一种四象限探测器信号放大电路的制作方法

本发明涉及光电探测器信号处理领域，尤其涉及一种四象限探测器信号放大电路。

背景技术：

四象限探测器以其高频谱响应范围、高定位精度、解算速度快等优点，广泛应用于激光准直、激光对中、激光导向、激光制导、激光告警、激光侦察、激光自动跟踪等领域中。四象限探测器是将四个性能几乎完全一样的光电管按四象限分布的形式集成而成，利用四个象限输出的光信号大小按一定算法计算定位光斑。四象限探测器用于激光雷达等激光探测应用中，激光回波信号往往很弱，激光重复频率高，激光脉宽窄，激光雷达往往要求大的探测动态范围，因此四象限探测器信号放大电路要求高增益、高响应带宽、高动态范围。然而在现有技术中，采用一级放大结构无法满足要求，一般采用多级放大和增益控制方法，但技术较为复杂。

另外，四象限光电探测器信号处理还可以采用以峰值检测电路和峰值保持电路为核心的脉冲信号展宽及采集方式进行工作，在目标指示器脉冲激光的照射下，四象限光电探测器输出窄脉冲电信号，窄脉冲电信号经过前置放大和滤波以满足数据采集的幅度和信噪比要求。峰值检测电路的作用是检测窄脉冲电信号的峰值，为模数转换器提供准确的峰值采样时刻。信号处理单元接收到模数转换器输出的脉冲信号幅值数字量后控制放电电路对峰值保持电路中的储能电容进行放电，然后对脉冲信号幅值数字量进行计算和处理，得到光斑中心位置信息并输出至上位机控制系统。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供四象限探测器信号放大电路，用于解决现有四象限光电探测器对微弱光信号无法实现高增益和高带宽的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种四象限探测器信号放大电路，包括四象限探测器和与所述四象限探测器依次连接的跨阻放大器、电压放大电路和限幅放大电路，所述四象限探测器将光信号转化为电流信号分别经跨阻放大器、电压放大电路和限幅放大电路进行信号放大。

进一步地，所述跨阻放大器由光电二极管d1、电阻r1、电阻r2、电阻rf、电容ci、电容ci、电容c2、电容cf和运算放大器a1组成，所述四象限探测器的偏置电压输入光电二极管d1的正极，光电二极管d1的负极分别连接电阻r1、电容ci和电容ci的一端，电容ci的另一端连接运算放大器a1输入端负极，电阻r1、电容ci的另一端接地，所述电阻r2和电容c3并联后一端连接运算放大器a1输入端正极，另一端接地，所述电阻rf和电容cf并联后连接在运算放大器a1输入端负极和输出端的两端，所述运算放大器a1输出端连接电压放大电路。

进一步地，所述电压放大电路包括高速运算放大器d2，电阻r12至电阻r15，电容c34至电容c41，所述高速运算放大器d2的型号为ada4899，所述运算放大器a1的输出端连接高速运算放大器d1输入端正极，高速运算放大器d2输入端正极经电阻r15接地，所述电阻r12、电阻r13和电容c34组成反馈网络电路，电阻r12和电容c34并联后一端连接高速运算放大器d2的反馈端，另一端分别连接电阻r13和高速运算放大器d2的输入端负极，所述电容c38、电容c39、电容c40和电容c41的一端连接运算放大器d2电压端负极，电容c35和电容c36的一端连接运算放大器d2电压端正极和disb端，电阻r14的一端连接运算放大器d2输出端，电阻r14、电阻r13、电容c35、电容c36、电容c38至电容c41的另一端接地，所述运算放大器d2输出端经电容c37连接限幅放大电路。

