CN113992286B - 一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路，包括光电管单元、谐振单元、电压跟随器单元、直流放大单元和交流放大滤波单元，所述的谐振单元输入端口与光电管单元的输出端口相连，谐振单元的直流输出端口与直流放大单元的输入端口相连，所述的直流放大单元输出直流信号，用于监视输入光功率；谐振单元的交流输出端口经电容耦合与电压跟随器单元的输入端口相连，电压跟随器单元的输出端口与交流放大滤波单元的输入端口相连，交流放大滤波单元输出输入光的量子噪声信号。本发明实现了对探测频率的窄带放大，探测中心频率达到83MHZ，带宽为100kHZ。同时，成功实现了高增益的特性，在功率为1mw处中心频率的幅值比带宽外频率高出25dB。
Description
技术领域
本发明涉及光电信息量子测量和量子通信技术领域，更具体地说，涉及一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路。
背景技术
近几十年来的实验研究表明，可以制备出一种压缩态光场，其量子噪声小于相干光的量子噪声，可以用该光场进行光学测量、量子通信等实验。连续变量量子信息实验中，相干光的散粒噪声被认为是叠加在测量光场直流分量上的交流分量，是经典光场的噪声极限，但是非常微弱。通常探测要求散粒噪声谱比电子学噪声谱高10dB以上。
2012年，有学者提出了一种高带宽，低噪声的探测器测量方案，利用二级放大结构，设计出了带宽高达80MHZ的探测器，当入射光功率为5mw时，信噪比能达到14.3dB。2015年，周海军等人设计了一种基于跨阻放大器的低噪声，大动态范围的放大器，采用一级放大结构，在2MHZ处，散粒噪声比电子噪声高12.5dB。2017年，有学者制造出了一种平衡零差探测器，做到了频率能够达到76MHZ，且能够测得55dB的共模抑制比。2019年，郑耀辉等人设计了一种基于跨阻放大器电路和电感电容组合的低噪声、高信噪比的平衡零差检测器，可以测量到1-100KHZ频率范围内的亮压缩态，并且在1-100KHZ的频率范围内，给8mw功率的光，可以测得48dB的信噪比。
从上述的探测器设计中可以发现，现有对光场噪声的探测为宽带探测，在高频处由于增益带宽积的限制无法达到很高的增益。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
鉴于上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路。本发明以窄带放大的设计在高频处实现高增益的效果，克服了电子学噪声对实验测量的限制。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明是一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路，包括光电管单元、谐振单元、电压跟随器单元、直流放大单元和交流放大滤波单元，所述的谐振单元输入端口与光电管单元的输出端口相连，谐振单元的直流输出端口与直流放大单元的输入端口相连，所述的直流放大单元输出直流信号；谐振单元的交流输出端口经电容耦合与电压跟随器单元的输入端口相连，电压跟随器单元的输出端口与交流放大滤波单元的输入端口相连，交流放大滤波单元输出输入光的量子噪声信号。
更进一步地，所述的电压跟随器单元与谐振单元匹配，包括电压跟随器、电阻R2和电阻R3，电压跟随器的同相端口3输入，同相端口3经电阻R2与电容C1耦合连接谐振单元，反相端口2经电阻R3与输出端口6连接；电阻R2和电阻R3组成调节前后输出电压的比例电阻。
更进一步地，所述的交流放大滤波单元包括带通滤波电路和放大电路，放大电路的交流放大器反向端口2通过带通滤波电路与电压跟随器的输出端口6相连，带通滤波电路包括电阻R4、R5、R6以及电容C2、C3，电阻R4与电容C2串联，一端连接电压跟随器的输出端口6，另一端连接交流放大器的反向端口2；电阻R4经电容C3连接交流放大器的输出端口6，交流放大器的反向端口2通过电阻R6与交流放大器的输出端口6相连；所述的电容C2经电阻R5接地；交流放大器的同相端口3通过电阻R8与交流放大器的输出端口6相连，端口6连接电容C4和电阻R12输出检测信号，电阻R12取50欧姆的阻值，以防输出端和频谱分析仪处的输入端口因阻抗不匹配发生信号突变。
更进一步地，所述直流放大单元与谐振单元匹配，包括运算放大器芯片和电阻R9、R10、R11，放大器芯片的同相端口3经电阻R9连接谐振单元，反向端口2通过电阻R10接地，同时，反向端口2通过电阻R11连接放大器芯片的输出端口6，输出端口6输出直流信号给示波器。
更进一步地，所述光电管单元通过实际分压电路测出在不同偏压下的结电容，根据实际需要设定结电容数值并构造光电管模型。
更进一步地，所述谐振单元通过实际测得的结电容值，配合谐振频率，获得所需的电感值L，实现谐振电路在谐振频率时达到最大输出。
更进一步地，电容参数设置为C1＝C2＝10PF，根据计算公式 设定电阻参数为R3＝33Ω，R4＝6Ω，R5＝31.4KΩ，R6＝50KΩ，R7＝50Ω。
