CN113514152A - 一种可鉴别信号来向的微弱光信号检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种可鉴别信号来向的微弱光信号检测系统,所述微弱光信号检测系统包括电路基板,四象限光电探测器设置在电路基板一面,其余电子元件设置在电路基板另一面;所述的四象限光电探测器包括四只高灵敏度PIN光电二极管,平均对称分布在电路基板上,每个象限的位置布置一个高灵敏度PIN光电二极管做光电感应元件,将光信号转变为流过PIN光电二极管的电流信号;所述的四个PIN光电二极管的电流输出连接一放大电路,该放大电路对PIN光电二极管的电流输出执行电流到电压的转换和放大,依据所述的放大电路的四个电压输出来确定被光信号的来向和强弱。
Description
技术领域
本发明属光信号检测技术领域,尤其涉及一种用于检测高速微弱光信号且能够鉴别光信号来向的装置。
背景技术
中国专利公开CN109600122A公开了一种可变跨阻放大器电流-电压转换电路,该电路能够自动选择增益控制电路环路,在不同信号功率下,按照PD输出信号的大小,自动选择电流-电压转换的不同跨阻,在尽量减小增益误差和失调误差的同时扩大光电系统的动态响应范围。,所提供的一种可变跨阻放大器电流-电压转换电路,包括光电传感器PD1、电流-电压转换放大电路、滤波电路和二级同相比例运算放大电路,输入的光信号经光电传感器PD1转换为电流输出,经电流-电压转换放大电路一级放大,再由滤波电路滤波后输出,由二级放大电路放大输出,最后进入后级的模拟-数字转换电路;在电流-电压转换电路中增加了电流-电压通道选择器;电流-电压通道选择器跨接在放大器U1的输入-IN管脚和输出OUT管脚之间;电流-电压通道选择器为放大器U1提供多组跨阻跨容对,保证电流-电压转换放大电路的放大系数可调。
中国实用新型授权CN209358504U公开了一种T型结构反馈网络的光电二极管前置放大电路,包括:光电二极管的负极与第一运算放大器的反向输入端连接,第一运算放大器的反向电源端与第一电源的负极连接后接地保护,第一运算放大器的正向电源端与第二电源的正极连接后接地保护,第一运算放大器的输出端与第二运算放大器的正向输入端连接,第二运算放大器的反向电源端与第三电源的负极连接后接地保护,第二运算放大器的正向电源端与第四电源的正极连接后接地保护;电阻R11的第一端与光电二极管的负极连接,电阻R11的第二端与电阻R13的第一端连接,电阻R13的第二端与第一运算放大器的输出端连接,电阻R12的第一端与电阻R11的第二端连接,电阻R12的第二端接地保护。
光信号的检测系统在工业领域可用于测量精密元件的尺寸、角度,还可以用于材料的探伤检测;在现代农业,可用于农作物的长势检测,病虫害预防,森林火灾预警等方面;在地理研究领域,可用于地形地貌的勘测,矿产资源的勘探,深海资源的探测等等;在国防军事领域,可用于防空系统中对于火箭、导弹的侦测和制导拦截。随着近年来不断发展成熟的窄脉冲激光系统和新型半导体激光器得到应用,对微弱光信号的高速检测也十分必要。因此,设计一款能对高速微弱光信号进行检测的系统具有很高的工程价值。
考虑到目前的光信号检测系统无法同时做到宽带和高增益,很难检测出微弱的高速信号。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提出了一种可鉴别信号来向的微弱光信号检测系统,其特征在于,所述微弱光信号检测系统包括电路基板,四象限光电探测器设置在电路基板一面,其余电子元件设置在电路基板另一面;所述的四象限光电探测器包括四只一个高灵敏度PIN光电二极管,平均对称分布在电路基板上,每个象限的位置布置一个高灵敏度PIN光电二极管做光电感应元件,将光信号转变为流过PIN光电二极管的电流信号;所述的四个PIN光电二极管的电流输出连接一放大电路,该放大电路对PIN光电二极管的电流输出执行电流到电压的转换和放大,依据所述的放大电路的四个电压输出来确定被光信号的来向和强弱。
优选的,所述的放大电路包括四个放大模块,每个放大模块接收1个PIN光电二极管的电流输出,执行电流到电压的转换和电压放大;每个放大模块包括两级放大电路,第一级放大电路和第二级放大电路之间设置滤波模块,所述的滤波模块包括阻容高通滤波电路和阻容低通滤波电路,用于阻隔前端直流偏置、滤除高频噪声干扰和除去低频背景噪声;所述的第一级放大电路采用跨阻抗放大电路,第二级放大电路使用反相放大电路。
优选的,PIN光电二极管使用GT112四象限探测器,第一级放大电路采用LMH6629超低噪声高带宽运算放大器;第二级放大电路使用高速运算放大器LTC6268。
优选的,所述的微弱光信号检测系统还包括稳压电源模块,分别给PIN光电二极管和运算放大器提供稳压供电;其中电源接口输入的40V供电电压经过阻容滤波电路输出PIN光电二极管所需的12V稳压供电,运算放大器需要+/-2.5V供电,电源接口输入的+3.3V和-3.3V经过低压差线性稳压器输出+2.5V和-2.5V提供给各个运算放大器。
优选的,低压差线性稳压器为LT1764A和LT3015.
