基于背景噪声消除的光电二极管电路及激光测距系统的制作方法
【专利摘要】基于背景噪声消除的光电二极管电路及激光测距系统，本发明提出的一种基于背景噪声消除的光电二极管电路，其包括光电二极管跨导放大模块、运放积分器模块、滤波模块，所述滤波模块接于所述光电二极管跨导放大模块的输出端以及所述运放积分器模块的输入端，所述运放积分器模块的输出端接于所述光电二极管跨导放大模块的输入端。本发明中运放积分器模块可以仅使用运算放大器、电容和电阻，滤波电路可以仅使用电容和电阻，整个电路没有使用数字元件，不会带来额外噪声，可以很大程度提高电路的信噪比，增大测距范围；同时由于只使用到运算放大器、电阻和电容，成本相对现有技术降低了许多，而且整体电路面积也大大减少，从而有利于产品的小型化。
【专利说明】基于背景噪声消除的光电二极管电路及激光测距系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光电二极管应用电路领域，具体涉及一种能够消除背景噪声的光电二 极管电路，W及应用该二极管电路的激光测距系统。
【背景技术】
[0002] 光电二极管电路广泛应用于激光测距、安检设备、运动控制、分析仪器、生物医疗、 光通信、军事、航空航天、光通讯等领域。其中，在脉冲式激光测距领域普遍采用的光电二极 管电路包括光电二极管跨导放大电路，如图1所示，最基本的光电二极管跨导放大电路主 要包括运算放大器U11、光电二极管LDl和电阻RllW及电容C11。但是该种电路输出会有 一个直流偏置，如图2所示，该个直流偏置也即是背景噪声，它是由同波长的自然光（背景 光）、光电二极管暗电流和跨导放大器的输入偏置电流造成的。由于激光测距系统中基于飞 行时间的判决电平往往很低（200mV左右），该个直流偏置会影响判决电平，因此在实际的 测距系统中，需要把该个背景噪声消除掉，让没有脉冲信号的时候，光电二极管跨导放大电 路的输出为0。
[0003]目前应用最多的能够消除背景噪声的光电二极管电路如图3所示，该电路在基本 的光电二极管跨导放大电路的基础上增加了模数转换器（ADC)、数模转换器（DAC)、单片机 (MCU)、缓冲器炬UFFER)W及电阻R12等元件，其原理是通过模数转换器采集光电二极管跨 导放大电路的输出电压并传送至单片机中，由单片机进行滤波等算法之后把需要补偿的电 压数值送给数模转换器，然后输出给光电二极管跨导放大电路的输入，从而达到光电二极 管跨导放大电路的输出电压调零的目的。
[0004] 但是，现有技术的该种电路存在W下缺点：
[0005] 1、由于使用了数字元件（单片机），导致额外加入了噪声，会使光电二极管的测距 范围变小，从而会使测距的距离显著得变短；
[0006] 2、加入了较多额外的元件，导致成本比较高；
[0007] 3、整体电路的面积比较大，不利于产品的小型化。
【发明内容】
[0008] 本发明针对现有技术使用的光电二极管电路中存在的额外加入噪声导致测距范 围变小、元件较多导致成本较高、整体电路面积较大导致不利于产品小型化等技术问题，提 出一种能够显著降低噪声、成本较低、整体电路面积较小的基于背景噪声消除的光电二极 管电路。
[0009] 本发明提出的一种基于背景噪声消除的光电二极管电路，其包括光电二极管跨导 放大模块、运放积分器模块、滤波模块，所述滤波模块接于所述光电二极管跨导放大模块的 输出端W及所述运放积分器模块的输入端，所述运放积分器模块的输出端接于所述光电二 极管跨导放大模块的输入端。
[0010] 具体的，所述运放积分器模块包括第一运算放大器、第一电容、第一电阻和第二电 阻；所述第一电容接于所述第一运算放大器的反相输入端和输出端之间；所述第一电阻一 端接于所述第一运算放大器的反相输入端，另一端接地；所述第二电阻一端接于所述第一 运算放大器的的输出端，另一端接于所述光电二极管跨导放大模块的输入端；所述第一运 算放大器的同相输入端接于所述滤波模块的输出端。
