3所述光电信号检测电路，其特征在于：放大电路包括依次连接的二级运放子电路，第一级运放子电路用于以固定放大倍数进行放大，第二级运放子电路用于以可调放大倍数进行放大。
8.根据权利要求7所述光电信号检测电路，其特征在于：第二级运放子电路包括如权利要求1或2所述的放大电路；第二级运放子电路的第二RC电路网络，包括至少二个电阻串联的电阻电路、与电阻电路并联的至少一个电容电路。
9.根据权利要求3所述光电信号检测电路，其特征在于：检波电路包括的第一检波子电路、检波放大电路、第二检波子电路，第一检波子电路的输入端连接检波放大电路的输入端，第二检波子电路的输入端连接检波放大电路的输出端；第一检波子电路、第二检波子电路分别包括包络检波电路，检波放大电路用于以可调放大倍数进行放大。
10.根据权利要求9所述光电信号检测电路，其特征在于：检波放大电路包括检波运放电路、检波RC电路网络，检波RC电路网络包括至少一个检波电阻电路、与检波电阻电路并联的一个检波电容电路。
11.一种光电信号检测芯片电路，其特征在于：包括依次连接的电压转换电路、放大电路、检波电路，电压转换电路用于将输入电流信号转换为电压信号，放大电路对电压信号进行放大，经过检波电路后得到电压幅度信号，检波电路包括第一检波子电路、检波放大电路、第二检波子电路，在检波放大电路的负或输入端、输出端分别引出引脚，用于在检测芯片外设置可调RC电路网络。
12.一种光电信号检测芯片，其特征在于：包括用于传输光信号电流的第一引脚，用于引用第一检波子电路输出的第二引脚，用于设置检波放大电路放大倍数的第三、第四引脚，用于引用第二检波子电路输出的第五引脚。
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