优选的,整个微弱光信号检测系统制作在一块不大于4.5cm x 4.5cm的印刷电路板PCB上,该PCB板一面布置PIN光电二极管,对应四个PIN光电二极管所在区域布置对应的放大电路和相关的电子元件,电源模块的电子元件设置在各个放大模块的一侧。
优选的,所述的PCB设计为至少4层结构,其中第一层为顶层信号层,布置PIN光电二极管和PIN光电二极管的信号引线;第二层为电源层,提供多种电源的连接布线,第三层为地线层,第四层为底层信号层,布置其余所有电子元器件和相关连接线。
优选的,所述的PCB被置于金属屏蔽盒内,该金属屏蔽盒前方是PIN光电二极管的透光窗口;该金属屏蔽盒的后方是输出信号引线和电源引线接口。
优选的,PIN光电二极管的入光面设置有导光窗口,所述的导光窗口包括光学滤光片和导光膜。
优选的,所述的导光膜的朝向入射光的面设置成曲面,该曲面设置成仅能使本象限内的光线入射到导光窗口,而反射其余象限的入射光线。典型的导光膜为四棱锥形状,每个锥面覆盖在一个象限PIN光电二极管的入光面上。
本发明中的各个部件体积小,功耗低,可制作在一块PCB上,能够实现高速微弱光信号的检测放大,为后续的信号处理系统提供足够幅度的电信号。本发明可鉴别光信号来向,并实现高速微弱光信号的放大,同时将整个系统尺寸做到很小,可制作在一块小型PCB上,以便安装在便携式设备中。
附图说明
图1是系统电路原理图。
图2是系统外观。
图3是四象限光电探测器的元件排布图;
图4是整个光电系统的侧视图。
具体实施方式
本发明目的是提供一种小型高速微弱光信号检测系统,它能检测微弱且高速变化的光信号,并鉴别出光信号的来向。
本发明的系统电路原理图如图1所示。
为了实现光信号的方向鉴别和检测,采用四象限光电探测器,每个象限都是一个高灵敏度PIN光电二极管。如图1中的P1,将光信号转变为流过二极管的电信号。因此,四象限光电探测器有四个输出口,对应四个光电二极管的电流输出。根据四个输出口的电流输出情况,可以鉴别光信号的来向。典型PIN光电二极管可采用中电科四十四所研制的GT112四象限探测器,响应度为0.3A/W,外加反向偏置电压为12V。
光电探测器的每个输出口都将接入两级放大电路。
第一级放大采用跨阻放大电路实现,U1选用高带宽低噪声运算放大器,典型运算放大器可采用LMH6629,-3dB带宽为900MHz,输入电压噪声密度为0.69nV/Hz1/2。图中R1为反馈电阻,典型取值为20kΩ。C1为反馈电容,典型取值为0.1pF。
第一级放大和第二级放大之间采用阻容高通滤波电路,用于阻隔前端直流偏置和滤去低频背景噪声。
第二级放大采用反相放大电路实现,U2选用大动态范围,高压摆率运算放大器,典型运算放大器可采用LTC6268,+/-2.5V供电,轨到轨输出,压摆率+1500V/us。
该系统能够实现微弱高速光信号的检测放大。光信号照射到光电二极管上,转化为电流信号,通过第一级放大转化为电压信号并放大,经过滤波模块去除直流偏置和低频背景噪声,进入第二级放大模块放大输出得到伏特级别的电压信号,可供后续的信号处理系统接收处理。
为了便于安装调试同时保证系统性能,本系统的尺寸和元器件的布局布线需要严格要求。
考虑到系统通常需要安装在光学系统的腔体中,因此系统的尺寸不宜过大,整个系统将做在一块4.5cm x 4.5cm的PCB上。
所述的PCB被置于金属屏蔽盒内,该金属屏蔽盒前方是PIN光电二极管的透光窗口;该金属屏蔽盒的后方是输出信号引线和电源引线接口。
PIN光电二极管的入光面设置有导光窗口,所述的导光窗口包括光学滤光片和导光膜。
