專利名稱：光電二極管放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到光電二極管放大器，更具體地說，其涉及到使用標(biāo)準(zhǔn)電壓源進(jìn)行光電二極管放大和噪聲減小的設(shè)備、方法、以及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光電二極管應(yīng)用在多種應(yīng)用場(chǎng)合如生物和化學(xué)分析以及光通信系統(tǒng)中的信號(hào)檢測(cè)。許多資料證明電噪聲是一種自然現(xiàn)象，具有各種相關(guān)和不相關(guān)的作用來源。如所屬領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的那樣，信噪比(SNR)是這種系統(tǒng)質(zhì)量的一個(gè)重要決定因素。最好是SNR＞＞1。
參看圖1，光電二極管放大電路100具有一個(gè)阻值極大的電阻(“R”)，對(duì)給定增益來說，它產(chǎn)生出比含有較小“R”的電路更好的SNR以及建立同樣端到端增益的后繼增益級(jí)。對(duì)此有幾個(gè)原因，如光電二極管阻抗與放大器102的相互作用。另一值得注意的原因是在使放大器102放大的熱噪聲減至最小的同時(shí)得到了最大的信號(hào)放大。
電阻器“R”的均方根(RMS)熱噪聲計(jì)算為√(4kTR)/√(Hz)毫微伏rms式中k＝玻耳茲曼常數(shù)＝1.33×1023T＝開氏溫度R＝增益電阻器的歐姆值在室溫下，方程就是√((1.6×10E-20)×R)因此，當(dāng)R增加到G倍時(shí)，信號(hào)就直接增加到G倍，但熱噪聲只增加到√(G)倍。由于(R×G)＞√(R×G)，數(shù)值大的G給出(R×G)＞＞√(R×G)如果將SNR看成是SNR＝(R)/√(R)，那么從極限的觀點(diǎn)著，SNR就隨著R的增大而增大。因此，理想的情況是使“R”尺可能地大。
還有一些次要原因要使“R”大，但一些實(shí)際原因又不能使“R”過大。這是由于當(dāng)“R”增大到很大倍數(shù)時(shí)會(huì)有另外一些現(xiàn)象處于支配地位。當(dāng)用在光電二極管和靜電計(jì)前置放大器時(shí)，將“R”增加到光電二極管分路阻抗的幾倍會(huì)對(duì)系統(tǒng)的SNR質(zhì)量產(chǎn)生重大影響。
將“R”增大二倍或三倍會(huì)使放大器輸出范圍(或“擺幅”)相應(yīng)地產(chǎn)生二倍或三倍的變化。此外，光電二極管還產(chǎn)生單向電流。因此，在信號(hào)增大時(shí)，它只能有單一的(單向的)極性。在圖1的電路中，放大器處于反向配置。放大器的輸出將只從0伏變到某一負(fù)值。這是由于只產(chǎn)生單極方式有意義電流的光電二極管的作用。重要的是要注意到，在這種情況下，由于正的放大器范圍未被使用，放大器信號(hào)范圍的一半就浪費(fèi)掉了或未被使用。
一些光電二極管放大電路已試圖通過加入有效的反饋使用大信號(hào)動(dòng)態(tài)地改變輸入電路的直流(“DC”)工作點(diǎn)(這里DC成分是不感興趣的)來解決這個(gè)問題。參看圖2，反饋電路實(shí)施方案200使用放大器202的輸出來反饋校正的DC信號(hào)使放大器202的輸入和輸出在放大器202的可以接受的工作范圍以內(nèi)。不過，這種電路也使不希望有的噪聲被回饋進(jìn)放大器202的輸入。雖然能夠增加一定量的濾波作用，但并非全部噪聲都能濾掉。形形色色的反饋系統(tǒng)都可能有足夠的頻率響應(yīng)，即帶寬，來實(shí)現(xiàn)閉路反饋功能。靜噪濾波器不能夠置于控制回路的帶寬之內(nèi)，否則控制回路在給輸入電路加偏壓時(shí)將不起作用。因此，需要有用標(biāo)準(zhǔn)電壓源改善光電二極管放大器信噪比的設(shè)備，方法，及系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及對(duì)光電二極管進(jìn)行放大的新設(shè)備/系統(tǒng)/以及方法。根據(jù)本發(fā)明，示范的實(shí)施方案具有光電二極管以及含放大器和光電二極管的放大器。放大器具有反向輸入端、放大器非反向輸入端，以及放大器輸出端。光電二極管具有光電二極管陽極和光電二極管陰極，陽極與放大器反向輸入端電連接而陰極與放大器非反向輸入端電連接。光電二極管放大器具有將放大器反向輸入端與放大器輸出端耦合起來的增益電阻器。光電二極管放大器還可以有與光電二極管陰極和放大器非反向輸出端電連接的固定參考電壓源。
