CN113654460B - 一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器 - Google Patents

一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器 Download PDF

Info

Publication number
CN113654460B
CN113654460B CN202110890070.9A CN202110890070A CN113654460B CN 113654460 B CN113654460 B CN 113654460B CN 202110890070 A CN202110890070 A CN 202110890070A CN 113654460 B CN113654460 B CN 113654460B
Authority
CN
China
Prior art keywords
quadrant
npn type
resistor
module
type triode
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.)
Active
Application number
CN202110890070.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN113654460A (zh
Inventor
王颖颖
朱绍冲
高晓文
陈志明
陈杏藩
胡慧珠
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Zhejiang Lab
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Zhejiang Lab
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU, Zhejiang Lab filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN202110890070.9A priority Critical patent/CN113654460B/zh
Publication of CN113654460A publication Critical patent/CN113654460A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113654460B publication Critical patent/CN113654460B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Abstract

本发明公开一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器，包括两个型号相同的四象限光电二极管、电流差分模块和低噪声高带宽的跨阻放大模块。电流差分模块对两个四象限光电二极管相同象限产生的光电流做差分运算，减去共模信号；跨阻放大模块将电流差分模块输出的电流差值转换为电压信号，并放大后作为最终输出。本发明通过电流差分运算消除光镊系统中捕获光造成的大分量共模电流并进一步降低光源的RIN噪声，单级跨阻放大即可实现高转换增益，从而提高系统的信噪比，适用于光镊系统的位置探测。并且本发明可替代多个单通道平衡探测器，简化光路，具有集成度高、低成本的优点。

