CN211880403U - 一种基于自动调零技术的高带宽量子平衡零差探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于自动调零技术的高带宽量子平衡零差探测器，包括顺次连接的平衡光电探测电路、I‑V转换电路和二级放大电路，所述I‑V转换电路包括跨阻放大电路和自动调零电路，所述平衡光电探测电路的输出端与所述跨阻放大电路的输入端连接，所述自动调零电路对所述跨阻放大电路的输出信号进行积分，提取所述输出信号中的直流成分并反馈到所述跨阻放大电路的正相输入端；所述二级放大电路对所述I‑V转换电路的输出信号进行放大后输出。该高带宽量子平衡零差探测器具有高带宽、高速率、自动调零的特点，有效克服了运放芯片本身的误差，可以自动消除由光源和器件不平衡而产生的直流电压，极大提高了电路的稳定性和可靠性。

Description

一种基于自动调零技术的高带宽量子平衡零差探测器

技术领域

本实用新型涉及量子通信技术领域，尤其涉及一种基于自动调零技术的高带宽量子平衡零差探测器。

背景技术

量子平衡零差探测器是一种对光量子噪声进行测量的电路，通过光电探测、I-V变换和放大电路，可以实现对光量子噪声的采集和放大功能。

传统的量子平衡零差探测器中的放大电路由于运放器件本身失调电压和偏置电流的影响，随着放大倍数的增加，得到的量子信号都存在较大的直流分量，很容易造成后级放大器饱和。现有技术中采用在放大器后边串接电容的交流耦合方式来消除直流分量，但是串接的电容不仅会引起信号质量恶化，还会和电阻形成低通滤波器，严重限制采集信号的带宽和质量。

另外，传统探测器采用手动调整电位器的值来实现对零点的调节，这种方式不仅操作难度大、对操作人员的要求高，人为因素影响较大，而且容易受到外界振动等因素的干扰，采集结果的可靠性低。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型旨在解决上面描述的问题。本实用新型的一个目的是提供一种解决以上问题的高带宽量子平衡零差探测器。

具体地，本实用新型提供了一种基于自动调零技术的高带宽量子平衡零差探测器，所述高带宽量子平衡零差探测器包括顺次连接的平衡光电探测电路、I-V转换电路和二级放大电路，其中，所述I-V转换电路包括跨阻放大电路和自动调零电路，所述平衡光电探测电路的输出端与所述跨阻放大电路的输入端连接，所述跨阻放大电路把所述平衡光电探测电路输出的电流信号转换成电压信号并放大，所述自动调零电路对所述跨阻放大电路的输出信号进行积分，提取所述跨阻放大电路的输出信号中的直流成分并反馈到所述跨阻放大电路的正相输入端；所述二级放大电路对所述I-V转换电路的输出信号进行放大后输出。

其中，所述跨阻放大电路包括第一运放芯片L1、第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1的两端分别与所述第一运放芯片L1的反相输入端和输出端连接，所述第一运放芯片L1的反相输入端与所述平衡光电探测电路的输出端连接，所述第一运放芯片L1的正相输入端与所述第二电阻R2的第一端连接，所述第二电阻R2的第二端接地。

其中，所述自动调零电路包括第二运放芯片L2、电容C、第三电阻R3和第四电阻R4，所述电容C的两端分别连接所述第二运放芯片L2的反相输入端和输出端，所述第二运放芯片L2的正相输入端接地、输出端串联所述第四电阻R4后连接所述跨阻放大电路的正相输入端，所述第二运放芯片L2的反相输入端串联所述第三电阻R3后连接所述跨阻放大电路的输出端。

其中，所述跨阻放大电路中采用fA级偏置电流的运放芯片。

其中，所述平衡光电探测电路包括串联设置的第一光电二极管D1和第二光电二极管D2，所述第一光电二极管D1的负极连接正电压，所述第一光电二极管D1的正极连接所述I-V转换电路的输入端，所述第二光电二极管D2的正极连接负电压。

本实用新型提供的高带宽量子平衡零差探测器具有高带宽、高速率、自动调零的特点，有效克服了运放芯片本身的误差，可以自动消除由光源和器件不平衡而产生的直流电压，避免使用电容隔离对信号造成的影响，极大提高了电路的稳定性和可靠性。

