CN114157251A - 一种光电探测器前放电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光电探测器前放电路，包括输入模块，包括信号限幅单元和光电信号单元，光电信号单元用于根据光照强度产生对应的输入信号，信号限幅单元用于对输入信号进行限幅；放大模块，用于对输入信号进行放大后输出；输出模块，与放大模块的输出端连接，用于隔离和反向输出信号；通过在输入模块内部设置信号限幅单元，光电信号单元在收到外部强光照射时，如果产生幅度较大的信号，便可以通过信号限位单元对信号幅度进行限制，防止大信号直接进入至放大模块中，造成放大模块的损坏；同时在放大模块的输出端设置输出模块，对输出信号进行隔离和反向，从而获得正脉冲输出信号，实现隔离放大效果。

Description

一种光电探测器前放电路

技术领域

本发明涉及前置放大电路领域，具体是一种光电探测器前放电路。

背景技术

PD前放电路主要运用于目标探测与测距系统，传统的PD前放电路输出为负脉冲，后级电路需要进行信号反向处理，需要增加额外的处理电路进行信号转换。因此，对于小型化要求较为严苛、系统设计有特殊要求的电路系统，负脉冲型输出电路有不便之处。

对于远距离探测需要PD前放电路输出噪声功率足够低，以提高小信号检测能力，除电路自身输出的噪声以外，外界电源噪声会严重影响前放电路输出信号噪声幅度，另外传统普通应用型PD前放电路在遭遇偶然强光照射时，会出现一定几率损坏的风险。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种光电探测器前放电路，能够直接输出正向脉冲信号，同时解决现有的PD前放电路在遭遇强光照射时容易出现损坏的问题。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种光电探测器前放电路，包括：

输入模块，包括信号限幅单元和光电信号单元，光电信号单元用于根据光照强度产生对应的输入信号，信号限幅单元用于对输入信号进行限幅；

放大模块，用于对输入信号进行放大后输出；

输出模块，与放大模块的输出端连接，用于隔离和反向输出信号。

进一步地，还包括温度采集模块，用于采集所述光电信号单元内的温度信号；

稳压模块，稳压模块的输入端外界电源信号，稳压模块的输出信号用于驱动所述放大模块。

进一步地，所述放大模块包括跨阻放大器，跨阻放大器的第一输入端接入固定电平信号；

所述信号限幅单元、光电信号单元与跨阻放大器的第二输入端连接；

跨阻放大器的第一电源端与外部的第一电源连接；

跨阻放大器的第二电源端串接限流单元后与外部的第二电源连接。

进一步地，所述输入模块还包括用于触发所述光电信号的触发电源；

信号限幅单元包括第一电阻、第二电阻和限幅二极管，第一电阻和第二电阻串联设置在触发电源与所述光电信号单元之间；

所述光电信号单元与所述跨阻放大器的第一输入端连接，所述光电信号单元同时与限幅二极管的阳极连接，限幅二极管的阴极接地。

进一步地，所述温度采集模块包括温度传感器，所述稳压模块为LDO线性稳压器。

进一步地，所述第一输入端为正相输入端，所述第二输入端为反相输入端，所述跨阻放大器的输出端与反相输入端之间设置馈线，馈线上设有第三电阻。

进一步地，所述限流单元包括串接在所述第二电源和所述第二电源端之间的第四电阻。

进一步地，所述输出模块包括RC滤波器和三极管，三极管的发射级串接RC滤波器后与外部的第一电源连接，三极管的基极与所述跨阻放大器的输出端连接，三极管的集电极串接电阻后与所述跨阻放大器的第二电源端连接；三极管的集电极同时作为所述输出模块的输出端。

进一步地，所述光电信号单元为光电二极管，光电二极管的阳极与所述限幅二极管的阳极、所述跨阻放大器的第一输入端连接。

进一步地，所述跨阻放大器的第一电源端、所述跨阻放大器的第二电源端、所述第一电阻和第二电阻之间均设置滤波单元。

本发明的有益效果是：通过在输入模块内部设置信号限幅单元，光电信号单元在收到外部强光照射时，如果产生幅度较大的信号，便可以通过信号限位单元对信号幅度进行限制，防止大信号直接进入至放大模块中，造成放大模块的损坏；同时在放大模块的输出端设置输出模块，对输出信号进行隔离和反向，从而获得正脉冲输出信号，实现隔离放大效果。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的结构示意图。

