一种前置交流放大器及其应用的制作方法

本发明属于电子电路领域，具体涉及一种前置交流放大器及其应用。

背景技术：

光电探测器广泛应用于民用、军用以及科研等领域中。光电二极管和光电三极管是光电探测器中最为核心的部分，其将光信号转化成容易测量的电压或者电流物理量，以达到信息的提取、传送、交换和存储等目的。其中，对于信号的选频和放大等处理是至关重要的。

近年，原子磁强计、陀螺仪和原子钟等精密量子测量技术的得到快速发展，但是也离不开对于光电信号的提取和处理。现阶段信号探测器比较主流的是通过传感器将物理信号转化为交流电信号，经过前置放大器电路进行放大，最终将信号输出进行显示或者采集后进行后续处理分析。然而，对于同时包含直流和交流信号处理时主要存在以下问题：一、利用运算放大器对交流信号进行放大一定程度会引入噪音，降低信噪比。二、利用运算放大器对交流信号放大的同时也会相同增益的放大直流信号，无法实现只对特征频率交流信号的放大，另外功耗较大。三、对于较高频率的交流信号的放大局限于运算放大器的增益带宽积。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，提供一种前置交流放大器及其应用。

为实现上述目的，本发明的第一方面提供了一种前置交流放大器，所述前置交流放大器用于获得高增益的交流信号同时避免对直流信号放大，其包括高增益电路；

所述高增益电路包括：电感l1、电容c1、光电二极管d1、电源vcc；

其中，光电二极管d1得到的光电流通过电感l1和电容c1组成的并联谐振对光电流进行选频和放大。

本发明的第二方面提供了一种交流信号选频方法，所述方法使用根据第一方面所述的前置交流放大器对交流信号进行选频。

根据本发明第二方面的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)光电二极管d1探测到光信号形成的电流信号，其中包含交流部分和直流部分；

(2)通过电感l1和电容c1谐振电路实现对交流电信号到电压信号的高增益转换，同时不会对直流信号进行作用。

本发明的第三方面提供了一种交流信号放大方法，所述方法使用根据第一方面所述的前置交流放大器对交流信号进行放大。

根据本发明第三方面的方法，其中，所述交流信号为固定频率区间交流信号。

本发明的第四方面提供了一种超高灵敏度磁强计，所述磁强计包含如第一方面所述的前置交流放大器，其采集交流信号的信噪比为-100db以上，优选为-50db以上，更优选为-24db以上，最优选为-18db以上。

根据本发明第四方面的磁强计，其中，所述前置交流放大器位于所述磁强计的信号采集和后处理部分

根据本发明第四方面的磁强计，其中，所述磁强计还包括：光路部分、原子气室加热部分、剩磁补偿部分。

本发明的第五方面提供了根据第一方面所述的前置交流放大器在制备用于交流信号放大产品中的应用。

根据本发明第五方面的应用，其中，所述应用选自以下一种或多种领域：冷原子物理，精密测量，自动控制，航空和/或医疗。

本发明的目的是在结构简单、功耗低的基础下，最大限度地放大交流信号强度，提高信噪比。本发明的目的如下：1、交流信号获得足够高的增益。2、避免对直流信号放大产生饱和影响信号采集。3、自主选择所需放大频率和带宽。本发明利用lc谐振放大探测技术，相对之前的技术，实现了对直流信号的截止，同时对目标频率的信号实现足够性能的放大，同时还可自主调节信号带宽，实现目标信号区间的增益放大。最终实现足够高的信噪比。

本发明的前置交流放大器可以具有但不限于以下有益效果：

1、使用此交流放大技术可以简化系统，同时实现对直流信号隔断，对交流信号实现足够高的增益，同时调节品质因子实现带宽的控制，从而达到对所需信号区间足够的增益。

2、此发明主要应用于对固定频率区间交流信号放大的领域，有效提高信噪比。同时在任何需要对固定频率区间的信号放大的领域，本方案都可进行使用，在冷原子物理，精密测量，自动控制，航空以及医疗等领域都将会有广泛的应用。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：

图1示出了本发明前置交流放大器的电路原理示意图。

图2示出了常用的偏压式光电放大器的电路原理示意图。

图3示出了单光调制方案原子磁强计原理示意图。

图4示出了试验例1中偏压式探测器探测信号。

图5示出了试验例1中交流放大器探测信号。

附图标记：

1、调零端；2、信号负向输入端；3、信号正向输入端；4、负电源供电端；5、运放调零端；6、信号输出端；7、正电源供电端；8、无效端；9、光路部分；10、原子气室加热部分；11、剩磁补偿部分；12、信号采集和后处理部分。

具体实施方式

下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

本部分对本发明试验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本发明目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本发明仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本发明所用材料和操作方法是本领域公知的。

以下实施例中使用的材料和仪器如下：

材料：

lf356n、相关电容和电阻等，均购自深圳市允易达电子有限公司；

光电二极管(photodetector)，购自滨松光子学商贸(中国)有限公司型号：s5980；

±12v线性电压，购自航天长峰朝阳电源有限公司，型号：4nic-x24。

实施例1

本实施例用于说明本发明前置交流放大器的电路结构。

图1为本发明的电路原理示意图，图2为常用的偏压式光电放大器的电路原理示意图。本发明电路包括：电源vcc、电容c1、电感l1、光电二极管d1，其核心是将光电二极管d1探测的光信号转换成相应的电流信号，然后通过电感l1和电容c1组成的并联谐振对光电流进行选频和放大。

光电探测器将光信号转换成电流信号，其中包含需要放大的交流信号部分和额外的直流部分。根据电感l和电容c谐振原理，首先共振频率即选择的频率ω＝1/√lc，从而实现了隔直流信号效果，选择交流信号的目的。其次，由于电感的固有电阻r的存在，谐振电路品质因子q＝1/r*√l/c，带宽δf＝w/q，从而可以调节电路品质因子实现对带通的控制。最后，lc谐振电路在共振频率点处等效于高负载电阻，从而实现交流信号的高增益放大。

本发明交流放大器相比于普遍使用的偏压式光电探测系统存在以下优点：首先，本发明交流放大器实现了对交流信号的高增益放大，对直流隔直的效果；其次，避免了运算放大器使用引入的额外的噪音，降低信噪比；再者，此发明电路结构简单，灵活改变电感和电容参数即可广泛应用于各小型化精密测量装置数据后处理部分中；最后，本发明适用于高频信号处理中，不受运算放大器增益带宽积的限制。

实施例2

本实施例用于说明本发明前置交流放大器在磁强计中的应用。

图3示出了单光调制方案原子磁强计原理。

磁强计包括光路部分9、原子气室加热部分10、剩磁补偿部分11、信号采集和后处理部分12、其中本发明前置交流放大器属于信号采集和后处理部分。

试验例1

本对比例用于说明本发明前置交流放大器的放大效果。

图4和图5分别示出了偏压式光电放大器和本发明前置交流放大器对同一信号的放大效果。

偏压式光电探测器是将光电二极管探测的光电流信号(包含直流和交流)利用运算放大器和电阻将电流信号转换成电压信号实现放大，此时由于直流信号也进行放大，所以为避免超出电压信号饱和此时交流信号不能更进一步放大。

然而，交流放大器是通过电感l1和c1进行选频，即只将交流部分信号进行转换成电压信号。从偏压式放大器和交流放大器信号进行锁相放大器解调得到的色散信号对比知道，交流放大器得到的色散信号信噪比更好。

尽管本发明已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本发明的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本发明不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。