光電二極管放大器可具有一個(gè)或多個(gè)下述特征或主題。固定參考電壓源可有低通濾波器。有低通濾波器的固定參考電壓源可基本上設(shè)置成低于光電二極管放大器的噪聲帶寬?？蛇x擇固定參考電壓源的電壓給光電二極管放大器加偏壓。濾波器可超出光電二極管放大器的信號(hào)帶寬。光電二極管陽極與放大器反向輸入端電連接而生成靜電計(jì)。通過減小光電二極管上的負(fù)荷和增大增益可以使通過靜電計(jì)反饋電阻的增大來增大光電二極管放大器的可用信號(hào)范圍而不降低SNR。通過增大靜電計(jì)增益可以提高靜電計(jì)性能。增益電阻可根據(jù)能得到的最大輸出信號(hào)范圍進(jìn)行選擇?？蓪⒐怆姸O管放大器與低噪聲增益減小電路相耦合以便使信號(hào)范圍與后繼電路級(jí)相匹配?？梢詫⒛?shù)轉(zhuǎn)換器，或者任何其他合適的電路或設(shè)備(例如，模擬測(cè)量器，模擬控制系統(tǒng)，等等)與光電二極管放大器輸出端或低噪聲增益減小電路耦合在一起。
根據(jù)本發(fā)明，一個(gè)可供選擇的示范實(shí)施方案含有放大光電二極管信號(hào)的方法。該方法涉及到將含低通濾波器之固定參考電壓源的輸出提供給光電二極管的陰極以及放大器的非反向輸入端。該法還可將光電二極管陽極的輸出直接地提供給放大器反向輸入端。所述方法還可通過反饋增益電阻將放大器輸出轉(zhuǎn)至放大器反向輸入端。與本發(fā)明設(shè)備具有相似的作用是該示范方法的特點(diǎn)和目標(biāo)。
重要的是要指出本發(fā)明不是限制在必須滿足本發(fā)明已提及的任何一個(gè)或多個(gè)主題或特征的系統(tǒng)或方法。指出本發(fā)明不是限制在這里所說明的示范實(shí)施方案也是重要的。由本領(lǐng)域技術(shù)人員所做的修改和替代應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，除了受后面權(quán)利要求之外，其將是不受限制的。


結(jié)合此處的附圖通過閱讀后面的詳細(xì)說明將會(huì)更好地理解本發(fā)明上述的以及其他的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，附圖中圖1是基本光電二極管放大電路的原理圖。
圖2是含反饋電路之基本光電二極管放大電路的原理圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明的示范光電二極管放大電路原理圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明的示范低壓光電二極管放大電路原理圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明電路中所實(shí)施的示范光電二極管放大電路原理圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明的示范光電二極管放大方法的流程圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明的光電二極管放大的第一示范簡(jiǎn)圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明的光電二極管放大的第二示范簡(jiǎn)圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明的光電二極管放大的第三示范簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式
在圖1的光電二極管放大電路100中，放大器102為反向配置。如前面所討論的那樣，放大器102的輸出將只從0變至某一負(fù)值。在使用標(biāo)準(zhǔn)電源電路，例如+/-15伏(V)的電路時(shí)，放大器輸出范圍僅有一半在使用(理想地是0--15V)。工作中，由于非理想放大器的限制，放大器的輸出范圍在使用中被進(jìn)一步限制在從0到-12V。