优选的,所述的导光膜的朝向入射光的面设置成曲面,该曲面设置成仅能使本象限内的光线入射到导光窗口,而反射其余象限的入射光线。典型的导光膜为四棱锥形状,每个锥面覆盖在一个象限PIN光电二极管的入光面上。
考虑到光电探测器和运算放大器都需要稳定的电源供电,其中光电探测需要12V供电,运算放大器需要+/-2.5V供电,系统需要提供三种电源接口并搭建稳压模块。光电探测器对偏置电压的精度要求不高,因此它的稳压采用阻容滤波电路。运算放大器对电源精度和噪声要求都较高,因此它的稳压采用低压差线性稳压器。综上所述,系统的电源接口分别是光电探测器的12V电源接口,低压差线性稳压器的+3.3V和-3.3V电源接口。
为了获得较好的高频性能同时兼顾制作成本,该PCB设计为4层结构,第一层为顶层信号层,第二层为电源层,第三层为地线层,第四层为底层信号层。
考虑到节省空间的需求,光电探测器通常要嵌入光学系统,为了方便嵌入避免阻挡,光电探测器要单独放置在PCB的正面,其余所有电子元器件都放置在背面。
考虑到信号的频率很高,放大电路的布局应当尽量紧凑,信号走线尽量短,同时避免信号线阻抗不连续,即避免信号线通过过孔。因此,信号线都将布在同一层。同时为了减小信号电流回路面积,减小串扰,信号层应当与地层相邻,故信号线应当布在底层信号层。
系统外观如下图所示。
高速微弱光信号检测系统包含四个部分:光电探测器模块、第一级放大模块、脉冲整形模块、第二级放大模块。如图1所示。
(1)光电探测器模块
采用高灵敏度PIN光电二极管P1,外加反向偏置电压V1,将光信号转变为流过二极管的电信号。典型PIN光电二极管可采用中电科四十四所研制的GT112四象限探测器,响应度为0.3A/W,外加反向偏置电压为40V。
(2)第一级放大模块
采用跨阻放大电路实现,U1选用高带宽低噪声运算放大器,典型运算放大器可采用LMH6629,-3dB带宽为900MHz,输入电压噪声密度为0.69nV/Hz1/2。图中R1为反馈电阻,典型取值为20kΩ。C1为反馈电容,典型取值为0.1pF。R2为直流偏置补偿电阻,典型取值为1kΩ。
(3)滤波模块
采用阻容滤波电路,其中R3、C2、R4组成高通滤波电路,阻隔前端直流偏置,典型取值为R3=1kΩ,C2=0.1uF,R4=1kΩ。R5、C3组成低通滤波电路,去除电路高频噪声, 典型取值为R5=51Ω,C3=0.1uF。
(4)第二级放大模块
采用反向放大电路实现,U2选用大动态范围,高压摆率运算放大器,典型运算放大器可采用LTC6268,+/-2.5V供电,轨到轨输出,压摆率+1500V/us。R6和R7用于设定放大倍数,典型取值为R6=100Ω,R7=5kΩ。R8为直流偏置补偿电阻,典型取值为100Ω。
该系统能够实现微弱高速光信号的检测放大。光信号照射到光电二极管上,转化为电流信号,通过第一级放大转化为电压信号并放大,经过滤波模块去除直流偏置和高频噪声,进入第二级放大模块放大输出得到伏特级别的电压信号,可供常用的信号处理芯片接收处理。
整个系统做在一块4.5cm x 4.5cm的PCB上,该PCB设计为4层结构,第一层为顶层信号层,第二层为电源层,第三层为地线层,第四层为底层信号层。PIN光电二极管放置在第一层,其余所有电子元器件都放置在第四层。PCB提供三种电源接口,分别是PIN光电二极管的40V电源接口、电源模块的+3.3V和-3.3V接口。电源层内只为三种电源信号提供走线。地层只用于设置地平面,即0V参考平面。PCB上放置两个电源模块,用于将+3.3V和-3.3V转换为+2.5V和-2.5V。电源采用LDO电源,典型型号为LT1764A和LT3015。PCB上还提供一个测试信号接口电路,可以替代图1中的光电探测器模块,提供测试所需的电流信号。