标注说明：1-输入模块，2-放大模块，3-输出模块。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

现有的跨阻放大器存在如下缺点：

输出信号极性：常规产品输出级Buffer采用三极管射随设计方式，输出为负极性；

强光保护功能：现有正脉冲输出型电路暂无抗强光烧毁功能；

输出信号饱和幅度：强光输出信号饱和幅度较大，由末级Buffer特性决定，并且饱和幅度不可调；

输出噪声幅度：现有产品输出噪声幅度不够低；

外部电源噪声：产品内部器件直接与外部电源连接，无噪声隔离能力。

针对以上缺点，本实施例的一种光电探测器前放电路，如图1所示：包括输入模块1、放大模块2和输出模块3。

输入模块1包括信号限幅单元和光电信号单元，光电信号单元用于根据光照强度产生对应的输入信号，信号限幅单元用于对输入信号进行限幅。

具体地，光电信号单元为光电二极管D1。光电二极管D1是将光信号变成电信号的半导体器件，它的核心部分也是一个PN结，和普通二极管相比，光电二极管D1为了便于接受入射光照，PN结面积尽量做的大一些，电极面积尽量小些，而且PN结的结深很浅，一般小于1微米。

光电二极管D1是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小(一般小于0.1 微安)，称为暗电流。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子---空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。光电二极管D1在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。

信号限幅单元包括第一电阻R1、第二电阻R2和限幅二极管D2，第一电阻R1用于直流限压，第二电阻R2用于交流限幅，第一电阻R1和第二电阻R2串联设置在触发电源VR与所述光电二极管D1之间，触发电源VR产生反向电压给光电二极管D1；具体地，第一电阻R1和第二电阻R2串接后与光电二极管D1的阴极连接。

所述光电二极管D1的阳极与所述跨阻放大器的反相输入端连接，所述光电二极管D1同时与限幅二极管D2的阳极连接，限幅二极管D2的阴极接地。

光电二极管D1提供光电转换，第一电阻R1、第二电阻R2可以降低光电二极管D1强光照射下额定功耗，防止损坏，限幅二极管D2可以有效防止跨阻放大器输入电压过高损坏跨阻放大器输入端。

放大模块2用于对输入信号进行放大后输出。

具体地，放大模块2为跨阻放大器，跨阻放大器的正相输入端接入-0.8V固定电平信号。

所述信号限幅单元、光电二极管D1与跨阻放大器的反相输入端连接。

跨阻放大器的第一电源端与外部的第一电源Vcc连接。

跨阻放大器的第二电源端串接限流单元后与外部的第二电源连接，具体地，限流单元即为用于限流的第四电阻R4，第二电源为-5V直流信号。

跨阻放大器的输出端与反相输入端之间设置馈线，馈线上设置第三电阻R3。

利用级联晶体管构建一个等效高带宽、高增益的开环放大器，并通过电压负反馈实现一个跨阻放大功能；实现光电流信号到电压信号的转换与放大作用。

输出模块3与放大模块2的输出端连接，用于隔离和反向输出信号。

具体地，所述输出模块3包括RC滤波器和三极管T1，三极管T1的发射级串接RC滤波器后与外部的第一电源连接，三极管T1的基极与所述跨阻放大器的输出端连接，三极管T1的集电极串接电阻后与所述跨阻放大器的第二电源端连接；三极管T1的集电极同时作为所述输出模块3的输出端。利用三极管T1共射极方式实现跨阻负脉冲的反向转换，最终获得正脉冲输出信号，并实现隔离放大效果。

本实施例中，还包括温度采集模块和稳压模块，温度采集模块为温度传感器，用于实时采集所述光电二极管D1内的温度信号。

稳压模块即LDO线性稳压器，稳压模块的输入端外界电源信号，稳压模块的输出信号即为第一电源信号Vcc，利用稳压模块实现正电源的二次稳压和噪声隔离。

本实施例中，所述跨阻放大器的第一电源端和跨阻放大器的第二电源端均设有滤波单元，第一电阻R1和第二电阻R2之间也设置有滤波单元，滤波单元采用滤波电容，滤波电容的一端与上述连接点连接，滤波电容的另一端接地。

跨阻放大器采用低噪声跨阻放大器(low noise TIA)，其利用级联晶体管构建一个等效高带宽、高增益的开环放大器，并通过电压负反馈实现一个TIA功能，实现光电流信号到电压信号的转换与放大作用。