Description

一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器
技术领域
本发明涉及光电探测领域，尤其涉及一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器。
背景技术
在光镊系统中，需要探测光阱中被捕获微粒的位置信息，来解算被捕获微粒的运动状态，从而获得光镊本身与外界的相互作用信息，并且光镊系统的反馈控制也需要被捕获微粒的位置信息作为反馈回路的输入。目前，被捕获微粒的位置信息一般是通过微粒的透射光或散射光的光场分布信息探测得到的，最常用的方法有平衡光电探测器法和四象限光电探测器法。平衡光电探测器法利用两个性能匹配的光电二极管串联，实现光电流的差分检测，可极大地抑制光源的RIN噪声和共模干扰信号，并且能够去除捕获光造成的大分量共模电流，有利于微弱信号的检测和放大。但是平衡探测器法需要利用三个单通道的平衡探测器分别探测被捕获微粒在X轴、Y轴和Z轴三个空间轴上的位置信息，存在探测光路复杂，实验操作难度较大的问题。而四象限光电探测器能够同时探测被捕获微粒在X轴、Y轴和Z轴三个空间轴上的位置信息，单个四象限光电探测器可替代三个单通道的平衡探测器，可降低探测系统光路复杂性，简化实验操作，有利于提高光镊系统的集成度。
然而现有技术中，四象限光电探测器一般都是将光电流通过跨阻电路转换为电压信号后再做差分处理，由于光电流中存在捕获光造成的大直流分量，所以极大地限制了第一级跨阻电路的增益，需要通过后级电压放大电路提高探测器的增益，而后级电压放大电路会将前级产生的噪声放大，影响光镊系统的探测精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器，在降低探测光路复杂性的同时，又具备低噪声的优点。既能解决光镊系统现有平衡探测器法的不足，又能克服现有四象限光电探测器技术需要多级放大电路影响系统底噪的缺点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器，包括型号一致的第一四象限光电二极管和第二四象限光电二极管、电流差分模块、低噪声高带宽的跨阻放大模块；所述电流差分模块的两个输入端分别与所述第一四象限光电二极管、第二四象限光电二极管的正极连接，所述电流差分模块的输出端与所述跨阻放大模块的输入端连接；所述电流差分模块对所述第一四象限光电二极管和第二四象限光电二极管相同象限产生的光电流做差分运算，减去共模信号；所述跨阻放大模块将所述电流差分模块输出的电流差值转换为电压信号，并放大后作为最终输出。
进一步地，所述电流差分模块由电阻R2、电阻R3和NPN型三极管Q1、Q2、Q3、Q4组成，所述电阻R2和电阻R3阻值相同，所述NPN型三极管Q1、Q2、Q3和Q4的性能参数精确匹配，所述电阻R3的一端接地，另一端与所述NPN型三极管Q1的发射极相连，所述电阻R2的一端接地，另一端与所述NPN型三极管Q2的发射极相连，所述NPN型三极管Q1的基极与所述NPN型三极管Q2的基极连接，所述NPN型三极管Q1的基极与所述NPN型三极管Q1的集电极连接，所述NPN型三极管Q4的发射极与所述NPN型三极管Q1的集电极连接，所述NPN型三极管Q4的基极与所述NPN型三极管Q3的基极连接，所述NPN型三极管Q3的发射极与所述NPN型三极管Q2的集电极连接，所述NPN型三极管Q3的基极与所述NPN型三极管Q3的集电极连接，所述NPN型三极管Q3的集电极与所述第一四象限光电二极管的单个象限的正极连接，所述NPN型三极管Q4的集电极与所述第二四象限光电二极管的单个象限的正极连接。
进一步地，所述的电流差分模块，流经所述NPN型三极管Q4集电极的电流I1=IA1，其中IA1为所述第一四象限光电二极管的单个象限产生的光电流。
进一步地，所述跨阻放大模块由运算放大器U1、电阻R1和电容C1组成，所述运算放大器U1的正输入端接参考电压V0，负输入端连接所述NPN型三极管Q4的集电极，所述电阻R1和所述电容C1并联后，一端连接所述运算放大器U1的负输入端，一端连接所述运算放大器U1的输出端。
进一步地，所述跨阻放大模块的输出UA=V0-IA×R1，其中IA=IA2-IA1，IA1和IA2分别为所述第一四象限光电二极管和所述第二四象限光电二极管单个象限产生的光电流，V0为所述参考电压。
本发明公开一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器，通过电流差分运算消除捕获光造成的大分量共模电流并进一步降低光源的RIN噪声，单级跨阻放大即可实现高转换增益，从而提高系统的信噪比。本发明既解决了光镊系统现有平衡探测器法的不足，又克服了现有四象限光电探测器技术需要多级放大电路影响系统底噪的缺点。并且本发明可替代多个单通道平衡探测器，简化光路，具有集成度高、低成本的优点。
附图说明
图1是本发明的电路连接示意图；
图2是本发明具体实施例的共模信号抑制性能仿真图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
本发明所提供的一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器，包括型号一致的第一四象限光电二极管1和第二四象限光电二极管2、电流差分模块3、低噪声高带宽的跨阻放大模块4；所述电流差分模块3的两个输入端分别与所述第一四象限光电二极管1、第二四象限光电二极管2的正极连接，所述电流差分模块3的输出端与所述跨阻放大模块4的输入端连接；所述电流差分模块3对所述第一四象限光电二极管1和第二四象限光电二极管2相同象限产生的光电流做差分运算，减去共模信号；所述跨阻放大模块4将所述电流差分模块3输出的电流差值转换为电压信号，并放大后作为最终输出。
在本实施例中，如图1，两个四象限光电二极管型号为Hamamatsu Photonics公司的G6849。电流差分模块由电阻R2、电阻R3和性能参数精确匹配的NPN型三极管Q1、Q2、Q3、Q4组成，它们的连接关系描述如下：电阻R3的一端接地，另一端与Q1的发射极相连，电阻R2的一端接地，另一端与Q2的发射极相连， Q1的基极与Q2的基极连接， Q1的基极与Q1的集电极连接，Q4的发射极与Q1的集电极连接， Q4的基极与Q3的基极连接， Q3的发射极与Q2的集电极连接， Q3的基极与Q3的集电极连接， Q3的集电极与第一四象限光电二极管1的单个象限的正极连接， Q4的集电极与第二四象限光电二极管2的单个象限的正极连接。
