JP5113637B2 - 光ファイバ速度センサのための可変利得一定帯域幅トランスインピーダンス増幅器 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ速度センサのための可変利得一定帯域幅トランスインピーダンス増幅器に関する。

通常、固定利得を有するトランスインピーダンス増幅器が干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）システムにおいて使用される。固定利得のトランスインピーダンス増幅器は、フォトダイオードにおいて測定される電力に基いて電圧出力を最大化するように較正される。利得が較正されると、増幅器の帯域幅もまた較正される。増幅器の帯域幅と利得は、システムの寿命にわたって一定のままとなる。このことは、環境変化をほとんど経験することのないＩＦＯＧシステムにおいてはうまく機能する。しかし、放射線の照射を受けている間、ＩＦＯＧシステムにおける光ファイバは暗くなり、フォトダイオードにおける信号強度は大きく低下する。固定利得のトランスインピーダンス増幅器は、ファイバが正常な状態に戻るまで、劣化したジャイロバイアス性能を提供する。また、固定利得のトランスインピーダンス増幅器のジャイロバイアス性能の劣化は、構成要素の経時劣化により時間とともに光損失が増大することによっても起こり得る。

また、固定利得のトランスインピーダンス増幅器は組み立て中に較正を必要とし、多数の異なる較正用部品をストックしておく必要があるため、固定利得のトランスインピーダンス増幅器を使用することはコストがかかる。

従来の可変利得手法は増幅器の帯域幅を劣化させ、ジャイロバイアス性能に悪影響を及ぼす。図１乃至３を参照されたい。
したがって、増幅器帯域幅を大きく劣化させることなく、放射事象、ユニット間損失の変化及び寿命末期に関連する光損失に効果的に対応できる可変利得のトランスインピーダンス増幅器に対する要求がある。

本発明は、可変利得増幅器システム及び方法を提供する。例示的なシステムは、入力及び出力を有する増幅器と、増幅器の入力が第１の閾値を下回る出力を駆動する場合に増幅器の出力を増加させる制御装置とを含む。

本発明の一態様において、増幅器はフォトダイオードに接続される。制御装置は、増幅器の入力に接続されたキャパシタ及び第１の抵抗と、キャパシタ及び第１の抵抗並びに第１の増幅器の出力に接続された第２の抵抗と、キャパシタ並びに第１及び第２の抵抗に接続された第３の抵抗と、第３の抵抗及びバイアスされた電圧の間に接続されたスイッチと、増幅器の出力に基いてスイッチを制御する制御部とを含む。

本発明の別の態様において、スイッチは電界効果トランジスタであり、制御部は積分器である。
本発明のさらに別の態様において、スイッチは電界効果トランジスタであり、制御部は光ファイバジャイロシステムからのデジタル信号である。

本発明の好ましい代替的な実施例は添付の図面を参照して以下において詳細に説明される。

図４は本発明の一実施例により形成される干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）システム２０の部分的な図を示す。システム２０は、光学回路２４、アナログフロントエンド回路要素２６、デジタル処理要素２８及び駆動要素３０を含む。アナログフロントエンド回路要素２６は、光学回路要素２４が非センシング関連の（non-sensing related）事象を経験した後に低光出力条件に対処するように設計される。非センシング関連の事象とは、システム２０が検知するように設計されている変数に関連しない事象である。例えば、システム２０はジャイロであるので、非センシング関連事象は放射事象であり得る。放射事象が発生した後、アナログフロントエンド要素２６は、当該放射事象がシステム２０にもたらす効果を軽減するために自身を自動的に調整する。

光学回路２４は、光源４０、サーキュレータ４２、集積光チップ（ＩＯＣ）４６及び光ファイバコイル５０を含む。光源４０は、サーキュレータ４２及びＩＯＣ４６を介して光ファイバコイル５０へ送られる光を生成する。光信号はＩＯＣ４６を介して光ファイバコイル５０から戻され、光出力をアナログフロントエンド回路要素２６に送るためにサーキュレータ４２において分離される。

アナログフロントエンド回路要素２６はフォトダイオードなどの光検出器６０を含み、光検出器６０は、サーキュレータ４２の光出力を受ける。光検出器６０は、サーキュレータ４２から受けた光の品質に依存する電流を生成する。可変利得トランスインピーダンス増幅器６２は、光検出器６０からの電流を出力電圧に変換し、当該出力電圧は後置増幅器６４に供給され、その後アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）６６に供給される。ＡＤＣ６６の出力はデジタル処理要素２８内の構成要素に送られる。一実施例において、デジタル処理要素２８はフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）である。サーキュレータ４２からの出力が迅速な線量照射事象などの事象のために低光出力となる場合、可変利得トランスインピーダンス増幅器６２はこの事象を識別して、より大きな一定出力を生成するために利得を増加させる。

図５Ａ及び図５Ｂは、アナログフロントエンド回路要素２６において使用するための可変利得トランスインピーダンス増幅器１００及びフォトダイオード１０２の例を示す。可変利得トランスインピーダンス増幅器１００は、増幅器の反転ピン２においてフォトダイオード１０２のアノードに接続する第１の増幅器１０４を含む。フォトダイオード１０２のカソードは正電圧バイアス（＋Ｖ_ＢＩＡＳ）に接続される。また、抵抗Ｒ６及びキャパシタＣ２の第１の側が増幅器１０４のピン２に接続される。キャパシタＣ２及び抵抗Ｒ６の第２の側は抵抗Ｒ４の第１の側と抵抗Ｒ８とに接続される。抵抗Ｒ４の第２の側は増幅器１０４の出力ピン（ピン６）に接続される。ピン６は出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）である。Ｖ_ｏｕｔは制御部８０に接続される。制御部８０は基準電圧を受けてスイッチ１１０の動作を制御する。Ｖ_ｏｕｔは抵抗Ｒ１６を介して接地される。