进一步地，所述限幅放大电路包括宽带高增益限压放大器u3、电阻r25至电阻r33，电容c61至电容c67和sam接头，所述宽带高增益限压放大器u3的型号为opa699，所述电阻r27和电容c62并联后一端连接宽带高增益限压放大器u3输入端负极和电阻r28的一端，另一端连接宽带高增益限压放大器u3输出端，所述电阻r29、电容c65、电容c66和电阻r32的一端连接宽带高增益限压放大器u3电压端负极，所述电阻r32的另一端、电阻r33和电容c67的一端连接宽带高增益限压放大器u3低电位端，所述电阻r25、电阻r26和电容c61的一端连接宽带高增益限压放大器u3高电位端，电阻r26的另一端、电容c63和电容c64的一端连接宽带高增益限压放大器u3电压端正极，宽带高增益限压放大器u3输出端经电阻r30连接sam接头，所述电阻r31的一端连接电阻r29，所述电阻r31、电阻r28、电阻r25、电阻r33、电容c61、电容c63至电容c67的另一端接地。

进一步地，所述电阻r1为限流电阻，电容ci为寄生输入总电容，电容ci为交流耦合电容，运算放大器a1低频段的噪声电压增益为1+电阻rf值/电阻r1值，运算放大器a1高频段的噪声电压增益为1+(电容ci值//电容cl值)/电容cf值。

进一步地，本信号放大电路还包括电源电路和与所述电源电路连接的低噪声稳压电路，用于给信号放大电路提供电源，所述电源电路包括型号为lt1931负输出稳压器和型号为mp1593降压型电源模块，所述负输出稳压器用于将外部12v电源电压转换为-6v电压输出，所述降压型电源模块用于将外部12v电源电压转换为5v电压输出，所述低噪声稳压电路采用型号为tps7a4700和tps7a3301的低压降线性稳压器，分别对降压型电源模块输出的5v电压进行稳压和对负输出稳压器输出的-6v电压稳压至-5v电压。

本发明的四象限探测器信号放大电路，首先采用跨阻放大器，通过交流耦合，限制光电二极管的直流噪声，正向端电阻用于补偿光电二极管漏电流，并与其并联的电容用于消减电阻热噪声，提高信噪比；再通过电压放大电路的反馈网络控制信号的放大倍数，最后通过限幅放大电路，采用宽带高增益限压放大器实现限幅放大并通过反馈网络决定放大倍数，实现高增益和高带宽的效果。

附图说明

图1是本发明一实施例中四象限探测器信号放大电路的原理框图；

图2是本发明一实施例中跨阻放大器的示意图；

图3是本发明一实施例中电压放大电路的电路图；

图4是本发明一实施例中限幅放大电路的电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

本发明的一种四象限探测器信号放大电路，如图1，包括四象限探测器和与四象限探测器依次连接的跨阻放大器、电压放大电路和限幅放大电路，四象限探测器的四象限经光电转换后的电流输出信号分别传输至跨阻放大器、电压放大电路和限幅放大电路进行信号放大。

在一实施例中，如图2，跨阻放大器由光电二极管d1、电阻r1、电阻r2、电阻rf、电容ci、电容ci、电容c2、电容cf和运算放大器a1组成。四象限探测器的偏置电压输入光电二极管的正极，光电二极管的负极分别连接电阻r1、电容ci和电容ci的一端，电容ci的另一端连接运算放大器输入端负极，电阻r2和电容c3并联后一端连接运算放大器输入端正极，电阻rf和电容cf并联后连接在运算放大器输入端负极和输出端的两端，电阻r1、电容ci、电阻r2和电容c3并联的另一端接地，运算放大器输出端连接电压放大电路。

其中，运算放大器a1的型号为opa657，电阻r1为限流电阻，阻值为100k，电容ci为寄生输入总电容，电容ci为交流耦合电容，电容值为0.1uf，运算放大器a1低频段的噪声电压增益为1+电阻rf值/电阻r1值，由于电阻rf值和电阻r1值相近，所以，低频段噪声增益较大，运算放大器a1高频段的噪声电压增益为1+(电容ci值//电容cl值)/电容cf值。采用交流耦合，限制光电二极管的直流噪声，运算放大器正向端电阻用于补偿光电二极管漏电流，用于消减电阻热噪声。

