CN1534865B - 低噪声光接收器 - Google Patents

Abstract

一种低噪声光接收器，包括：光传感器(10)，用于产生传感器信号，该传感器信号包括：来自光源(9)的有用信号和来自干扰光的干扰信号；光滤波器装置(40，50)，用于减小干扰光；连接到光传感器的电滤波器装置(29，30)，用于滤出干扰信号并产生基本补偿干扰信号的校正信号；和连接到光传感器和电滤波器装置的处理装置(15，20)，用于处理有用信号以产生输出信号(V_out)。

Description

低噪声光接收器 

技术领域

本发明涉及低噪声光接收器，包括：光传感器和用于产生输出信号的处理装置。 

背景技术

在光转换成电流的信号传输中，要求可能各不相同，且可以有多种实施方式。然而，几乎在每种情况下，给定信号带宽下的转换和接收光的强度应当是尽可能地无噪声。 

在光信号转换成电信号中非常频繁使用的器件是光电二极管。在许多情况下，光电二极管优于其他的转换器。由于光电二极管传送的电信号通常是非常弱，它在利用它时必须借助放大器进行放大。在给定带宽和接收光强度下，光电二极管和放大器主要确定信号在放大器输出端的信噪比。在涉及对应现有技术的文献中，例如，可以参照Jerald G.Graeme的著作：“Photodiode Amplifiers”，McGraw-Hill，New York，1996。 

图1表示通常使用的光电二极管10和放大器20的布局。光电二极管10连接到放大器20的倒相输入端21，并经负载电阻15′连接到放大器20的输出端23。若光电二极管10接收到光源9发射的光信号，则在输出端23测得的电压V_out基本上正比于光电二极管10产生的电流。因此，图1中装置的作用是电流-电压转换器。 

图1中装置的主要噪声源是光电二极管10和负载电阻器15′。另一方面，放大器20产生的噪声在强的环境光下是可忽略的，强的环境光可能存在于检测应用中。由于热噪声，负载电阻器15′产生的噪声电流代表总体噪声的主要部分。现在，图1中装置的主要缺点是，必须控制负载电阻器15′的大小，即使强的环境光(例如，中午阳光时的100,000Lux)叠加到光源9上，也不会出现放大器20的饱和。通过 选取电阻器15′有相对小负载电阻，可以避免放大器20的饱和。例如，在光电二极管的芯片表面面积为1mm²的情况下，这个电阻值约为R_f＝22kOhm。然而，小的电阻R_f必然导致电阻器15′产生相对高的热噪声电流值。它可以用以下的公式1表示： 

$i_{\mathrm{nt}}=\sqrt{\frac{4\mathrm{kT\Δf}}{R_f}}$ (公式1) 

其中 

i_nt热噪声电流[A] 

k＝Boltzmann常数，1.38×10^-23 JK^-1

T＝Kelvin温度[K] 

Δf＝噪声带宽[赫芝] 

R_f＝负载电阻[Ohm] 

然而，光接收器的过大噪声是不利的，因为它导致相应的低信噪比。 

美国专利5,714,909描述具有反馈环路的放大器，它提供反馈电流信号以抵消输入接点处电流信号中的环境噪声。 

美国专利B1-6,329,881描述具有反馈电路的前置放大器，包括：平均检测电路和电流控制电路，平均检测电路用于检测电流反馈电路的平均输出电压，而电流控制电路用于根据检测的平均电压分配输入光电流。 