最后应说明的是,以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制,尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种可鉴别信号来向的微弱光信号检测系统,其特征在于,所述微弱光信号检测系统包括电路基板,四象限光电探测器设置在电路基板一面,其余电子元件设置在电路基板另一面;所述的四象限光电探测器包括四只一个高灵敏度PIN光电二极管,平均对称分布在电路基板上,每个象限的位置布置一个高灵敏度PIN光电二极管做光电感应元件,将光信号转变为流过PIN光电二极管的电流信号;所述的四个PIN光电二极管的电流输出连接一放大电路,该放大电路对PIN光电二极管的电流输出执行电流到电压的转换和放大,依据所述的放大电路的四个电压输出来确定被光信号的来向和强弱。
2.如权利要求1所述的微弱光信号检测系统,其特征在于,所述的放大电路包括四个放大模块,每个放大模块接收1个PIN光电二极管的电流输出,执行电流到电压的转换和电压放大;每个放大模块包括两级放大电路,第一级放大电路和第二级放大电路之间设置滤波模块,所述的滤波模块包括阻容高通滤波电路和阻容低通滤波电路,用于阻隔前端直流偏置、滤除高频噪声干扰和除去低频背景噪声;所述的第一级放大电路采用跨阻抗放大电路,第二级放大电路使用反相放大电路。
3.如权利要求2所述的微弱光信号检测系统,其特征在于,PIN光电二极管使用GT112四象限探测器,第一级放大电路采用LMH6629超低噪声高带宽运算放大器;第二级放大电路使用高速运算放大器LTC6268。
4.如权利要求1所述的微弱光信号检测系统,其特征在于,所述的微弱光信号检测系统还包括稳压电源模块,分别给PIN光电二极管和运算放大器提供稳压供电;其中电源接口输入的40V供电电压经过阻容滤波电路输出PIN光电二极管所需的12V稳压供电,运算放大器需要+/-2.5V供电,电源接口输入的+3.3V和-3.3V经过低压差线性稳压器输出+2.5V和-2.5V提供给各个运算放大器。
5.如权利要求4所述的微弱光信号检测系统,其特征在于,低压差线性稳压器为LT1764A和LT3015。
6.如权利要求1所述的微弱光信号检测系统,其特征在于,整个微弱光信号检测系统制作在一块不大于4.5cm x 4.5cm的印刷电路板PCB上,该PCB板一面布置PIN光电二极管,对应四个PIN光电二极管所在区域布置对应的放大电路和相关的电子元件,电源模块的电子元件设置在各个放大模块的一侧。
7.如权利要求6所述的微弱光信号检测系统,其特征在于,所述的PCB设计为至少4层结构,其中第一层为顶层信号层,布置PIN光电二极管和PIN光电二极管的信号引线;第二层为电源层,提供多种电源的连接布线,第三层为地线层,第四层为底层信号层,布置其余所有电子元器件和相关连接线。
8.如权利要求7所述的微弱光信号检测系统,其特征在于,所述的PCB被置于金属屏蔽盒内,该金属屏蔽盒前方是PIN光电二极管的透光窗口;该金属屏蔽盒的后方是输出信号引线和电源引线接口。
9.如权利要求6所述的微弱光信号检测系统,其特征在于,PIN光电二极管的入光面设置有导光窗口,所述的导光窗口包括光学滤光片和导光膜。
10.如权利要求1所述的微弱光信号检测系统,其特征在于,所述的导光膜的朝向入射光的面设置成曲面,该曲面设置成仅能使本象限内的光线入射到导光窗口,而反射其余象限的入射光线。
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