在一实施例中，如图3，电压放大电路包括高速运算放大器d2，电阻r12至电阻r15，电容c34至电容c41。高速运算放大器d2的型号为ada4899，运算放大器a1的输出端连接高速运算放大器d2输入端正极，高速运算放大器d2输入端正极经电阻r15接地，所述电阻r12、电阻r13和电容c34组成反馈网络电路，电阻r12和电容c34并联后一端连接高速运算放大器d2的反馈端，另一端分别连接电阻r13和高速运算放大器d2的输入端负极，所述电容c38、电容c39、电容c40和电容c41的一端连接运算放大器d2电压端负极，电容c35和电容c36的一端连接运算放大器d2电压端正极和disb端，电阻r14的一端连接运算放大器d2输出端，电阻r14、电阻r13、电容c35、电容c36、电容c38至电容c41的另一端接地，运算放大器d2输出端经电容c37连接限幅放大电路。其中，电阻r12的阻值为200k，电阻r13的阻值为49.9k，电容c34的电容值为100pf，通过电阻r12、电阻r13和电容c34构成的反馈网络决定电压放大电路的放大倍数。

在一实施例中，如图4，限幅放大电路包括宽带高增益限压放大器u3、电阻r25至电阻r33，电容c61至电容c67和sam接头，所述宽带高增益限压放大器u3的型号为opa699，所述电阻r27和电容c62并联后一端连接宽带高增益限压放大器u3输入端负极和电阻r28的一端，另一端连接宽带高增益限压放大器u3输出端，所述电阻r29、电容c65、电容c66和电阻r32的一端连接宽带高增益限压放大器u3电压端负极，所述电阻r32的另一端、电阻r33和电容c67的一端连接宽带高增益限压放大器u3低电位端，所述电阻r25、电阻r26和电容c61的一端连接宽带高增益限压放大器u3高电位端，电阻r26的另一端、电容c63和电容c64的一端连接宽带高增益限压放大器u3电压端正极，宽带高增益限压放大器u3输出端经电阻r30连接sam接头，所述电阻r31的一端连接电阻r29，所述电阻r31、电阻r28、电阻r25、电阻r33、电容c61、电容c63至电容c67的另一端接地。

在限幅放大电路中，采用型号为opa699的宽带高增益限压放大器实现限幅放大，电阻r27和电阻r28构成反馈网络回路，决定放大倍数。限制幅度由电阻r33和电阻r25上的电压决定，限幅放大电路输出采用50欧姆的sma接头，为阻抗匹配，在宽带高增益限压放大器u3输出端和sma接头之间串联49欧姆电阻r30。

本发明的四象限探测器信号放大电路还包括电源电路和与电源电路连接的低噪声稳压电路，用于给信号放大电路提供电源。其中，电源电路包括型号为lt1931负输出稳压器和型号为mp1593降压型电源模块，负输出稳压器用于将外部12v电源电压转换为-6v电压输出，降压型电源模块用于将外部12v电源电压转换为5v电压输出，低噪声稳压电路采用型号为tps7a4700和tps7a3301的低压降线性稳压器，分别对降压型电源模块输出的5v电压进行稳压和对负输出稳压器输出的-6v电压稳压至-5v电压。

本发明的四象限探测器信号放大电路，通过外部系统将偏压温度补偿和高压输入至四象限探测器，四象限探测器的四象限经光电转换后的电流输出信号，首先采用跨阻放大器，通过交流耦合，限制光电二极管的直流噪声，正向端电阻用于补偿光电二极管漏电流，并与其并联的电容用于消减电阻热噪声，提高信噪比；再通过电压放大电路的反馈网络电路控制信号的放大倍数，最后通过限幅放大电路，采用宽带高增益限压放大器实现限幅放大，从而实现高增益、高带宽的有益效果。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应含在本发明的保护范围之内。