美国专利B1-6,469,489描述具有反馈装置的电路和压控电流源。 

美国专利5,734,300描述一种控制电路，用于从前置放大器输入中分流来自电光装置的DC分量信号和AC分量信号。 

以上美国专利中描述的所有电路都有这样的缺点，强的环境光可以造成大的散粒噪声，它导致相对低的信噪比。 

发明内容

在这个现有技术的基础上，本发明的目的是提供一种光接收器，即使在强的环境光条件下，它仍能保持运行，并提供改进的信噪比。 

这是借助于按照权利要求1中限定的光接收器实现的。在其余的权利要求中给出几个优选的实施例。 

按照权利要求1的光接收器具有这样的优点，它可以工作在强的环境光条件下，并提供改进的信噪比。 

附图说明

以下借助于优选的典型实施例并参照附图解释本发明，其中： 

图1表示现有技术的光接收器； 

图2表示按照本发明的光接收器； 

图3表示彩色滤波器的透射曲线51，典型硅光电二极管的频谱灵敏度60，以及日光的频谱能量分布70； 

图4表示介质光滤波器的透射曲线41以及图3中的两条曲线60和70； 

图5表示图3和图4的叠加；和 

图6表示不同的波长选择光电二极管的频谱灵敏度61，图3中曲线60以及频谱灵敏度的理论极限63。 

具体实施方式

图2所示的光接收器包括：光传感器和放大器20，例如，光传感器可以是常规类型的光电二极管10，而放大器20可以是运算放大器的形式。光电二极管10的阴极11连接到放大器20的倒相输入端21，而光电二极管10的阳极12和放大器20的非倒相输入端22与地连接。图2的光电二极管10工作在光生伏打模式，即，光电二极管10上不加外电压。然而，光电二极管10也可以工作在非导电方向(光电导模式)。 

放大器20的输出端23连接到电阻器15，电阻器15又连接到放大器20的倒相输入端21，从而允许反馈放大器20的输出信号。 

此外，从图2中可以看出，还提供附加的电滤波器装置29和30，它们与电阻器15并联。为此目的，滤波器装置29和30连接到放大器20的输出端和它的倒相输入端21，从而形成负反馈路径31。它们包括：低通滤波器29和与此连接的电流宿30，例如，其形式是电流控制或电压控制的电流源。电流宿30形成调整系统的控制单元，在图2中装置的情况下，调整是由负反馈完成的。本领域专业人员熟知电流 宿30和低通滤波器29，所以不再详细地描述它们。 

在接收到诸如发光二极管的有效光源9的光信号时，光电二极管10产生代表有用信号的光电流。光信号是以某个脉冲频率Fp的光脉冲形式发射的，因此，有用信号也具有频率Fp。 

现在，若干扰光源是自然和/或仿真环境光，则光电二极管10产生附加的无用光电流，它代表叠加到有用信号上的干扰信号。 

选取这样的频率Fp，使环境光的频率范围远远小于Fp。通常，Fp＝15kHz。另一方面，普通灯的调制频率为100Hz。基于这种情况，光电二极管10产生的光电流可以分成对应于有用信号的分量和对应于干扰信号的分量，从而允许分开地处理这两个分量。为此目的，光接收器的电滤波器装置29和30是根据频率Fp设计的。因此，选取低通滤波器29的截止频率小于频率Fp，使得有用信号的反馈可忽略不计，所以，电流宿30基本接收干扰信号。电流宿30还被负反馈调整，使它产生的电流作为基本补偿反馈干扰信号的校正信号。 

负反馈路径31的作用是分开干扰信号和有用信号的频率交叉。由于流过电阻器15的光电流基本上对应于有用信号，仅需要把电阻器15设计成有用信号有最大的处理幅度。这种情况与图1中的装置形成对比，图1中的电阻器15′必须设计成干扰信号和有用信号之和以避免放大器的饱和。因此，可以选取电阻器15有很高的电阻值(通常约为R_f＝1MOhm)，根据公式1，它产生很低的噪声。 

虽然滤波器装置29和30代表附加的多余噪声源，形成的附加噪声与应用高欧姆电阻器15提供的噪声减小比较是忽略不计的。电流宿30产生的噪声主要部分是散粒噪声(不规则的电流变化是因为电荷传输是由离散载流子的运动完成的)。如以下参照公式2更详细地解释的，散粒噪声基本上正比于流过电流的平方根。由于电流宿30产生的电流基本上等于光电流，总体噪声的增大仅仅是2^1/2≈1.41。然而，按照以上的公式，应用高电阻导致的噪声减小是非常大： 