具体工作原理如下：

本发明基于传统的跨阻放大原理，脉冲光照射光电二极管D1后，得到脉冲光电流，经过跨阻放大器的转换在跨阻放大器的输出端获得线性比例的脉冲电压信号，通过后级的BUFFER实现输出缓冲隔离与放大。

在此基础上，通过调整末级BUFFER三极管T1的配置方式对信号极性进行反向以获得正脉冲的信号。通过在光电二极管D1N级串接一个限幅电阻，对脉冲光电流信号进行电压限幅，使得光电二极管D1的瞬态峰值功耗降低，可有效降低烧毁风险。

在负电源串入限流电阻可以灵活调整晶体管的静态偏置电压UCE以达到输出信号饱和幅度灵活调整的目的。最后为了降低输出噪声幅度，跨阻放大器内部的晶体管选用了窄截止频率的管子，在满足信号带宽要求的前提下，可以有效降低等效输出噪声幅度，同时正电源增加的LDO器件能够有效隔离外部电源噪声，可以确保电路输出噪声幅度稳定、幅度小。

综上所述，本发明的一种光电探测器前放电路，通过在输入模块1内部设置信号限幅单元，光电二极管D1在收到外部强光照射时，如果产生幅度较大的信号，便可以通过信号限位单元对信号幅度进行限制，防止大信号直接进入至放大模块2中，造成放大模块2的损坏；同时在放大模块2的输出端设置输出模块3，对输出信号进行隔离和反向，从而获得正脉冲输出信号，实现隔离放大效果。并且在输入电源端增加了线性稳压器LDO，可以有效隔离外部电源噪声的干扰，降低跨阻的带宽优化了输出噪声幅度，可以有效提升系统检测小信号的能力。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种光电探测器前放电路，其特征在于，包括：

输入模块，包括信号限幅单元和光电信号单元，光电信号单元用于根据光照强度产生对应的输入信号，信号限幅单元用于对输入信号进行限幅；

放大模块，用于对输入信号进行放大后输出；

输出模块，与放大模块的输出端连接，用于隔离和反向输出信号。

2.根据权利要求1所述的一种光电探测器前放电路，其特征在于，还包括：

温度采集模块，用于采集所述光电信号单元内的温度信号；

稳压模块，稳压模块的输入端外界电源信号，稳压模块的输出信号用于驱动所述放大模块。

3.根据权利要求2所述的一种光电探测器前放电路，其特征在于：所述温度采集模块包括温度传感器，所述稳压模块为LDO线性稳压器。

4.根据权利要求1所述的一种光电探测器前放电路，其特征在于：

所述放大模块包括跨阻放大器，跨阻放大器的第一输入端接入固定电平信号；

所述信号限幅单元、光电信号单元与跨阻放大器的第二输入端连接；

跨阻放大器的第一电源端与外部的第一电源连接；

跨阻放大器的第二电源端串接限流单元后与外部的第二电源连接。

5.根据权利要求3所述的一种光电探测器前放电路，其特征在于：所述输入模块还包括用于触发所述光电信号的触发电源；

信号限幅单元包括第一电阻、第二电阻和限幅二极管，第一电阻和第二电阻串联设置在触发电源与所述光电信号单元之间；

所述光电信号单元与所述跨阻放大器的第一输入端连接，所述光电信号单元同时与限幅二极管的阳极连接，限幅二极管的阴极接地。

6.根据权利要求3所述的一种光电探测器前放电路，其特征在于：所述第一输入端为正相输入端，所述第二输入端为反相输入端，所述跨阻放大器的输出端与反相输入端之间设置馈线，馈线上设有第三电阻。

7.根据权利要求3所述的一种光电探测器前放电路，其特征在于：所述限流单元包括串接在所述第二电源和所述第二电源端之间的第四电阻。

8.根据权利要求3所述的一种光电探测器前放电路，其特征在于：所述输出模块包括RC滤波器和三极管，三极管的发射级串接RC滤波器后与外部的第一电源连接，三极管的基极与所述跨阻放大器的输出端连接，三极管的集电极串接电阻后与所述跨阻放大器的第二电源端连接；三极管的集电极同时作为所述输出模块的输出端。

9.根据权利要求4所述的一种光电探测器前放电路，其特征在于：所述光电信号单元为光电二极管，光电二极管的阳极与所述限幅二极管的阳极、所述跨阻放大器的第一输入端连接。

10.根据权利要求4所述的一种光电探测器前放电路，其特征在于：所述跨阻放大器的第一电源端、所述跨阻放大器的第二电源端、所述第一电阻和第二电阻之间均设置滤波单元。

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