更进一步地，所述电压跟随器单元采用可实现自动相位补偿电压跟随器LM6361芯片；所述交流放大滤波单元采用OPA847高增益宽带芯片；所述直流放大单元采用OP27低噪声运算放大器芯片。
更进一步地，所述的电压跟随器单元中电阻R2和电阻R3采取相同的阻值。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路，实现了对探测频率的窄带放大，探测中心频率达到83MHZ，带宽为100kHZ。同时，成功实现了高增益的特性，在功率为1mw处中心频率的幅值比带宽外频率高出25dB。
(2)本发明的一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路，降低了其他频率在探测时造成的干扰，很好的实现了窄带放大高频量子噪声探测，避免以往宽带放大时在高频处增益不足的问题。
附图说明
图1为本发明的一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路的总体结构示意图；
图2为本发明中电压跟随器单元的结构示意图；
图3为本发明中交流放大滤波单元的结构示意图；
图4为本发明的一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路的整体电路图；
图5为本发明探测电路的实现结果示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
结合图1，本实施例的一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路，包括光电管单元、谐振单元、电压跟随器单元、直流放大单元和交流放大滤波单元，所述的谐振单元输入端口与光电管单元的输出端口相连。光电管单元把光信号转换成电信号。谐振单元有两个输出端口，一个直流输出端口与直流放大单元的反馈输入端口相连，所述的直流放大单元输出直流信号，用示波器来监视输入光电管的光功率。另一个交流输出端口经电容耦合与电压跟随器单元的反馈输入端口相连，电压跟随器单元的输出端口与交流放大滤波单元的输入端口相连，电压跟随器单元和交流放大滤波单元一起用来对交流电信号进行带通滤波放大处理。
本实施例在交流放大滤波单元的前端加入了电压跟随器单元，通过电压跟随器发挥缓冲、隔离、提高带载能力的作用。避免谐振电路输出的电压由电容C通交隔直后，直接连接交流放大滤波单元，因为阻抗不匹配而导致交流放大滤波单元输入的电压变小，无法达到总体放大的要求。电压跟随器的输入高阻抗，输出低阻抗的特性，使其在电路中起到很好地阻抗匹配作用，也能够使得后一级的放大电路更好地工作。同时，通过对电压跟随器单元的电路结构进行设计，使电压跟随器输出电压近似等于输入电压，对前级电路呈高阻状态，对后级电路呈低阻状态，电压跟随器作为中间级对前后级电路起到"隔离"作用，"隔离"前后级之间的影响。使前后级输入输出电压相同，达到最好的放大效果，同时不影响后级的放大部分。
另一方面，本实施例噪声探测电路的设计思路相对于现有技术最有特点的地方在于：本实施例的交流放大滤波单元采用电压模式二阶带通滤波电路。带通滤波器只允许某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和上线频率高的信号均加以衰减和抑制。本实施例利用带通滤波器这一特性，实现只更改反馈电阻的比例，来更改频宽而不改变中心频率，也即对探测频率进行窄带放大。采用本实施例提供的方案，能够降低其他频率在探测时造成的干扰，避免宽带放大时增益不足的问题。结合图5，本实施例的探测中心频率达到83MHZ，带宽为100kHZ，同时，本实施例在功率为1mw处中心频率的幅值比带宽外频率高出25dB，成功实现了高增益的特性。
实施例2
结合图2，本实施例的电压跟随器单元包括电压跟随器、电阻R2和电阻R3，电压跟随器的同相端口3输入，同相端口3经电阻R2与电容C1耦合连接谐振单元，反相端口2经电阻R3与输出端口6连接，端口6输出提供给后面交流放大滤波单元的输入信号。电阻R2和电阻R3组成可调前后输出电压的比例电阻。
结合图3，本实施例的交流放大滤波单元包括带通滤波电路和放大电路，通过调整带通滤波电路和调整放大电路来调整所述交流放大滤波单元的信号中心频率以及输出电压。其中，交流放大器的反向端口2通过带通滤波电路与电压跟随器的输出端口6相连，带通滤波电路包括电阻R4、R5、R6，电容C2和C3，电阻R4与电容C2串联，一端连接电压跟随器的输出端口6，另一端连接交流放大器的反向端口2；电阻R4经电容C3连接交流放大器的输出端口6，交流放大器的反向端口2通过电阻R6与交流放大器的输出端口6相连；所述的电容C2经电阻R5接地；交流放大器的同相端口3通过电阻R8与交流放大器的输出端口6相连，端口6连接电容C4和电阻R12输出检测信号，电阻R7和电阻R8组成放大反馈电路，通过调整电阻R7和电阻R8的阻值来配置交流放大滤波单元的输出电压，可达到放大100倍的效果。
当将本实施例的方案应用于量子信息探测时，所述光电管单元、电压跟随器单元、直流放大单元和交流放大滤波单元的输入电压由外部的DC直流电压源提供，电压源输出电源经由稳压器稳压输出到各个单元电源供电部分加入去耦电容滤去电源的噪声。直流放大单元输出连接到示波器，交流放大滤波单元输出连接到频谱分析仪。