如前所述，最好是使R盡可能大是可行的。但是，R設(shè)定了放大器的增益，因此就直接地設(shè)定了放大器的總線性輸出范圍。如果電路的電源范圍為±∞，那么就可無需任何考慮地增大R，從而可以看得到SNR的重大改善。不過，這是不切實(shí)際的，因?yàn)檫m合于光電二極管工作的那類運(yùn)算放大器在絕對(duì)最差的情況下也不容許超過+/-18V。由于涉及到這些容限，示范的范圍可在+/-15V。但是，此范圍并不限于+/-15V，使用各種各樣的電壓源都可實(shí)施本發(fā)明。
根據(jù)本發(fā)明，示范光電二極管放大器提供了一種設(shè)備將R的數(shù)值增大數(shù)倍并在不改變+/-15(或其他)標(biāo)準(zhǔn)電源，和/或不使用慣常放大器實(shí)施方案的情況下有效地利用放大器的輸出范圍。根據(jù)本發(fā)明，示范光電二極管放大器可以不要DC反饋回路，因此使加偏壓電路(精確參考源)能夠充分濾波并且無需保持控制回路的帶寬。其作用是限制或防止噪聲加入電路。
參看圖3，根據(jù)本發(fā)明，示范光電二極管放大電路300包括光電二極管302和放大器304。光電二極管放大電路300使用10伏的精確參考電壓源306。應(yīng)當(dāng)指出，雖然此實(shí)例使用10V的精確參考電壓源，但是也可以使用其他電壓值。將10伏加到光電二極管放大電路300來對(duì)光電二極管302和放大器304加偏壓以使工作點(diǎn)接近放大器304正15V電源的實(shí)際限值。與現(xiàn)有技術(shù)不同，光電二極管放大電路100實(shí)際限值為0--12V(理論上是0--15V)，而示范放大器300的增益電阻為增益電阻器“R”的兩倍，其實(shí)際輸出信號(hào)范圍為+10V--12V(理論上為+10V--15V)。
本發(fā)明的放大電路300還可包括低頻濾波器308。由于來自參考電源源306的任何噪聲都將在其輸出端直接看到，因而將反映為SNR的降低。工作中，可使用低頻濾波器308來去除在感興趣信號(hào)頻帶內(nèi)的噪聲成分，從而防止或減小SNR的降低。依據(jù)光電二極管302使用的所需頻帶來選擇此低頻濾波器的限值。
參看圖4，根據(jù)本發(fā)明的示范低壓光電二極管放大電路400包括光電二極管402和放大器404。光電二極管放大電路400還包括2.5伏的精確參考電壓源406。應(yīng)當(dāng)指出，雖然此實(shí)例使用的是2.5V的精確參考電壓源，但其他的電壓值也可以使用。將2.5伏加到放大電路400來對(duì)光電二極管402和放大器404加偏壓以使工作點(diǎn)接近放大器404正5V電源的實(shí)際限值。示范的光電二極管放大電路400還得到了與前述示范放大電路300相似的益處。
參看圖5，結(jié)合光電二極管放大電路300和400，可使用電路500中實(shí)施的示范光電二極管放大電路。電路500包括對(duì)放大電路300和400的輸出進(jìn)行采樣的模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器502。應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的范圍并不限于使用A/D轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行替代或與A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)合使用的其他設(shè)備也可以使用，如與光電二極管放大器輸出端相耦合的低噪聲增益減小電路，或任何其他適合的電路或設(shè)備(例如，模擬測(cè)量器，模擬控制系統(tǒng)，等等)。
例如，為了匹配A/D轉(zhuǎn)換器502或者其他合適的電路或設(shè)備并使光電二極管放大電路300和400的SNR最大，還可設(shè)置第二級(jí)放大504。電路500的測(cè)量結(jié)果以A/D計(jì)算的均方根值(RMS)給出，這里1個(gè)計(jì)數(shù)＝24位A/D系統(tǒng)的1個(gè)最低有效位(LSB)，可得到的總計(jì)數(shù)為224。
遺憾的是A/D轉(zhuǎn)換器502也是一個(gè)噪聲貢獻(xiàn)者。不過，A/D轉(zhuǎn)換器502的噪聲下限影響通過測(cè)量其噪聲下限就可以計(jì)算出來而不用使用任何附加電路。通過把A/D轉(zhuǎn)換器502的輸入端短路就可做到這點(diǎn)，這樣唯一的“信號(hào)”就是來源于A/D轉(zhuǎn)換器502的噪聲。發(fā)自A/D轉(zhuǎn)換器502的噪聲于是就測(cè)量為A/D轉(zhuǎn)換器502輸出的RMS值。工作中使用24位A/D轉(zhuǎn)換器502時(shí)，該值測(cè)得為15A/D計(jì)數(shù)的RMS值。