(1Mohm/22kOhm)^1/2≈6.75。低通滤波器29的噪声是可忽略不计的，因为它设计在低的频率范围，即，不相干的频率范围。 

利用图2所示的滤波器装置29和30可以把有用信号与干扰信号分开，因此，信号处理装置15，20可以基本上仅仅处理有用信号，而干扰信号被转移到电流宿30。这可以减小光接收器的噪声，而同时避免环境光造成放大器20的饱和。 

任选地，图2所示的光接收器还包括：已知类型的电带通滤波器35，它与放大器20的输出端23串联。带通滤波器35设计成使有用信号基本不受影响地传输通过，而滤出频谱的多余分量以减小噪声。这个结果可以进一步提高信噪比。 

即使在强的环境光条件下，反馈电路31可以防止放大器20的饱和。然而，光电二极管10可以产生这样高的光电流，在某些情况下，形成的散粒噪声不再是可忽略不计。散粒噪声对应于以下的公式2： 

$i_{\mathrm{ns}}=\sqrt{2q(I_d+I_{\mathrm{ph}})\mathrm{\Δf}}$

(公式2) 

其中 

i_ns＝散粒噪声电流[A] 

q＝电子电荷，1.6×10^-19库仑 

I_d＝暗电流[A] 

I_ph＝光电流[A] 

Δf＝噪声带宽[赫芝] 

为了抑制这个散粒噪声，提供的光滤波器装置40和50可以衰减入射到光电二极管10上的环境光，因此，大大降低光电流I_ph和与此相关的散粒噪声电流i_ns。光滤波器装置40和50的设计是根据发光二极管9发射的光信号波长λ₀(例如，λ₀＝0.680μm)，还包括第一滤波器40，最好还有第二滤波器50。 

第一滤波器40是介质带通滤波器(包含若干薄介质层的干扰滤波器)。图4中的曲线41表示合适带通滤波器的透射率作为入射光波长λ的函数(透射曲线)。透射频带调整到有效光源9的波长λ₀，且相对地窄，以及曲线41的边缘很陡。 

明确规定带通滤波器40在某个波长范围内(“近范围”)的特性。 以下把这个波长范围的上限和下限分别标记为λ₁和λ₂。其中，波长范围的宽度λ₂-λ₁是由所用的光层数目确定。在这个图4所示透射曲线41的带通滤波器40中，利用约60个光层使λ₁约为0.4μm和λ₂约为1.2μm。 

然而，在规定的波长范围之外(λ＜λ₁及λ＞λ₂，“远范围”)，介质带通滤波器展示弱的阻塞性能。由于需要大量的光层，制作有非常宽波长范围的带通滤波器是复杂和昂贵的。 

此外，为了保证在λ₁以下的波长有良好的阻塞性能，在带通滤波器40之后设置第二滤波器50。第二滤波器50是彩色滤波器，且通过给合成材料或玻璃染色而制成。图3中的曲线51表示合适彩色滤波器50的透射性能。这种滤波器吸收波长小于λ₀的光，特别是波长小于λ₁ 的光，而几乎透射波长大于λ₀的光。所以，该滤波器的作用是截止滤波器。 

由于通常的光电二极管对于长波长是不灵敏的，在λ＞λ₂的范围内，带通滤波器40的弱阻塞性能是不重要的。图4表示典型硅光电二极管的频谱灵敏度曲线60(利用最大值进行归一化)。 

在波长大于λ₂的范围内，灵敏度几乎为零。然而，可以利用附加的彩色滤波器以改进带通滤波器40在长波长的阻塞性能。此外，为了进行比较，图4中还画出日光的频谱能量分布曲线70(利用最大值进行归一化)。 

相继安排有曲线41特性的介质带通滤波器40和有曲线51特性的彩色滤波器50，我们得到有非常陡斜率以及同时在远范围内有非常好阻塞性能的窄带光滤波器。如图5所示，彩色滤波器的斜率位于带通滤波器40的透射频带短波端。利用光滤波器装置40和50可以有效地消除光电二极管10灵敏范围内的大部分环境光，因此，大大减小光电二极管10的散粒噪声。 