所述光电管单元通过实际分压电路测出在不同偏压下的结电容，根据实际需要设定结电容数值并构造光电管模型。
所述谐振单元通过实际测得的结电容值，配合上83MHZ的谐振频率，算出所需的电感值L取7uH，以实现谐振电路在83MHZ时能达到最大输出。
所述直流放大单元包括OP27运算放大器芯片、电阻R9、R10和R11，放大器芯片的同相端口3经电阻R9连接谐振单元，反向端口2通过电阻R10接地，同时，反向端口2通过电阻R11连接放大器芯片的输出端口6，输出端口6输出直流信号给示波器。通过调整电阻R9、R10和R11的阻值，输出端电压比输入端电压放大了100倍。
所述电压跟随器单元从考虑所覆盖的相位补偿范围出发，采用LM6361电压跟随器芯片，有效隔离谐振单元和交流放大滤波单元，解决了高频交流电路设计的阻抗匹配问题。
所述交流放大滤波单元采用OPA847窄带放大电路芯片，采用带通放大器技术，中心频率为83MHZ时通过，带宽100kHZ，滤去带宽外的频率。在功率为1mw处量子噪声比电子噪声高出25dB，交流放大滤波单元的输出端电压比输入端电压放大了100倍。
本实施例的具体电路图参看图4，由于滤波频率选在83MHZ，按照滤波特性，本实施例的电容参数设置为C1＝C2＝10PF。同时，考虑到实际电路中寄生电感和电容的影响，为了降低其他频率在探测时造成的干扰，本实施例为了达到中心频率f0为83MHZ，带宽B为100KHZ，设计计算公式根据该规则，设定电阻参数为R3＝33Ω，R4＝6Ω，R5＝31.4KΩ，R6＝50KΩ，R7＝50Ω。如此，很好的实现了窄带放大高频量子噪声探测电路，避免探测器宽带放大时增益不足的问题。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路，包括光电管单元，其特征在于：还包括谐振单元、电压跟随器单元、直流放大单元和交流放大滤波单元，所述的谐振单元输入端口与光电管单元的输出端口相连，谐振单元的直流输出端口与直流放大单元的输入端口相连，所述的直流放大单元输出直流信号；谐振单元的交流输出端口经电容耦合与电压跟随器单元的输入端口相连，电压跟随器单元的输出端口与交流放大滤波单元的输入端口相连，交流放大滤波单元输出输入光的量子噪声信号；
所述的电压跟随器单元包括电压跟随器、电阻R2和电阻R3，电压跟随器的同相端口3输入，同相端口3经电阻R2与电容C1耦合连接谐振单元，反相端口2经电阻R3与输出端口6连接；电阻R2和电阻R3组成调节前后输出电压的比例电阻；
所述的交流放大滤波单元包括带通滤波电路和放大电路，放大电路的交流放大器反向端口2通过带通滤波电路与电压跟随器的输出端口6相连，带通滤波电路包括电阻R4、R5、R6以及电容C2、C3，电阻R4与电容C2串联，一端连接电压跟随器的输出端口6，另一端连接交流放大器的反向端口2；电阻R4经电容C3连接交流放大器的输出端口6，交流放大器的反向端口2通过电阻R6与交流放大器的输出端口6相连；所述的电容C2经电阻R5接地；交流放大器的同相端口3通过电阻R8与交流放大器的输出端口6相连，端口6连接电容C4和电阻R12输出检测信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路，其特征在于：所述直流放大单元包括运算放大器芯片和电阻R9、R10、R11，放大器芯片的同相端口3经电阻R9连接谐振单元，反向端口2通过电阻R10接地，同时，反向端口2通过电阻R11连接放大器芯片的输出端口6，输出端口6输出直流信号给示波器。
3.根据权利要求2所述的一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路，其特征在于：所述光电管单元通过实际分压电路测出在不同偏压下的结电容，根据实际需要设定结电容数值并构造光电管模型。
4.根据权利要求3所述的一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路，其特征在于：所述谐振单元通过实际测得的结电容值，配合谐振频率，获得所需的电感值L，实现谐振电路在谐振频率时达到最大输出。
5.根据权利要求4所述的一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路，其特征在于：电容参数设置为C1＝C2＝10PF，根据计算公式 设定电阻参数为R3＝33Ω，R4＝6Ω，R5＝31.4KΩ，R6＝50KΩ，R7＝50Ω。
6.根据权利要求5所述的一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路，其特征在于：所述电压跟随器单元采用LM6361电压跟随器芯片；所述交流放大滤波单元采用OPA847窄带放大电路芯片；所述直流放大单元采用OP27运算放大器芯片。
7.根据权利要求6所述的一种基于窄带放大技术的高频量子噪声探测电路，其特征在于：所述的电压跟随器单元中电阻R2和电阻R3采取相同的阻值。
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