電路500為得到最好的SNR使第一級(jí)放大器的增益達(dá)到最大值。電路500然后再使第二級(jí)放大器504的增益減小以便匹配A/D轉(zhuǎn)換器502。因此，第二級(jí)放大器504的噪聲影響被視為是可以忽略的。下面是增益為0.218的第二級(jí)放大器504的概要分析。
低噪聲第二級(jí)運(yùn)算放大器的噪聲計(jì)算


運(yùn)算放大器噪聲計(jì)算

總的運(yùn)算放大器減-增益級(jí)噪聲在50KHz帶寬時(shí)為1.38×10-6伏RMS，其對(duì)24位A/D來說為4.631計(jì)數(shù)RMS。A/D噪聲下限通過把輸入端短路在一起進(jìn)行測(cè)量并取得數(shù)據(jù)。
結(jié)果在50KHz帶寬時(shí)，模擬數(shù)字噪聲下限15計(jì)數(shù)RMS。
將第二級(jí)運(yùn)算放大器的噪聲貢獻(xiàn)與A/D噪聲下限相結(jié)合得到


將第二級(jí)放大器504的影響加到A/D轉(zhuǎn)換器502的噪聲下限(使用均方根值)，得到的總噪聲下限就從15增加到15.7。
下面是對(duì)光電二極管放大電路300所取的采樣數(shù)據(jù)

使用上述低增益作為基線(相對(duì)增益＝1)，看來使相對(duì)增益增加至5.03將會(huì)使低增益系統(tǒng)的噪聲＝27，而得到的噪聲為27×5.03＝136。但是，高增益系統(tǒng)的實(shí)際噪聲僅為119，因此以更高水平的靈敏度顯示出27計(jì)數(shù)RMS的噪聲改善。
如果保持低增益，而把第二級(jí)增益增大(到5倍)，這樣所有的第一級(jí)噪聲就會(huì)直接地乘以五倍，總噪聲就會(huì)是136而不是更希望的119。相反，將增益置于同樣數(shù)值，就可用5.03去除119，與(在1/5信號(hào)水平下的)27計(jì)數(shù)相比，得到的結(jié)果是24計(jì)數(shù)。不管怎么說，SNR的改善是相同的。在許多情況下，實(shí)際信號(hào)的數(shù)值極低，即大小接近于噪聲，或者SNR≈0，這樣即使看起來似乎是SNR的很小改善在實(shí)際應(yīng)用中也是極其重要的。在這一具體實(shí)例中，SNR的改善為20Log10(噪聲1/噪聲2)＝1.02分貝(dB)。使用電路500可顯示出由光電二極管放大電路300所給出的噪聲顯著減小。
參看圖6，流程圖闡明了示范的光電二極管放大方法600。起動(dòng)光電二極管放大過程(方框602)。將光電二極管302或402的陽極輸出直接供給至放大器304和404各自的反向輸入端(方框604)。將含低通濾波器308或408的固定參考電壓源306或406的輸出供給光電二極管302或402的陰極以及放大器304或404的非反向輸入端(方框604)。放大器304或404的輸出通過反饋增益電阻“R”接至放大器304或404的反向輸入端(方框606)。放大器304或404的輸出還通過另一反饋增益電阻饋送至放大器304或404的反向輸入端(方框608)。放大過程完成(方框610)。
圖7、8和9給出了根據(jù)本發(fā)明的光電二極管放大的示范簡(jiǎn)圖。圖7和8分別給出了砷化鎵銦光電檢測(cè)器電路700和800。圖9給出了激光檢測(cè)器電路900。示范放大電路并不限于這些示范簡(jiǎn)圖。示范放大電路和方法可用于各種各樣的其他電路。
因此，提供了用標(biāo)準(zhǔn)電壓源能夠改善光電二極管放大器信噪比的設(shè)備、系統(tǒng)、及方法。此外，不用說，上文只是本發(fā)明原理的說明，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員可進(jìn)行各種不同改進(jìn)而不偏離本發(fā)明的思想和范圍。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會(huì)體會(huì)到本發(fā)明能夠以除旨在說明而非限制的上述實(shí)現(xiàn)方案以外的方案來實(shí)施，而本發(fā)明只由隨后的權(quán)利要求的限定。
權(quán)利要求
1.光電二極管放大器，包括放大器，其具有放大器反向輸入端、放大器非反向輸入端、及放大器輸出端；光電二極管，其有光電二極管陽極和光電二極管陰極，陽極與放大器反向輸入端電連接，陰極與放大器非反向輸入端電連接；增益電阻器，其將放大器反向輸入端與放大器輸出端耦合；及固定參考電壓源，其與光電二極管陰極及放大器非反向輸出端電連接。
2.權(quán)利要求1的光電二極管，其中固定參考電壓源與低通濾波器電連接。
3.權(quán)利要求1的光電二極管，其中固定參考電壓源還包括低通濾波器，所述低通濾波器基本上設(shè)置成低于光電二極管放大器的噪聲帶寬。
4.權(quán)利要求1的光電二極管，其中選擇固定參考電壓源的電壓給光電二極管放大器加偏壓使得光電二極管放大器的可用輸出增大。
5.權(quán)利要求2的光電二極管，其中低通濾波器超出光電二極管放大器的信號(hào)帶寬。
6.權(quán)利要求1的光電二極管，其中光電二極管陽極與放大器反向輸入端電連接構(gòu)成靜電計(jì)。
7.權(quán)利要求6的光電二極管，其中靜電計(jì)增益的增加增大了光電二極管放大器的可用信號(hào)范圍而基本上沒有增大電路內(nèi)的信噪比。
8.權(quán)利要求6的光電二極管，其中通過增大靜電計(jì)增益來提高靜電計(jì)性能。
9.權(quán)利要求6的光電二極管，其中根據(jù)可利用的最大輸出信號(hào)范圍選擇增益電阻。
10.權(quán)利要求1的光電二極管，還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其與光電二極管放大器的輸出端相耦合。
11.權(quán)利要求1的光電二極管，還包括低噪聲增益減小電路，其與光電二極管放大器輸出端相耦合。
12.權(quán)利要求1的光電二極管，還包括一可供選擇的反饋電阻器，其與增益電阻器并聯(lián)。
13.放大光電二極管輸出的方法，其包括的步驟是將光電二極管陽極的輸出直接供給至放大器反向輸入端；將含低通濾波器之固定參考電壓源的輸出供給至光電二極管陰極及放大器非反向輸入端；及將放大器輸出端通過反饋增益電阻接至放大器反向輸入端。
14.權(quán)利要求13的方法，其中將含低通濾波器之固定參考電壓源所提供的電壓基本上置于低于光電二極管放大器的噪聲帶寬。
15.權(quán)利要求13的方法，還包括選擇固定參考電壓源的電壓以給光電二極管放大器加偏壓。
16.權(quán)利要求13的方法，其中將光電二極管陽極的輸出直接提供至放大器反向輸入端構(gòu)成靜電計(jì)。
17.權(quán)利要求13的方法，其中提高放大器電源電壓來增大光電二極管放大器的可利用的信號(hào)范圍而基本上沒有增加電路的噪聲。
18.權(quán)利要求13的方法，還包括將光電二極管放大器的輸出提供給模數(shù)轉(zhuǎn)換器。
19.權(quán)利要求13的方法，還包括將放大器輸出通過一可供選擇的反饋增益電阻接至放大器反向輸入端。
20.光電二極管放大器系統(tǒng)，其包括第一級(jí)放大器，其有放大器反向輸入端、放大器非反向輸入端、及放大器輸出端；光電二極管，其有光電二極管陽極和光電二極管陰極，陽極與放大器反向輸入端電連接，陰極與放大器非反向輸入端電連接；增益電阻器，其將放大器反向輸入端與放大器輸出端耦合；含低通濾波器的固定參考電壓源，所述低通濾波器與光電二極管陰極及放大器非反向輸出端電連接；和第二級(jí)放大器，其與第一級(jí)放大器的輸出端電連接。
21.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，還包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，其與第二級(jí)放大器的輸出端耦合。
全文摘要
提供了用于放大光電二極管信號(hào)的系統(tǒng)、方法、及設(shè)備。所示范的系統(tǒng)含有光電二極管及放大器。放大器有放大器反向輸入端，放大器非反向輸入端，以及放大器輸出端。系統(tǒng)的光電二極管有光電二極管陽極和光電二極管陰極，陽極與放大器反向輸入端電連接，陰極與放大器非反向輸入端電連接。系統(tǒng)的增益電阻器使放大器反向輸入端與放大器輸出端耦合。該系統(tǒng)還具有固定的參考電壓源，其與光電二極管陰極和放大器非反向輸出端電連接。
文檔編號(hào)H03F3/08GK101057395SQ200580038944
公開日2007年10月17日 申請(qǐng)日期2005年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月15日
發(fā)明者G·E·施米德特 申請(qǐng)人:西門子能量及自動(dòng)化公司