[0011] 具体的，所述光电二极管跨导放大模块包括光电二极管、第二运算放大器、第H电 阻和第二电容；所述光电二极管的阴极接入偏置电压，阳极接于所述第二运算放大器的反 相输入端；所述第H电阻和第二电容并联后接于所述第二运算放大器的反相输入端和输出 端之间；所述第二运算放大器的反相输入端还与所述第二电阻相接，输出端还与所述滤波 板块的相接。
[0012] 具体的，所述滤波模块包括第H电容和第四电阻；所述第H电容一端接地，另一端 分别与所述第一运算放大器的同相输入端、W及所述第四电阻的一端相接，所述第四电阻 的另一端与所述第二运算放大器的输出端相接。
[0013] 具体的，所述光电二极管为雪崩光电二极管。
[0014] 相应的，本发明相应提出了一种激光测距系统，其包括上述任一基于背景噪声消 除的光电二极管电路。
[0015] 有益效果；本发明提出的一种基于背景噪声消除的光电二极管电路，其采用了运 放积分器模块，能够对光电二极管跨导放大模块输出的直流偏置进行积分，并送回给光电 二极管跨导放大模块的输入端，W达到消除直流偏置的目的。同时，本发明中的滤波模块可 W滤除掉光电二极管跨导放大模块输出端的高频噪声（高频噪声主要是脉冲信号本身）， 从而使运放积分器不受该高频噪声的影响。
[0016] 本发明中运放积分器模块可W仅使用运算放大器、电容和电阻，滤波电路可W仅 使用电容和电阻，整个电路没有使用数字元件，不会带来额外噪声，可W很大程度提高电路 的信噪比，增大测距范围；同时由于只使用到运算放大器、电阻和电容，成本相对现有技术 降低了许多，而且整体电路面积也大大减少，从而有利于产品的小型化。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是现有技术中基本的光电二极管跨导放大电路结构示意图。
[0018] 图2是现有技术中光电二极管跨导放大电路的输出存在背景噪声时W及不存在 背景噪声时的波形比较图。
[0019] 图3是现有技术中使用的能够消除背景噪声的光电二极管电路结构示意图。
[0020] 图4是本发明提出的一种基于背景噪声消除的光电二极管电路实施例的结构示 意图。
[0021] 图5是基于图4的电路结构的MTLAB仿真结果示意图。
【具体实施方式】
[0022] 为了便于本领域技术人员理解，下面将结合附图W及实施例对本发明进行进一步 描述。
[0023] 请参阅图4,本发明提出的一种基于背景噪声消除的光电二极管电路实施例，其包 括光电二极管跨导放大模块、运放积分器模块、滤波模块，所述滤波模块接于所述光电二极 管跨导放大模块的输出端W及所述运放积分器模块的输入端，所述运放积分器模块的输出 端接于所述光电二极管跨导放大模块的输入端。
[0024]本实施例提出的一种基于背景噪声消除的光电二极管电路，其采用了运放积分器 模块，能够对光电二极管跨导放大模块输出的直流偏置进行积分，并送回给光电二极管跨 导放大模块的输入端，W达到消除直流偏置的目的。同时，本实施例中的滤波模块可W滤除 掉光电二极管跨导放大模块输出端的高频噪声（高频噪声主要是脉冲信号本身），从而使 运放积分器不受该高频噪声的影响。
[00巧]本实施例中运放积分器模块可W仅使用运算放大器、电容和电阻，滤波电路可W仅使用电容和电阻，整个电路没有使用数字元件，不会带来额外噪声，可W很大程度提高电 路的信噪比，增大测距范围；同时由于只使用到运算放大器、电阻和电容，成本相对现有技 术降低了许多，而且整体电路面积也大大减少，从而有利于产品的小型化。
[0026]为了更好地实现本实施例的目的，本实施例针对所述运放积分器模块做了优化设 计，具体的，所述运放积分器模块包括第一运算放大器U1、第一电容CU第一电阻Rl和第二 电阻R2 ;所述第一电容Cl接于所述第一运算放大器Ul的反相输入端和输出端之间；所述 第一电阻Rl-端接于所述第一运算放大器Ul的反相输入端，另一端接地；所述第二电阻 R2 -端接于所述第一运算放大器Ul的的输出端，另一端接于所述光电二极管跨导放大模 块的输入端；所述第一运算放大器Ul的同相输入端接于所述滤波模块的输出端。