由威尔逊电流镜的原理可知，流经Q4集电极的电流I1=IA1，其中IA1为第一四象限光电二极管1的单个象限产生的光电流。根据基尔霍夫电流定律，流入跨阻放大模块的电流，所以，从而实现对两个四象限光电二极管相同象限产生的光电流做差分运算。在本实施例中，电流差分模块的4个NPN型三极管选用ADI公司的四通道单芯片NPN型晶体管MAT14，具有出色的参数匹配性能和低电压噪声密度。
在本实施例中，如图1，跨阻放大模块由运算放大器U1、电阻R1和电容C1组成，它们之间的连接关系描述如下：运算放大器U1的正输入端接参考电压V0，负输入端连接NPN型三极管Q4的集电极，电阻R1和电容C1并联后，一端连接所述运算放大器U1的负输入端，一端连接所述运算放大器U1的输出端。其中R1为反馈电阻，决定电流电压的转换增益，电容C1为负反馈电容，用于提高电路稳定性和限制系统带宽。
本实施例中为了减少厄尔利效应的影响，参考电压V0设为可调节。在本实施例中，运算放大器U1的型号选用高增益带宽、低输入电压噪声的OPA657。跨阻放大模块的输出UA=V0-IA×R1，其中IA=IA2-IA1，将电流差分模块输出的电流差值转换为电压信号，并放大后输出。
在本实施例中，将一个Ipk=1mA，f=10kHz的差模电流信号和一个10mA的直流共模电流信号注入电流差分模块的两个输入端，图2显示了TINA仿真的结果，共模信号几乎被彻底消除，电流差分模块的输出端只保留电流差模信号输入到跨阻放大模块中。
本发明的差分四象限光电探测器，利用威尔逊电流镜原理和两个型号参数均相同的四象限光电二极管实现光电流的差分运算。电流差分运算能够消除光镊系统中捕获光造成的大分量共模电流并进一步降低光源的RIN噪声，仅利用一级跨阻放大电路就能实现高增益，省略了后级电压放大结构，优化系统的信噪比，最终实现微弱差模电流信号的提取和放大。
上述具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器，其特征在于：包括型号相同的第一四象限光电二极管(1)和第二四象限光电二极管(2)、电流差分模块(3)、低噪声高带宽的跨阻放大模块(4)；所述电流差分模块(3)的两个输入端分别与所述第一四象限光电二极管(1)、第二四象限光电二极管(2)的正极连接，所述电流差分模块(3)的输出端与所述跨阻放大模块(4)的输入端连接；所述电流差分模块(3)对所述第一四象限光电二极管(1)、第二四象限光电二极管(2)相同象限产生的光电流做差分运算，减去共模信号；所述跨阻放大模块(4)将所述电流差分模块(3)输出的电流差值转换为电压信号，并放大后作为最终输出；
所述电流差分模块(3)由电阻R2、电阻R3和NPN型三极管Q1、Q2、Q3、Q4组成，所述电阻R2和电阻R3阻值相同，所述4个NPN型三极管Q1、Q2、Q3和Q4的性能参数精确匹配，所述电阻R3的一端接地，另一端与所述NPN型三极管Q1的发射极相连，所述电阻R2的一端接地，另一端与所述NPN型三极管Q2的发射极相连，所述NPN型三极管Q1的基极与所述NPN型三极管Q2的基极连接，所述NPN型三极管Q1的基极与所述NPN型三极管Q1的集电极连接，所述NPN型三极管Q4的发射极与所述NPN型三极管Q1的集电极连接，所述NPN型三极管Q4的基极与所述NPN型三极管Q3的基极连接，所述NPN型三极管Q3的发射极与所述NPN型三极管Q2的集电极连接，所述NPN型三极管Q3的基极与所述NPN型三极管Q3的集电极连接，所述NPN型三极管Q3的集电极与所述第一四象限光电二极管(1)的单个象限的正极连接，所述NPN型三极管Q4的集电极与所述第二四象限光电二极管(2)的单个象限的正极连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器，其特征在于：流经所述NPN型三极管Q4集电极的电流I1＝IA1，其中IA1为所述第一四象限光电二极管(1)的单个象限产生的光电流。
3.根据权利要求1所述的一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器，其特征在于：所述跨阻放大模块(4)由运算放大器U1、电阻R1和电容C1组成，所述运算放大器U1的正输入端接参考电压V0，负输入端连接所述NPN型三极管Q4的集电极，所述电阻R1和所述电容C1并联后，一端连接所述运算放大器U1的负输入端，一端连接所述运算放大器U1的输出端。
4.根据权利要求3所述的一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器，其特征在于：所述跨阻放大模块(4)的输出UA＝V0-IA×R1，其中IA＝IA2-IA1，IA1和IA2分别为所述第一四象限光电二极管(1)和所述第二四象限光电二极管(2)单个象限产生的光电流，V0为所述参考电压。
CN202110890070.9A 2021-08-04 2021-08-04 一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器 Active CN113654460B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110890070.9A CN113654460B (zh) 2021-08-04 2021-08-04 一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110890070.9A CN113654460B (zh) 2021-08-04 2021-08-04 一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113654460A CN113654460A (zh) 2021-11-16
CN113654460B true CN113654460B (zh) 2023-09-19