一実施例において、制御器８０は抵抗Ｒ１５及び積分器１０８を含む。抵抗Ｒ１５は、積分器１０８の反転ピン（ピン２）及びキャパシタＣ３の第１の側に接続される。キャパシタＣ３の第２の側及び積分器１０８の出力ピン６は、抵抗Ｒ５を介して電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）スイッチ１１０のゲートに接続される。ＦＥＴスイッチ１１０のゲートは、抵抗Ｒ１４を介してバイアス電圧（例えば、接地）に接続される。ＦＥＴスイッチ１１０は、抵抗Ｒ８の第２の側に接続されたドレイン及びバイアス電圧（例えば、接地）に接続されたソースを有する。

積分器１０８はＶ_ｏｕｔが基準値（ピン３におけるＶ_ｒｅｆ）を下回って低下したときを決定するが、これは迅速な線量放射事象などの放射事象のために光ファイバコイル５０が黒ずむこと（darkening）によって起こり得る。Ｖ_ｏｕｔがＶ_ｒｅｆを下回って低下すると、ＦＥＴスイッチ１１０がドレインとソースとの間を伝導するために作動され、これにより、増幅器１００の利得が増加する。Ｖ_ｏｕｔが許容できるレベルを超えて増加して戻ると、トランジスタ１１０は動作を停止され、通常の動作に戻る。

バイポーラ接合トランジスタなどの他のスイッチング素子を使用してＦＥＴスイッチ１１０を置き換えることもできる。

従来の技術の増幅器を示す図である。 従来の技術の増幅器を示す図である。 従来の技術の増幅器を示す図である。 本発明の実施例により形成されるＩＦＯＧシステムの一例の図である。 本発明の実施例により形成される可変利得トランスインピーダンス増幅器の一実施例の回路図である。 本発明の実施例により形成される可変利得トランスインピーダンス増幅器の一実施例の回路図である。

Claims (4)

1. 入力及び出力を有する増幅器と、
   前記増幅器の入力が第１の閾値を下回る出力を駆動する場合に前記増幅器の出力を増加させる制御装置と、
   所定の範囲の増幅器利得にわたって、前記増幅器の閉ループ帯域幅を一定に保つように構成された手段とを具備し、
   前記制御装置は、前記増幅器の入力が第２の閾値を越える出力を駆動する場合に、前記増幅器の出力を減少させ、
   前記制御装置は、
   前記増幅器の入力に接続されたキャパシタ及び第１の抵抗と、
   前記キャパシタ及び前記第１の抵抗並びに前記第１の増幅器の出力に接続された第２の抵抗と、
   前記キャパシタ並びに前記第１及び第２の抵抗に接続された第３の抵抗と、
   前記第３の抵抗及びバイアスされた電圧の間に接続されたスイッチと、
   前記増幅器の出力を受け、受け取った出力及び基準電圧に基いて前記スイッチを制御するように構成された制御部とを具備する可変利得増幅システム。
2. 前記増幅器の前記入力はフォトダイオードに接続され、
   前記スイッチは電界効果トランジスタであり、前記制御部は積分器であり、前記第１の抵抗は前記第２の抵抗より少なくとも係数２だけ大きく、前記フォトダイオードは干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）と光をやり取りする請求項１に記載のシステム。
3. 可変利得増幅を実行する方法であって、
   光検出器からの電流を受けるステップと、
   前記受けた電流を増幅器において電圧に変換するステップと、
   １つ又は複数の閾値に基いて前記増幅器の利得を制御するステップとを具備し、
   前記制御するステップは、前記増幅器の入力が第１の閾値を下回る前記増幅器の出力を駆動する場合に前記増幅器の出力を増加させるステップと、前記増幅器の入力が第２の閾値を上回る出力を駆動する場合に前記増幅器の出力を減少させるステップとを含み、前記光検出器はフォトダイオードを含み、
   前記制御するステップは、
   前記増幅器の入力をキャパシタ及び第１の抵抗に送るステップと、
   前記キャパシタ及び前記第１の抵抗の出力を、前記増幅器の出力にも接続された第２の抵抗に送るステップと、
   前記キャパシタ及び前記第１の抵抗の出力を第３の抵抗に送るステップと、
   前記増幅器の出力を決定するステップと、
   前記増幅器の前記決定された出力が前記第１の閾値より小さい場合に前記第３の抵抗をバイアスされた電圧に接続するステップと、
   前記増幅器の前記決定された出力が前記第２の閾値より大きい場合に前記第３の抵抗を前記バイアスされた電圧から切断するステップとを具備する方法。
4. 前記接続するステップ及び前記切断するステップは、前記増幅器の出力に接続された電界効果トランジスタ及び積分器を使用して実行され、
   前記第１の抵抗は、前記第２の抵抗よりも少なくとも係数２だけ大きく、
   前記フォトダイオードは干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）と光をやり取りする請求項３に記載の方法。

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