一种自动反馈调节的平衡探测器

1.本发明涉及光电探测器技术领域，具体地，涉及一种自动反馈调节的平衡探测器。


背景技术：

2.平衡探测技术具有低噪声和高灵敏度的优势，被广泛应用在量子噪声测量、光谱测量、外差探测、太赫兹探测等领域。传统的平衡探测器设计了对称的光电检测电路，通过两个光电二极管进行光电信号转换，当两个光电管的响应参数不对称时会导致光电转换过程中引入噪声从而影响精确度，对于器件和光电管两端的电压的全同性要求也很高，因此，设计一款高对称性平衡探测器电路成为当前研究人员关键的课题。
3.另外，高增益高宽带也是衡量平衡探测器性能的关键指标，一般采用的跨阻放大电路适用于低频范围，其增益和带宽之间存在矛盾，在增加其带宽的同时会导致其增益降低。因此一级放大的平衡探测器电路不能满足同时提高电路增益和带宽的要求，所以设计多级放大电路也是目前研究需要解决的问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提供一种有效抑制共模噪声、实现高带宽高增益光电探测的自动反馈调节的平衡探测器。
5.为解决上述问题，本发明的技术方案为：
6.一种自动反馈调节的平衡探测器，所述平衡探测器包括光电检测电路、监控电路、电压反馈调节电路、跨阻放大电路以及电压放大电路，所述光电检测电路包括两个串联的光电二极管，在两个串联的光电二极管连接节点处获取差值电流，并将差值电流信号输入到所述跨阻放大电路的输入端，通过跨阻放大电路将电流信号转化为电压信号后输出给电压放大电路，通过电压放大电路实现电压信号的放大并输出，所述监控电路用于监控光电二极管的两边电压，并将电压信号输入给电压反馈调节电路中的电压比较器，通过电压比较器比较所述电压信号，通过电压反馈调节电路的输出电压来调节光电检测电路中的电压。
7.可选地，所述光电检测电路包括两个型号、性能参数都完全相同的第一光电二极管、第二光电二极管，通过光电二极管将采集到的光信号转换为电流信号后输出给所述跨阻放大电路，实际输出的电流信号为两个光电二极管输出电流信号的差值。
8.可选地，所述两个光电二极管为具有暗电流和结电容小以及高响应度的pin光电二极管，所述第一光电二极管的阴极串联电阻后连接10v的正电压，所述第二光电二极管的阳极串联电阻后连接-10v的负电压。
9.可选地，所述跨阻放大电路用于将电流信号转换成电压信号，所述跨阻放大电路的反相端并联反馈电阻和反馈电容，所述跨阻放大电路的同相端通过电阻后接地。
10.可选地，所述电压放大电路采用运算放大器构成的比例放大电路，所述电压放大电路的反相端通过滤波电容与跨阻放大电路的输出端相连，所述电压放大电路的同相端通
过下拉电阻后接地，电压放大电路的输出端输出放大后的电压信号。
11.可选地，所述监控电路包括两路结构完全相同的差动放大器，分别监控与两个光电二极管串联的电阻两端的电压信号并输出。
12.可选地，所述电压反馈调节电路包括电压比较器和电压数模转换芯片，所述电压信号输入给所述电压反馈调节电路中的电压比较器，通过电压比较器进行比较，当两路监控电压不相等时通过电压数模转换芯片输出电压进行电压反馈来调节光电检测电路中电压。
13.可选地，将监控到的负电压先通过电压反相跟随器转换成正电压后与电压比较器输入端相连，通过电压比较器进行比较。
14.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
15.1、光电二极管两端的偏置电压通过监控电路和电压反馈调节电路调节，可以实现电压实时监控并通过电压比较器对两路电压进行比较，出现压差时自动反馈调节光电二极管两端的电压，使得两端电压一直保持相等，更好的实现了探测器的对称和平衡，减少共模噪声和电子学噪声影响，优化平衡探测器的性能。
16.2、通过跨阻放大电路和电压放大电路的相结合的两级放大电路设计，提高了电路输出信号的电压增益和带宽，因为放大器的增益带宽积是一个定值，扩大电路的增益就会导致带宽减小，不能满足实际需求，两级放大电路的设计避免了增益带宽积的限制。
附图说明
17.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
18.图1为本发明实施例提供的自动反馈调节的平衡探测器的结构框图；
19.图2为本发明实施例提供的自动反馈调节的平衡探测器的电路连接示意图；
20.图3为本发明实施例提供的自动反馈调节的平衡探测器的两级放大部分电路原理图。
具体实施方式
21.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