通过利用波长选择光电二极管，可以实现附加的光滤波作用。这种光电二极管仅仅在λ₀周围的窄波长范围内是灵敏的。图6表示6个不同类型的这种波长选择光电二极管的透射曲线61。通过选择和掺杂 光电二极管的半导体材料，可以确定滤波器的效应。为了进行比较，图6中画出按照图3的硅光电二极管灵敏度曲线60和理论极限63。 

利用此处描述的电滤波器装置和光滤波器装置可以大大减小噪声，即使是在强宽带环境光的条件下。具体地说，利用反馈电路31与高欧姆电阻器15的结合，可以大大减小热噪声而不出现放大器20的饱和，借助于光滤波器装置40和50，可以大大减小光传感器10产生的散粒噪声。取决于环境光的种类和强度，获得的信噪比改进是在15至20dB的范围内。这可以实现光接收器与有效光源之间有较大的工作距离和/或有用信号的较大带宽。 

在其他的应用方面，光接收器用在作为传感器的光电接近开关中，用于检测物体是否存在于被监测的区域，例如，在制造，处理和存储的现场。利用按照本发明的光接收器可以大大提高这种接近开关的性能。 

根据以上公开的内容，在不偏离权利要求书限定的本发明保护范围的条件下，各种改动对于本领域专业人员是显而易见的。 

此处描述的噪声减小的措施主要不是由所用光传感器的种类和工作确定的。因此，在非导电方向(光电导模式)上偏置电压运行的光电二极管10的情况下，也可以实现噪声的显著减小。 

此外，可以利用电带阻滤波器代替低通滤波器，在负反馈路径中滤出有用信号。然而，在这种情况下，需要附加的电路元件以保证负反馈是稳定的。此外，也可以利用数字滤波器。 

Claims (12)

1.一种低噪声光接收器，包括：

光传感器(10)，用于产生传感器信号，该传感器信号包括：来自光源(9)的有用信号和来自干扰光的干扰信号；

用于光传感器的光滤波器装置(40，50)，用于减小干扰光；

连接到光传感器的电滤波器装置(29，30)，用于滤出干扰信号并产生基本补偿干扰信号的校正信号；和

连接到光传感器和电滤波器装置的处理装置(15，20)，用于处理有用信号以产生输出信号(V_out)，

处理装置包括放大器(20)和反馈电阻器(15)，

被选择用来在与有用信号基本上相对应的光电流流过反馈电阻器(15)时防止放大器(20)的饱和的反馈电阻器(15)的电阻高于被选择用来在与有用信号和干扰信号相对应的光电流流过反馈电阻器的情况下防止放大器饱和的反馈电阻器的电阻，

当同在与有用信号和干扰信号相对应的光电流流过反馈电阻器的情况下由反馈电阻器所产生的噪声相比较时，反馈电阻器(15)的高电阻降低了由反馈电阻器(15)所产生的噪声。

2.按照权利要求1的光接收器，其中光滤波器装置(40，50)包括：光带通滤波器(40)。

3.按照权利要求2的光接收器，其中光带通滤波器是介质滤波器(40)。

4.按照权利要求1的光接收器，其中光滤波器装置(40，50)至少包括一个光截止滤波器(50)。

5.按照权利要求2或3的光接收器，其中光滤波器装置(40，50)至少包括一个光截止滤波器(50)。

6.按照权利要求5的光接收器，其中光截止滤波器(50)的斜率是在光带通滤波器(40)的透射范围短波端。

7.按照权利要求5的光接收器，其中光截止滤波器(50)是彩色滤波器。

8.按照权利要求1至3之一的光接收器，其中光传感器是波长选择光电二极管。

9.按照权利要求1至3之一的光接收器，其中电滤波器装置包括：电流宿(30)和低通滤波器(29)。

10.按照权利要求9的光接收器，其中电流宿(30)是可调整的，用于基本补偿干扰信号。

11.按照权利要求1-3、6-7和10之一的光接收器，其中电滤波器装置(29，30)与处理装置(15，20)并联。

12.一种光电接近开关，它具有按照权利要求1至11之一的光接收器。

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