参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本实用新型的其他特性特征和优点将变得清晰。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本实用新型的实施例，并且与描述一起用于解释本实用新型的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示例性地示出了本实用新型的高带宽量子平衡零差探测器的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本实用新型的基本思想是，使用极低偏置电流的运放芯片设计一跨阻放大电路，以有效克服运放芯片本身的误差，使得跨阻放大电路具备更好的平衡特性；再设计一个积分电路构成的自动调零电路，用以提取跨阻放大电路中的直流信号并反馈至跨阻放大电路的运放芯片接地处理的正相输入端，以有效过滤由于光源、器件的不平衡而产生的直流电压，有效避免传统探测器中使用电容隔离对信号造成的影响，提高探测器的稳定性和可靠性。

下面结合附图，对根据本实用新型所提供的基于自动调零技术的高带宽量子平衡零差探测器进行详细描述。

图1示出了本实用新型的高带宽量子平衡零差探测器的一种具体实施例的示意图，参照图1所示，该高带宽量子平衡零差探测器包括顺次连接的平衡光电探测电路1、I-V转换电路2和二级放大电路3。两路光束经过平衡光电探测电路1后，由光信号转换成微弱的电流信号，再由I-V转换电路2将此电流信号转换为电压信号，再经过二级放大电路3放大后输出至采样器件。

在本实用新型中，I-V转换电路2包括跨阻放大电路21和自动调零电路22，平衡光电探测电路1的输出端与跨阻放大电路21的输入端连接，跨阻放大电路21把平衡光电探测电路1输出的电流信号转换成电压信号并放大。在此过程中，若输入平衡光电探测电路1的光信号不平衡，就会在转换成电压信号时产生一个比较的直流电压，此直流电压对于量子平衡零差探测器而言为无用信号，但是容易造成二级放大电路3的饱和，因此需要滤除，本方案中采用自动调零电路22对此直流电压进行有效滤除。

自动调零电路22的输入端与跨阻放大电路21的输出端连接，自动调零电路22的输出端与跨阻放大电路21中运放芯片的接地处理的正相输入端连接。其工作过程为：自动调零电路22对跨阻放大电路21的输出信号进行积分，提取跨阻放大电路21的输出信号中的直流成分，然后反馈到跨阻放大电路21接地处理的正相输入端，即有效消除了跨阻放大电路21输出信号中可能含有的直流电压，提高探测器的稳定性和可靠性。

在图1所示的实施例中，平衡光电探测电路1包括串联设置的第一光电二极管D1和第二光电二极管D2，第一光电二极管D1的负极连接正电压，第一光电二极管D1的正极连接I-V转换电路2的输入端，第二光电二极管D2的正极连接负电压。其中第一光电二极管D1和第二光电二极管D2均使用高灵敏度、低暗电流、一致性好的PIN光电二极管，以有效提高平衡光电探测电路1的平衡特性，利于对量子噪声的捕获。

跨阻放大电路21包括第一运放芯片L1、第一电阻R1和第二电阻R2，第一电阻R1的两端分别与第一运放芯片L1的反相输入端和输出端连接，第一运放芯片L1的反相输入端与平衡光电探测电路1的输出端连接，第一运放芯片L1的正相输入端与第二电阻R2的第一端连接，第二电阻R2的第二端接地。在本实施例中，第一运放芯片L1采用极低偏置电流的运放芯片LTC6268，其偏置电流为fA级，可以有效克服运放芯片本身的误差，确保跨阻放大电路21具备更好的平衡特性。

自动调零电路22包括第二运放芯片L2、电容C、第三电阻R3和第四电阻R4，其中，电容C的两端分别连接第二运放芯片L2的反相输入端和输出端，第二运放芯片L2的正相输入端接地、输出端串联第四电阻R4后连接跨阻放大电路21的正相输入端，第二运放芯片L2的反相输入端串联第三电阻R3后连接跨阻放大电路21的输出端，接收跨阻放大电路21的输出信号。第二运放芯片L2也可采用极低偏置电流的运放芯片LTC6268，其偏置电流为fA级，可以有效克服运放芯片本身的误差。

