CN221037673U - 一种宽带光电探测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光电探测器技术领域，尤其涉及一种宽带光电探测装置，解决了现有光电探测器在高频段的噪声较高，信噪比较低的技术缺陷，其包括光电二极管PD1、运算放大器U1和射频低噪声放大器A1，光电二极管PD1的阴极连接至+5V电源端，光电二极管PD1的阳极通过电阻R1接地，光电二极管PD1的阳极并联有电容C1，电容C1的另一端连接至运算放大器U1的反向输入端，运算放大器U1的同向输入端通过相并联的电阻R2和电容C2接地，运算放大器U1的输出端连接射频低噪声放大器A1的输入端，射频低噪声放大器A1的输出端作为光电探测装置的交流输出端，运算放大器U1的反向输入端和输出端之间并联有电阻R3，电阻R3的两端还并联有电容C3。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电探测器技术领域，尤其涉及一种宽带光电探测装置。
背景技术
光电探测器是光电探测技术中常用的一类光电检测器件，其基本工作原理是将光学信号转化为电学信号，通过对电学信号的采集与分析反映入射光源的光学特征。其中，宽带光电探测器在高速量子通信、宽带量子精密测量、连续变量量子密钥分发等领域中有广泛的应用。现有的宽带光电探测器的带宽可以达到几百兆赫兹甚至是几千兆赫兹，但是这类光电探测器的信噪比往往不够高，因而不能满足在某些实验系统中的测量要求。
发明内容
本实用新型为了有效增大宽带光电探测器的信噪比，提供了一种宽带光电探测装置。
本实用新型提供了一种宽带光电探测装置，包括光电二极管PD1、运算放大器U1和射频低噪声放大器A1，光电二极管PD1的阴极连接至+5V电源端，光电二极管PD1的阳极通过电阻R1接地，光电二极管PD1的阳极并联有电容C1，电容C1的另一端连接至运算放大器U1的反向输入端，运算放大器U1的同向输入端通过相并联的电阻R2和电容C2接地，运算放大器U1的输出端连接射频低噪声放大器A1的输入端，射频低噪声放大器A1的输出端作为光电探测装置的交流输出端，运算放大器U1的反向输入端和输出端之间并联有电阻R3，电阻R3的两端还并联有电容C3，运算放大器U1的输入电压为±2.5V，射频低噪声放大器A1由+15V电源端供电。交流放大电路部分通过运算放大器U1连接射频低噪声放大器A1，此射频低噪声放大器A1具有低噪声和高增益，可以有效提高所述光电探测装置的信噪比。
优选的，还包括运算放大器U2，运算放大器U2的输入电压为±15V，光电二极管PD1的阳极与电阻R1之间还串联有电感L1，电感L1与电阻R1的连接点处还并联有电阻R4，电阻R4的另一端连接至运算放大器U2的同相输入端，运算放大器U2的反相输入端通过电阻R5接地，反向输入端还通过电阻R6连接运算放大器U2的输出端，运算放大器U2的输出端还连接有电阻R7，电阻R7的第二端作为光电探测装置的直流输出端。电感L1用于过滤交流信号，光电流信号通过电感L1后输入由运算放大器U2组成的同相比例运算放大电路，运算放大器U2的输出端连接直流输出。由光电二极管PD1的阳极通过电感L1和电阻R4连接运算放大器U2的同相输入端，运算放大器U2的反向输入端通过电阻R5接地，并通过电阻R6跨接在运算放大器U2的输出端。该光电探测装置采用噪声极低的电子器件，并采用交流直流信号分离探测的设计，可以减少引入光电探测装置的噪声，提高了光电探测装置的信噪比。
优选的，光电二极管PD1的型号为FD80，运算放大器U1的型号为OPA855，射频低噪声放大器A1的型号为ZFL-1000LN，运算放大器U2的型号为OP27。运算放大器U1的型号为OPA855，其增益带宽积为8GHz，输入电流噪声为2.5，输入电压噪声为0.98，输入电容为0.8pF；射频低噪声放大器A1的型号为ZFL-1000LN，其带宽范围为0.1-1000MHz，噪声系数为2.9dB，增益为20dB。可根据需求将运算放大器U1更换为基本参数类似的运算放大器，也可根据需求将本实用新型中的射频低噪声放大器A1更换为基本参数类似的其他射频低噪声放大器。光电二极管PD1选用PIN型光电二极管，型号为FD80，其结电容为0.75pF，暗电流为1nA，对1064nm激光的响应度为0.8A/W。光电二极管FD80在+5V电压下工作，其作用是将探测到的光学信号转换为光电流信号，随后光电流信号通过电容C1和电感L1分为交流信号支路和直流信号支路，使得交流信号和直流信号可以以不同的增益被单独测量。射频低噪声放大器A1的型号为ZFL-1000LN，其带宽范围为0.1-1000MHz，噪声系数为2.9dB，增益为20dB，由+15V电压供电。
优选的，运算放大器U1的输出端与射频低噪声放大器A1的输入端之间还依次串联有电容C4和电阻R8，电容C4和电阻R8的连接点处还连接有另一端接地的电阻R9。
优选的，+5V电源端与光电二极管PD1的阴极之间还依次串联有电阻R10和电阻R11，电阻R10和电阻R11之间的连接点处连接有另一端接地的电容C5，电阻R11与光电二极管PD1的阴极之间的连接点处连接有另一端接地的电容C6。