22.图1为本发明实施例提供的一种自动反馈调节的平衡探测器结构框图，图2为本发明实施例提供的一种自动反馈调节的平衡探测器电路连接示意图，如图1和图2所示，所述平衡探测装置包括光电检测电路1、监控电路2、电压反馈调节电路3、跨阻放大电路4以及电压放大电路5。
23.所述光电检测电路1包括两个型号、性能参数都完全相同的高灵敏度、高速响应特性的第一光电二极管11、第二光电二极管12，将所述两个光电二极管串联电阻后与直流电源连接，通过光电二极管将采集到的光信号转换为电流信号后输出，实际输出的电流信号为两个光电二极管输出电流信号的差值。所述两个光电二极管为具有暗电流和结电容小以
及高响应度优点的pin光电二极管，该光电二极管为2.5ghz带宽。电路中第一光电二极管11和第二光电二极管12串联，利用pin光电二极管反向偏置的工作原理，在第一光电二极管11的阴极串联电阻后连接10v的正电压，第二光电二极管12的阳极串联电阻后连接-10v的负电压，利用基尔霍夫电流定律在第一光电二极管11的阳极与第二光电二极管12阴极连接节点处获取两串联光电二极管的电流差值，输出的差值电流信号与跨阻放大电路4的输入端相连接。
24.所述监控电路2用于采集光电二极管串联电阻两端的电压信号，实时监控与光电二极管串联电阻两端电压，并将电压信号输入给所述电压反馈调节电路3中电压比较器。所述监控光电二极管两端电压信号的监控电路2由精密差动放大器构成，一个差动放大器的同相端和反相端分别接在与第一光电二极管11的阴极相连接的负载电阻r1两端，另外一个差动放大器的同相端和反相端分别接在与第二光电二极管12的阳极相连接的负载电阻r12两端。两路由差动放大器组成的监控电路的结构完全相同，供电电源为
±
5v。
25.所述电压自动反馈调节电路3将监控到的电压信号通过电压比较器进行比较，监控到的负电压需要先通过电压反相跟随器6转成正电压后与电压比较器输入端相连，出现压差时电压比较器经由可编程的电压数模转换芯片反馈输出电压来调节光电检测电路中电压，从而使光电二级管两端电压保持相同，实现电路对称性。
26.如图3所示，所述跨阻放大电路4选用8ghz增益带宽、双极输入运算放大器芯片opa855idsgr，运算放大器的反相端并联反馈电容c8与反馈电阻r2。反馈电阻r2用于增大电路的增益，电路的增益与r2的阻值有关，反馈电容c8用于改善探测器的频率响应特征。运算放大器的同相端通过电阻r11后接地。
27.所述电压放大电路5是由opa855idsgr芯片及其外围电路组成，电压放大电路5的反相端通过滤波电容c9与跨阻放大电路4的输出端相连。该opa855idsgr芯片反相输入端连接并联的电阻r3与r6构成比例放大电路，电压放大倍数为r3/r6。同相端通过下拉电阻r10后接地。
28.在本实施例中，采用跨阻放大电路4和电压放大电路5相结合的两级放大的设计思路，从跨阻放大电路4实现电流-电压转换后输出的电压信号与由高增益运算放大器组成的电压放大电路5的反相端相连接，进行电压放大后可在输出端检测到放大后的电压信号。
29.另外，由两路监控电路2监控到电压信号输出后通过电压比较器进行比较，因为理论上要保证平衡探测器的平衡性能和电路结构的对称性，必须保证光电二极管两端的电压大小完全相等。从负电压供电端监控到的电压信号先通过反相跟随器将负电压转换成正电压后与电压比较器的输入端相连接。当电压比较器的同相端电压大于反相端端电压时，电压比较器的输出端输出高电平电压，当同相端电压小于反相端端电压时，电压比较器的输出端输出低电平电压。出现电压差时，电压反馈调节电路3开始工作，通过电压反馈调节电路3的输出电压动态调节光电二极管两端的偏置电压，使光电二极管获得一致的响应参数，从而实现探测器的平衡测量目的。
30.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
31.1、光电二极管两端的偏置电压通过监控电路和电压反馈调节电路调节，可以实现电压实时监控并通过电压比较器对两路电压进行比较，出现压差时自动反馈调节光电二极管两端的电压，使得两端电压一直保持相等，更好的实现了探测器的对称和平衡，减少共模
噪声和电子学噪声影响，优化平衡探测器的性能。
32.2、通过跨阻放大电路和电压放大电路的相结合的两级放大电路设计，提高了电路输出信号的电压增益和带宽，因为放大器的增益带宽积是一个定值，扩大电路的增益就会导致带宽减小，不能满足实际需求，两级放大电路的设计避免了增益带宽积的限制。
33.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。