二级放大电路3包括第三运放芯片L3、第五电阻R5、第六电阻R6和第七电阻R7，其中，第五电阻R5串联设置在I-V转换电路2的输出端与第三运放芯片L3的反相输入端之间，第六电阻R6的两端分别连接第三运放芯片L3的反相输入端和输出端，第三运放芯片L3的正相输入端串联第七电阻R7后接地。I-V转换电路2输出的经自动调零电路22滤除无用直流电压信号后的有效电压信号，经二级放大电路放大R6/R5倍后，输出至采集器件进行信号采集。

在实际应用中，来自于量子光源的两路光信号分别由光路1和光路2进入平衡光电探测电路1中，通过第一光电二极管D1和第二光电二极管D2的作用产生电流信号I₁₁和I₁₂，电流流向如图1中的箭头所示。I₁₁和I₁₂中的直流分量对于量子平衡零差探测器为无用信号，理论上，通过平衡光电探测电路1的平衡作用可以相互抵消为0，从而可以得到有效的交流信号I₂＝I₁₁+I₁₂，然后此交流信号I₂经I-V转换电路2转换后得出电压信号U₁＝I₃×R1，I₃＝I₂。但是通常情况下，光路1和光路2的光信号无法完全一致，并且第一光电二极管D1和第二光电二极管D2的性能也有偏差，导致I₁₁和I₁₂中的直流分量无法完全抵消，从而在经过跨阻放大电路21进行信号转换后得到一个无用的直流电压U₁’。由L2、C、R3和R4构成的积分反馈电路，提取此直流电压U₁’后反馈至第一运放芯片L1接地处理的正相输入端，进行消除，从而I-V转换电路2输出的信号为有效电压信号U＝I₃×R1-U₁’。再由二级放大电路3对U放大R6/R5倍后输出给高速ADC进行信号采集。

本方案的量子平衡零差探测器具有高带宽、高速率、自动调零的特点，运行稳定性和可靠性高。进一步的，还可以在此量子平衡零差探测器中使用高性能的电源芯片，以有效限制电源纹波，更有利于量子噪声的捕获。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本实用新型的保护范围之内。

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物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，仅仅参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明。本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种基于自动调零技术的高带宽量子平衡零差探测器，其特征在于，所述高带宽量子平衡零差探测器包括顺次连接的平衡光电探测电路(1)、I-V转换电路(2)和二级放大电路(3)，其中，所述I-V转换电路(2)包括跨阻放大电路(21)和自动调零电路(22)，所述平衡光电探测电路(1)的输出端与所述跨阻放大电路(21)的输入端连接，所述跨阻放大电路(21)把所述平衡光电探测电路(1)输出的电流信号转换成电压信号并放大，所述自动调零电路(22)对所述跨阻放大电路(21)的输出信号进行积分，提取所述跨阻放大电路(21)的输出信号中的直流成分并反馈到所述跨阻放大电路(21)的正相输入端；所述二级放大电路(3)对所述I-V转换电路(2)的输出信号进行放大后输出。

2.如权利要求1所述的高带宽量子平衡零差探测器，其特征在于，所述跨阻放大电路(21)包括第一运放芯片L1、第一电阻R1和第二电阻R2，所述第一电阻R1的两端分别与所述第一运放芯片L1的反相输入端和输出端连接，所述第一运放芯片L1的反相输入端与所述平衡光电探测电路(1)的输出端连接，所述第一运放芯片L1的正相输入端与所述第二电阻R2的第一端连接，所述第二电阻R2的第二端接地。

3.如权利要求1所述的高带宽量子平衡零差探测器，其特征在于，所述自动调零电路(22)包括第二运放芯片L2、电容C、第三电阻R3和第四电阻R4，所述电容C的两端分别连接所述第二运放芯片L2的反相输入端和输出端，所述第二运放芯片L2的正相输入端接地、输出端串联所述第四电阻R4后连接所述跨阻放大电路(21)的正相输入端，所述第二运放芯片L2的反相输入端串联所述第三电阻R3后连接所述跨阻放大电路(21)的输出端。

4.如权利要求1所述的高带宽量子平衡零差探测器，其特征在于，所述跨阻放大电路(21)中采用fA级偏置电流的运放芯片。

5.如权利要求1所述的高带宽量子平衡零差探测器，其特征在于，所述平衡光电探测电路(1)包括串联设置的第一光电二极管D1和第二光电二极管D2，所述第一光电二极管D1的负极连接正电压，所述第一光电二极管D1的正极连接所述I-V转换电路(2)的输入端，所述第二光电二极管D2的正极连接负电压。

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