优选的，运算放大器U1的+2.5V电源输入端还连接有由电阻R12和电容C7组成的滤波电路，运算放大器U1的-2.5V电源输入端还连接有由电阻R13和电容C8组成的滤波电路；运算放大器U2的+15V电源输入端还连接有由电阻R14和电容C9组成的滤波电路，运算放大器U2的-15V电源输入端还连接有由电阻R15和电容C10组成的滤波电路。
本实用新型提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：所述宽带光电探测装置中，在运算放大器的输出端加入了射频低噪声放大器作为微弱信号的二级放大电路，由于选用的射频低噪声放大器具有较低的噪声系数和较高的增益，从而可以有效放大微弱信号，提高光电探测装置的信噪比；选用了增益带宽积为8GHz、输入电容为0.8pF的运算放大器；选用了工作带宽范围为0.1-1000MHz的射频低噪声放大器，为光电探测装置的宽带宽提供了保证。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施例，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型所述一种宽带光电探测装置的结构示意图；
图2为本实用新型某具体实施例中所述一种宽带光电探测装置的结构详图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面将对本实用新型的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。
下面结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细说明。
在一个实施例中，如图1所示，公开了一种宽带光电探测装置，包括光电二极管PD1、运算放大器U1和射频低噪声放大器A1，光电二极管PD1的阴极连接至+5V电源端，光电二极管PD1的阳极通过电阻R1接地，光电二极管PD1的阳极并联有电容C1，电容C1的另一端连接至运算放大器U1的反向输入端，运算放大器U1的同向输入端通过相并联的电阻R2和电容C2接地，运算放大器U1的输出端连接射频低噪声放大器A1的输入端，射频低噪声放大器A1的输出端作为光电探测装置的交流输出端，运算放大器U1的反向输入端和输出端之间并联有电阻R3，电阻R3的两端还并联有电容C3，运算放大器U1的输入电压为±2.5V，射频低噪声放大器A1由+15V电源端供电。交流放大电路部分通过运算放大器U1连接射频低噪声放大器A1，此射频低噪声放大器A1具有低噪声和高增益，可以有效提高所述光电探测装置的信噪比。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，还包括运算放大器U2，运算放大器U2的输入电压为±15V，光电二极管PD1的阳极与电阻R1之间还串联有电感L1，电感L1与电阻R1的连接点处还并联有电阻R4，电阻R4的另一端连接至运算放大器U2的同相输入端，运算放大器U2的反相输入端通过电阻R5接地，反向输入端还通过电阻R6连接运算放大器U2的输出端，运算放大器U2的输出端还连接有电阻R7，电阻R7的第二端作为光电探测装置的直流输出端。电感L1用于过滤交流信号，光电流信号通过电感L1后输入由运算放大器U2组成的同相比例运算放大电路，运算放大器U2的输出端连接直流输出。由光电二极管PD1的阳极通过电感L1和电阻R4连接运算放大器U2的同相输入端，运算放大器U2的反向输入端通过电阻R5接地，并通过电阻R6跨接在运算放大器U2的输出端。该光电探测装置采用噪声极低的电子器件，并采用交流直流信号分离探测的设计，可以减少引入光电探测装置的噪声，提高了光电探测装置的信噪比。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，光电二极管PD1的型号为FD80，运算放大器U1的型号为OPA855，射频低噪声放大器A1的型号为ZFL-1000LN，运算放大器U2的型号为OP27。运算放大器U1的型号为OPA855，其增益带宽积为8GHz，输入电流噪声为2.5，输入电压噪声为0.98 />，输入电容为0.8pF；射频低噪声放大器A1的型号为ZFL-1000LN，其带宽范围为0.1-1000MHz，噪声系数为2.9dB，增益为20dB。可根据需求将运算放大器U1更换为基本参数类似的运算放大器，也可根据需求将本实用新型中的射频低噪声放大器A1更换为基本参数类似的其他射频低噪声放大器。光电二极管PD1选用PIN型光电二极管，型号为FD80，其结电容为0.75pF，暗电流为1nA，对1064nm激光的响应度为0.8A/W。光电二极管FD80在+5V电压下工作，其作用是将探测到的光学信号转换为光电流信号，随后光电流信号通过电容C1和电感L1分为交流信号支路和直流信号支路，使得交流信号和直流信号可以以不同的增益被单独测量。