[0027] 本实施例中，所述光电二极管跨导放大模块可W是最基本的光电二极管跨导放大 电路，具体的，其包括光电二极管LD、第二运算放大器U2、第H电阻R3和第二电容C2 ;所述 光电二极管LD的阴极接入偏置电压，阳极接于所述第二运算放大器U2的反相输入端；所述 第H电阻R3和第二电容C2并联后接于所述第二运算放大器U2的反相输入端和输出端之 间；所述第二运算放大器U2的反相输入端还与所述第二电阻R2相接，输出端还与所述滤波 板块的相接。
[0028]为了进一步更好地实现本实施例的目的，本实施例中所述滤波模块可W是普通的RC低通滤波器，具体的，本实施例的滤波模块包括第H电容C3和第四电阻R4 ;所述第H电 容C3-端接地，另一端分别与所述第一运算放大器Ul的同相输入端、W及所述第四电阻R4 的一端相接，所述第四电阻R4的另一端与所述第二运算放大器U2的输出端相接。
[0029] 本实施例中，所述光电二极管LD可W是雪崩光电二极管。
[0030] 基于上述运放积分器模块、光电二极管跨导放大模块W及滤波模块的具体电路结 构，W下进行电路分析，W进一步详细介绍实现本实施例目的的过程。
[0031]请继续参阅图4,本实施例中，将第一运算放大器Ul和第二运算放大器U2当作理 想的运算放大器。由于使用了电容该种储能元件，故W下采用S域分析方法，大写的变量均 代表S域函数，小写的变量均为实数，电阻和电容符号均代表实数。
[0032]为了简化计算，第二电容C2(滤波电容）不计入推导。第一电容Cl(积分电容） 在推导中简化为C，第一电阻RU第二电阻R2、第H电阻R3和第四电阻R4的阻值分别记为 馬、尺2、尺3和尺4，贝1]:
[0033] 光电二极管跨导放大模块的输出电压V。为：
[0034] V。=-Ii?Rs
[00巧]流过第一电容Cl的电流等于流过第一电阻Rl的电流，该电流Ii为：
【权利要求】
1. 一种基于背景噪声消除的光电二极管电路，其特征在于，包括光电二极管跨导放大 模块、运放积分器模块、滤波模块，所述滤波模块接于所述光电二极管跨导放大模块的输出 端以及所述运放积分器模块的输入端，所述运放积分器模块的输出端接于所述光电二极管 跨导放大模块的输入端。
2. 根据权利要求1所述的基于背景噪声消除的光电二极管电路，其特征在于，所述运 放积分器模块包括第一运算放大器、第一电容、第一电阻和第二电阻；所述第一电容接于所 述第一运算放大器的反相输入端和输出端之间；所述第一电阻一端接于所述第一运算放大 器的反相输入端，另一端接地；所述第二电阻一端接于所述第一运算放大器的的输出端，另 一端接于所述光电二极管跨导放大模块的输入端；所述第一运算放大器的同相输入端接于 所述滤波模块的输出端。
3. 根据权利要求2所述的基于背景噪声消除的光电二极管电路，其特征在于，所述光 电二极管跨导放大模块包括光电二极管、第二运算放大器、第三电阻和第二电容；所述光电 二极管的阴极接入偏置电压，阳极接于所述第二运算放大器的反相输入端；所述第三电阻 和第二电容并联后接于所述第二运算放大器的反相输入端和输出端之间；所述第二运算放 大器的反相输入端还与所述第二电阻相接，输出端还与所述滤波模块的相接。
4. 根据权利要求3所述的基于背景噪声消除的光电二极管电路，其特征在于，所述滤 波模块包括第三电容和第四电阻；所述第三电容一端接地，另一端分别与所述第一运算放 大器的同相输入端、以及所述第四电阻的一端相接，所述第四电阻的另一端与所述第二运 算放大器的输出端相接。
5. 根据权利要求3所述的基于背景噪声消除的光电二极管电路，其特征在于，所述光 电二极管为雪崩光电二极管。
6. -种激光测距系统，其特征在于，包括权利要求1至5任一项所述的基于背景噪声消 除的光电二极管电路。
【文档编号】G01C3/02GK104359455SQ201410728279
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年12月3日 优先权日:2014年12月3日
【发明者】张石, 鲁佶 申请人:张石