Family

ID=78490299

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110890070.9A Active CN113654460B (zh) 2021-08-04 2021-08-04 一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113654460B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114413769B (zh) * 2022-04-01 2022-08-02 之江实验室 一种四象限探测模块及其应用方法
CN115276801B (zh) * 2022-09-19 2022-12-23 西安空间无线电技术研究所 卫星激光通信链路光斑跟踪补偿方法及信号传输方法

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1248287A (en) * 1968-01-29 1971-09-29 Tektronix Inc Differential amplifier circuits
US4586155A (en) * 1983-02-11 1986-04-29 Analog Devices, Incorporated High-accuracy four-quadrant multiplier which also is capable of four-quadrant division
DE4013255A1 (de) * 1990-04-26 1991-10-31 Broadcast Television Syst Schaltungsanordnung zur verarbeitung eines farb-videosignals
CN103488227A (zh) * 2013-09-09 2014-01-01 广州金升阳科技有限公司 一种带隙基准电压电路
CN103746667A (zh) * 2013-12-24 2014-04-23 北京时代民芯科技有限公司 一种低噪声宽带光纤跨阻放大器
CN106225783A (zh) * 2016-08-18 2016-12-14 厦门中莘光电科技有限公司 用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器
JP2017215429A (ja) * 2016-05-31 2017-12-07 株式会社ニコン 位置検出装置及び位置検出方法、露光装置及び露光方法、並びに、デバイス製造方法
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
CN208350216U (zh) * 2018-07-05 2019-01-08 弦海（上海）量子科技有限公司 光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置
CN110086442A (zh) * 2019-04-24 2019-08-02 南京航星通信技术有限公司 一种四象限探测器信号放大电路
CN212905520U (zh) * 2020-09-04 2021-04-06 武汉万赢半导体科技有限公司 基于平衡探测器的光信号发射与探测系统

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1248287A (en) * 1968-01-29 1971-09-29 Tektronix Inc Differential amplifier circuits
US4586155A (en) * 1983-02-11 1986-04-29 Analog Devices, Incorporated High-accuracy four-quadrant multiplier which also is capable of four-quadrant division
DE4013255A1 (de) * 1990-04-26 1991-10-31 Broadcast Television Syst Schaltungsanordnung zur verarbeitung eines farb-videosignals
CN103488227A (zh) * 2013-09-09 2014-01-01 广州金升阳科技有限公司 一种带隙基准电压电路
CN103746667A (zh) * 2013-12-24 2014-04-23 北京时代民芯科技有限公司 一种低噪声宽带光纤跨阻放大器
JP2017215429A (ja) * 2016-05-31 2017-12-07 株式会社ニコン 位置検出装置及び位置検出方法、露光装置及び露光方法、並びに、デバイス製造方法
CN106225783A (zh) * 2016-08-18 2016-12-14 厦门中莘光电科技有限公司 用于轨迹探测的四象限硅基光电探测器
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
CN208350216U (zh) * 2018-07-05 2019-01-08 弦海（上海）量子科技有限公司 光量子四象限探测全差分均衡随机数发生装置
CN110086442A (zh) * 2019-04-24 2019-08-02 南京航星通信技术有限公司 一种四象限探测器信号放大电路
CN212905520U (zh) * 2020-09-04 2021-04-06 武汉万赢半导体科技有限公司 基于平衡探测器的光信号发射与探测系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN113654460A (zh) 2021-11-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN113654460B (zh) 一种适用于光镊系统位置探测的差分四象限光电探测器
US8742852B2 (en) Optical receiver compensating input offset
CN100476364C (zh) 全数字化的四象限探测器检测激光光束偏转角的装置及方法
US7358819B2 (en) Reduced-size sensor circuit
US6778021B2 (en) Wide dynamic range transimpedance amplifier with a controlled low frequency cutoff at high optical power
US20220321810A1 (en) Differential active pixel
CN212903529U (zh) 一种激光器输出光功率检测系统
CN209659247U (zh) 一种红外信号放大电路、处理电路及红外触摸屏
CN218673908U (zh) 一种平衡光电探测器
CN112583365B (zh) 带温度补偿及自动衰减功能的位敏跨阻放大器
CN117146979A (zh) 一种可调增益消直流偏置光电探测器饱和吸收稳频系统
CN108760045B (zh) 一种大动态范围的光电探测电路
CN105136633A (zh) 脉冲式红外粉尘浓度检测电路
CN212871468U (zh) 一种光电探测器
CN210774350U (zh) 一种雷电光辐射探测器
CN113670345A (zh) 一种用于光电流信号分解的低噪声光电探测装置
CN113465637A (zh) 光电接收及检测电路
CN214793487U (zh) 一种高信噪比光电探测电路
CN220795496U (zh) 一种基于红外对管微小信号静止或动态检测结构
CN218481406U (zh) 一种弱荧光信号检测电路
CN217428089U (zh) 一种光电探测器前放电路
CN215639499U (zh) 光电接收及检测电路
CN112304429B (zh) 光电检测电路
CN219285322U (zh) 一种光敏三极管检测电路
CN214472593U (zh) 一种红外粉尘传感器

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant