CN221077674U - 一种用于低频段噪声测量的光电探测器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种用于低频段噪声测量的光电探测器，解决了背景技术中的技术问题，其中第一光电二极管和第二光电二极管组成差分电路，第五电阻和第六电阻组成输入电路，运算放大器组成放大电路，第七电阻和第五电容组成反馈电路，通过第六电容和第八电阻组成交直流分离电路。本实用新型在低频段有着良好的性能，其带宽为500kHz，信噪比在23dB以上；将交直流分离电路后置于运算放大器输出端，使其在低频段的信噪比大大提高；通过对两光电二极管产生的光电流信号相减后的电流差信号进行信号处理，有效消除电子元件差异的影响，改善检测系统的灵敏度。

Description

一种用于低频段噪声测量的光电探测器

技术领域

本实用新型涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种用于低频段噪声测量的光电探测器。

背景技术

从1983年Yuen等人首次使用一对增益相同的光电探测器构成平衡零拍探测器以来，平衡零拍探测方法成为测量光场噪声的主要方法之一。平衡零拍探测，即通过对两光电二极管产生的光电流信号相减后的电流差信号进行信号处理，有效消除电子元件差异的影响，改善检测系统的灵敏度。

随着精密测量的发展，在引力波探测、弱磁测量和量子计算等许多实际应用中，往往需要对低频处的激光光源或者压缩光源的噪声信号进行测量。例如，在引力波探测的实验中，它所要求的分析频率范围一般在kHz，甚至到mHz。而现有的平衡零拍探测器，测量带宽一般是MHz，在低频段的噪声较高，信噪比较低，其性能无法满足测量低频处的激光光源或者压缩光源噪声信号的要求。

实用新型内容

为克服现有的平衡零拍探测器在kHz频段的噪声较高、信噪比较低的技术问题，本实用新型提供了一种用于低频段噪声测量的光电探测器。

本实用新型提供了一种用于低频段噪声测量的光电探测器，包括第一光电二极管、第二光电二极管、运算放大器、八个电阻和六个电容，第一光电二极管的阳极与第二光电二极管的阴极相连，第一光电二极管的阴极依次通过第一电阻和第二电阻连接至+15V电源端，第二光电二极管的阳极依次通过第三电阻和第四电阻连接至-15V电源端，第一电阻和第二电阻之间、第二电阻和第一光电二极管的阴极之间、第二光电二极管的阳极和第三电阻之间以及第三电阻和第四电阻之间分别并联有另一端均接地的第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；运算放大器的反相输入端通过第五电阻连接至第一光电二极管与第二光电二极管的连接点处，第五电阻的输入端还并联有第六电阻，第六电阻的另一端接地，运算放大器的反相输入端和输出端之间分别并联有第七电阻和第五电容，运算放大器的输出端通过第六电容连接有交流输出端，运算放大器的输出端通过第八电阻连接有直流输出端，运算放大器的型号为LTC6268-10。

本实用新型中，使用平衡探测的方式，对第一光电二级管和第二光电二极管输出的光电流信号进行差处理，相减后的电流差信号通过第五电阻输入运算放大器的反相输入端，有效消除电子元件差异的影响，可以去除检测系统中的一些噪声，以改善检测系统的灵敏度。运算放大器的型号为LTC6268-10，其输入电流噪声极低，具体为7fA/，对低频处的激光光源或者压缩光源的噪声信号进行测量时，引入的电子学噪声更低，在低频段信噪比超过23dB。本实用新型中，通过第六电容和第八电阻组成交直流分离电路，交直流分离电路位于运算放大器的输出端，可以减小直流输出电路引入的电子学噪声对光电探测器性能的影响。

优选的，第一光电二极管和第二光电二极管的型号均为FD300W。第一光电二极管和第二光电二极管可用于测量1064nm的激光，其响应度为0.9A/W，结电容为4pF，较高的响应度赋予其较高的光电转换效率，较低的结电容使得光电二极管引入的电子学噪声很低。

优选的，还包括将+15V电压分别转换为+2.5V电压以及-2.5V电压的电压转换电路。进一步优选的，电压转换电路包括第一稳压器、第二稳压器和电荷泵，第一稳压器的型号为TL431，第一稳压器将+15V电压转换成+2.5V电压，第二稳压器的型号为78L05，第二稳压器将+15V电压转换成+5V电压，电荷泵的型号为MAX889，电荷泵将+5V电压转换成-2.5V电压。

优选的，电压转换电路输出的+2.5V电压和-2.5V电压分别连接至运算放大器的两个电源管脚上，且运算放大器的两个电源管脚上还分别连接有滤波电路。

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：

一、该种用于低频段噪声测量的光电探测器，在低频段有着良好的性能，其带宽为500kHz，信噪比在23dB以上；二、该种用于低频段噪声测量的光电探测器，使用输入电流噪声极低的运算放大器芯片LTC6268-10，输入电流噪声为7fA/，对低频处的激光光源或者压缩光源的噪声信号进行测量时，引入的电子学噪声更低；三、该种用于低频段噪声测量的光电探测器，所述的第一光电二极管和第二光电二极管采用量子效率较高的FD300W测量1064nm的激光，其响应度为0.9A/W，结电容为4pF，较高的响应度赋予其较高的光电转换效率，较低的结电容使得光电二极管引入的电子学噪声很低；四、该种用于低频段噪声测量的光电探测器，交直流分离电路置于运算放大器输出端，可以减小直流输出电路引入的电子学噪声对光电探测器性能的影响。

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用于低频段噪声测量的光电探测器的结构简图；

图2为本实用新型所述一种用于低频段噪声测量的光电探测器在某个具体实施例中的电路原理图。

图中：1、第一光电二极管；2、第二光电二极管；3、运算放大器；4、第一电阻；5、第二电阻；6、第三电阻；7、第四电阻；8、第一电容；9、第二电容；10、第三电容；11、第四电容；12、第五电阻；13、第六电阻；14、第七电阻；15、第五电容；16、第六电容；18、第八电阻。

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1和图2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，一种用于低频段噪声测量的光电探测器，包括第一光电二极管1、第二光电二极管2、运算放大器3、八个电阻和六个电容8，第一光电二极管1的阳极与第二光电二极管2的阴极相连，第一光电二极管1的阴极依次通过第一电阻4和第二电阻5连接至+15V电源端，第二光电二极管2的阳极依次通过第三电阻6和第四电阻7连接至-15V电源端，第一电阻4和第二电阻5之间、第二电阻5和第一光电二极管1的阴极之间、第二光电二极管2的阳极和第三电阻6之间以及第三电阻6和第四电阻7之间分别并联有另一端均接地的第一电容8、第二电容9、第三电容10和第四电容11；运算放大器3的反相输入端通过第五电阻12连接至第一光电二极管1与第二光电二极管2的连接点处，第五电阻12的输入端还并联有第六电阻13，第六电阻13的另一端接地，运算放大器3的反相输入端和输出端之间分别并联有第七电阻14和第五电容15，运算放大器3的输出端通过第六电容16连接有交流输出端，运算放大器3的输出端通过第八电阻18连接有直流输出端，运算放大器3的型号为LTC6268-10。

本实用新型中，第一光电二极管1和第二光电二极管2组成差分电路，第五电阻12和第六电阻13组成输入电路，运算放大器3组成放大电路，第七电阻14和第五电容15组成反馈电路，通过第六电容16和第八电阻18组成交直流分离电路。使用平衡探测的方式，对第一光电二级管和第二光电二极管2输出的光电流信号进行差处理，相减后的电流差信号通过第五电阻12输入运算放大器3的反相输入端，有效消除电子元件差异的影响，可以去除检测系统中的一些噪声，以改善检测系统的灵敏度。运算放大器3的型号为LTC6268-10，其输入电流噪声极低，具体为7fA/√Hz，对低频处的激光光源或者压缩光源的噪声信号进行测量时，引入的电子学噪声更低，在低频段信噪比超过23dB。本实用新型中，交直流分离电路位于运算放大器3的输出端，可以减小直流输出电路引入的电子学噪声对光电探测器性能的影响。

运算放大器3的正相输出端接地，利用运算放大器3的反相输入端的“虚地”和输入阻抗极高的特性，极大地抑制了光电二极管的分流作用，光电流完全流经第七电阻14上；第七电阻14和电路的输入寄生电容会在环路传输中产生一个极点，第五电容15可以在传输环路中创建一个零点，补偿极点的影响。第七电阻14的阻值为200kΩ，第五电容15的容值为10pF，较大的增益带宽积以及极低的输入电流噪声和输入电容，使得在对低频处的激光光源或者压缩光源的噪声信号进行测量时，引入的电子学噪声更低，探测器的信噪比更高。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，第一光电二极管1和第二光电二极管2的型号均为FD300W。第一光电二极管1和第二光电二极管2可用于测量1064nm的激光，其响应度为0.9A/W，结电容为4pF，较高的响应度赋予其较高的光电转换效率，较低的结电容使得光电二极管引入的电子学噪声很低。

在上述实施例的基础上，在一个优选的实施例中，如图2所示，还包括将+15V电压分别转换为+2.5V电压以及-2.5V电压的电压转换电路。进一步的，电压转换电路包括第一稳压器、第二稳压器和电荷泵，第一稳压器的型号为TL431，第一稳压器将+15V电压转换成+2.5V电压，第二稳压器的型号为78L05，第二稳压器将+15V电压转换成+5V电压，电荷泵的型号为MAX889，电荷泵将+5V电压转换成-2.5V电压。电压转换电路中包括电阻R1、电阻R12、电阻R13、电容C8、电容C9、电容C10、电容C11、电容C12、电容C13和电容C14，第一稳压器、第二稳压器和电荷泵。+15V电源端通过电阻R1连接第一稳压器的1脚和3脚，第一稳压器的2脚接地，第一稳压器的1脚为+2.5V电压输出端。+15V电源端连接第二稳压器的3脚，第二稳压器的2脚接地，第二稳压器的3脚和1脚分别通过电容C9、电容C8连接第二稳压器的2脚，第二稳压器的1脚为+5V电压输出端；第二稳压器的1脚通过电容C14接地，第二稳压器的1脚连接电荷泵的1脚和6脚，第二稳压器的1脚通过电阻R12连接电荷泵的7脚，电荷泵的7脚通过电阻R13连接电荷泵的5脚，电荷泵的2脚通过电容C10连接电荷泵的4脚，电荷泵的3脚和8脚接地，电荷泵的5脚还分别连接有并联的电容C11、电容C12和电容C13，电容C11、电容C12和电容C13的另一端均接地，电荷泵的5脚作为-2.5V电压输出端。-2.5V电压输出端连接至运算放大器3的5脚，-2.5V电压输出端与运算放大器3的5脚之间还设置有由电阻R8和电容C5组成的滤波电路；+2.5V电压输出端连接运算放大器3的7脚，+2.5V电压输出端和运算放大器3的7脚之间还设置有由电阻R9和电容C6组成的滤波电路。具体实施例中，交流输出端和直流输出端分接接地。

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 (5)

1.一种用于低频段噪声测量的光电探测器，其特征在于，包括第一光电二极管（1）、第二光电二极管（2）、运算放大器（3）、八个电阻和六个电容，第一光电二极管（1）的阳极与第二光电二极管（2）的阴极相连，第一光电二极管（1）的阴极依次通过第一电阻（4）和第二电阻（5）连接至+15V电源端，第二光电二极管（2）的阳极依次通过第三电阻（6）和第四电阻（7）连接至-15V电源端，第一电阻（4）和第二电阻（5）之间、第二电阻（5）和第一光电二极管（1）的阴极之间、第二光电二极管（2）的阳极和第三电阻（6）之间以及第三电阻（6）和第四电阻（7）之间分别并联有另一端均接地的第一电容（8）、第二电容（9）、第三电容（10）和第四电容（11）；运算放大器（3）的反相输入端通过第五电阻（12）连接至第一光电二极管（1）与第二光电二极管（2）的连接点处，第五电阻（12）的输入端还并联有第六电阻（13），第六电阻（13）的另一端接地，运算放大器（3）的反相输入端和输出端之间分别并联有第七电阻（14）和第五电容（15），运算放大器（3）的输出端通过第六电容（16）连接有交流输出端，运算放大器（3）的输出端通过第八电阻（18）连接有直流输出端，运算放大器（3）的型号为LTC6268-10。

2.根据权利要求1所述的一种用于低频段噪声测量的光电探测器，其特征在于，第一光电二极管（1）和第二光电二极管（2）的型号均为FD300W。

3.根据权利要求2所述的一种用于低频段噪声测量的光电探测器，其特征在于，还包括将+15V电压分别转换为+2.5V电压以及-2.5V电压的电压转换电路。

4.根据权利要求3所述的一种用于低频段噪声测量的光电探测器，其特征在于，电压转换电路包括第一稳压器、第二稳压器和电荷泵，第一稳压器的型号为TL431，第一稳压器将+15V电压转换成+2.5V电压，第二稳压器的型号为78L05，第二稳压器将+15V电压转换成+5V电压，电荷泵的型号为MAX889，电荷泵将+5V电压转换成-2.5V电压。

5.根据权利要求4所述的一种用于低频段噪声测量的光电探测器，其特征在于，电压转换电路输出的+2.5V电压和-2.5V电压分别连接至运算放大器（3）的两个电源管脚上，且运算放大器（3）的两个电源管脚上还分别连接有滤波电路。