射频低噪声放大器A1的型号为ZFL-1000LN，其带宽范围为0.1-1000MHz，噪声系数为2.9dB，增益为20dB，由+15V电压供电。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，运算放大器U1的输出端与射频低噪声放大器A1的输入端之间还依次串联有电容C4和电阻R8，电容C4和电阻R8的连接点处还连接有另一端接地的电阻R9。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，+5V电源端与光电二极管PD1的阴极之间还依次串联有电阻R10和电阻R11，电阻R10和电阻R11之间的连接点处连接有另一端接地的电容C5，电阻R11与光电二极管PD1的阴极之间的连接点处连接有另一端接地的电容C6。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，运算放大器U1的+2.5V电源输入端还连接有由电阻R12和电容C7组成的滤波电路，运算放大器U1的-2.5V电源输入端还连接有由电阻R13和电容C8组成的滤波电路；运算放大器U2的+15V电源输入端还连接有由电阻R14和电容C9组成的滤波电路，运算放大器U2的-15V电源输入端还连接有由电阻R15和电容C10组成的滤波电路。
在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，电容C1的容值为100nF，运算放大器U1型号为OPA855，电阻R2的阻值为4kΩ，电容C2的容值为1uF，电阻R3的阻值为6.8kΩ，电容C3的容值为0.5pF；电感L1的感值为100uH，电阻R4的阻值为1KΩ，电阻R5的阻值为1KΩ, 电阻R6的阻值为10KΩ。通过实验测试，该宽带光电探测装置的带宽能够达到260MHz，同时，在入射的激光功率为6mW时，其在分析频率50MHz处的信噪比为21dB，在100MHz处的信噪比为19dB，在150MHz处的信噪比为16dB，在200MHz处的信噪比为12dB。
以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。尽管参照前述各实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离各实施例技术方案的范围，其均应涵盖权利要求书的保护范围中。
Claims (6)
1.一种宽带光电探测装置，其特征在于，包括光电二极管PD1、运算放大器U1和射频低噪声放大器A1，光电二极管PD1的阴极连接至+5V电源端，光电二极管PD1的阳极通过电阻R1接地，光电二极管PD1的阳极并联有电容C1，电容C1的另一端连接至运算放大器U1的反向输入端，运算放大器U1的同向输入端通过相并联的电阻R2和电容C2接地，运算放大器U1的输出端连接射频低噪声放大器A1的输入端，射频低噪声放大器A1的输出端作为光电探测装置的交流输出端，运算放大器U1的反向输入端和输出端之间并联有电阻R3，电阻R3的两端还并联有电容C3，运算放大器U1的输入电压为±2.5V，射频低噪声放大器A1由+15V电源端供电。
2.根据权利要求1所述的一种宽带光电探测装置，其特征在于，还包括运算放大器U2，运算放大器U2的输入电压为±15V，光电二极管PD1的阳极与电阻R1之间还串联有电感L1，电感L1与电阻R1的连接点处还并联有电阻R4，电阻R4的另一端连接至运算放大器U2的同相输入端，运算放大器U2的反相输入端通过电阻R5接地，反向输入端还通过电阻R6连接运算放大器U2的输出端，运算放大器U2的输出端还连接有电阻R7，电阻R7的第二端作为光电探测装置的直流输出端。
3.根据权利要求2所述的一种宽带光电探测装置，其特征在于，光电二极管PD1的型号为FD80，运算放大器U1的型号为OPA855，射频低噪声放大器A1的型号为ZFL-1000LN，运算放大器U2的型号为OP27。
4.根据权利要求3所述的一种宽带光电探测装置，其特征在于，运算放大器U1的输出端与射频低噪声放大器A1的输入端之间还依次串联有电容C4和电阻R8，电容C4和电阻R8的连接点处还连接有另一端接地的电阻R9。
5.根据权利要求4所述的一种宽带光电探测装置，其特征在于，+5V电源端与光电二极管PD1的阴极之间还依次串联有电阻R10和电阻R11，电阻R10和电阻R11之间的连接点处连接有另一端接地的电容C5，电阻R11与光电二极管PD1的阴极之间的连接点处连接有另一端接地的电容C6。
6.根据权利要求5所述的一种宽带光电探测装置，其特征在于，运算放大器U1的+2.5V电源输入端还连接有由电阻R12和电容C7组成的滤波电路，运算放大器U1的-2.5V电源输入端还连接有由电阻R13和电容C8组成的滤波电路；运算放大器U2的+15V电源输入端还连接有由电阻R14和电容C9组成的滤波电路，运算放大器U2的-15V电源输入端还连接有由电阻R15和电容C10组成的滤波电路。
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