專利名稱：放大器電路和用于調(diào)整檢測(cè)器元件的輸出電流信號(hào)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例涉及放大器電路、具有光電二極管的檢測(cè)器電路以及用于調(diào)整檢測(cè)器元件的輸出電流信號(hào)的方法，其中，該檢測(cè)器元件輸出取決于被檢測(cè)的物理量的輸出電流。
背景技術(shù)：
當(dāng)例如光、溫度和壓力等可被檢測(cè)器元件檢測(cè)到的物理量施加至多個(gè)例如光電二極管的檢測(cè)器元件或傳感器時(shí)，檢測(cè)器元件或傳感器生成輸出電流信號(hào)，輸出電流的強(qiáng)度取決于被檢測(cè)的物理量的量或強(qiáng)度或幅度，例如光強(qiáng)度、溫度和壓力。分別通過(guò)負(fù)載電阻 (load resistance)或跨導(dǎo)放大器(transimpedance amplifier)將輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電
壓信號(hào)。圖1示出跨導(dǎo)放大器電路，其中，檢測(cè)器元件被簡(jiǎn)示為電流源10且與運(yùn)算放大器 (OPV) 20的反相輸入端連接。OPV 20的輸出端0經(jīng)由具有寄生電容40的歐姆電阻30與 OPV 20的反相輸入端連接。圖2涉及用于通過(guò)負(fù)載電阻31將檢測(cè)器元件的輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的放大器電路。檢測(cè)器元件被簡(jiǎn)示為設(shè)置在基準(zhǔn)電位和OPV 21的非反相輸入端之間的電流源10。負(fù)載電阻31及其寄生電容41也連接在基準(zhǔn)電位和OPV 21的非反相輸入端之間，使得電流源10的輸出電流流經(jīng)負(fù)載電阻31。假定圖1和圖2所示的放大器電路僅以直流電流和直流電壓或者慢速變化的信號(hào)而動(dòng)作，并將此用作運(yùn)算放大器的理想運(yùn)行的基礎(chǔ)，則通過(guò)將相應(yīng)的輸出信號(hào)電流乘以負(fù)載電阻來(lái)獲得輸出端0處的電壓量。如果輸出信號(hào)電流是快速變化的信號(hào)，則放大器電路由于負(fù)載電阻的寄生電容而表現(xiàn)出低通特性。例如，針對(duì)信號(hào)噪聲也被放大，可以在其它信號(hào)路徑設(shè)置相應(yīng)的高通濾波器來(lái)補(bǔ)償這種低通特性。圖3涉及具有圖2所示負(fù)載電阻31的另一放大器電路，其中，通過(guò)自舉電路 (bootstrap circuit)減少或補(bǔ)償檢測(cè)器元件的寄生電容51。檢測(cè)器元件再次被簡(jiǎn)示為電流源10，電流源10的第一端經(jīng)由偏置電阻器6耦接至直流電壓源，電流源10的第二端耦接至OPV 21的非反相輸入端。OPV 21的輸出信號(hào)經(jīng)由自舉電容器52耦接回OPV 21的非反相輸入端。由于OPV 21的傳輸延遲，在OPV 21的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間發(fā)生相位偏移，使得對(duì)于較高頻率的補(bǔ)償效果受到削弱。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于以下的目的，即提供一種針對(duì)檢測(cè)器元件具有更大帶寬的放大器電路，其中，該檢測(cè)器元件的輸出電流是信號(hào)依賴(signal-d印endent)的。該目的包括用于調(diào)整檢測(cè)器元件的輸出電流信號(hào)的方法。
通過(guò)如獨(dú)立權(quán)利要求所要求保護(hù)的放大器電路及方法來(lái)實(shí)現(xiàn)上述目的。根據(jù)各從屬權(quán)利要求獲得有利的實(shí)施例。在下文中，將參考附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。主要著重于描述和解釋形成本發(fā)明的基礎(chǔ)的原理。只要不同實(shí)施例的特征不彼此排斥，則可以將不同實(shí)施例的特征彼此結(jié)合。在下文中，將參考附圖更詳細(xì)地說(shuō)明本發(fā)明。


圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的跨導(dǎo)放大器電路的簡(jiǎn)化電路圖。圖2示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有負(fù)載電阻的放大器電路的簡(jiǎn)化電路圖。圖3示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有自舉電容器的放大器電路的簡(jiǎn)化電路圖。圖4示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有兩個(gè)部分負(fù)載電阻和兩個(gè)補(bǔ)償電容器的放大器電路的簡(jiǎn)化電路圖。圖5示出根據(jù)另一實(shí)施例的具有兩個(gè)部分負(fù)載電阻和四個(gè)部分補(bǔ)償電容器的放大器電路的簡(jiǎn)化電路圖。圖6示出用于說(shuō)明檢測(cè)器元件的寄生電容的影響的圖3所示放大器電路的傳輸函數(shù)。圖7示出用于說(shuō)明負(fù)載電阻的寄生電容的影響的圖2所示放大器電路的傳輸函數(shù)。圖8示出用于說(shuō)明根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的反饋電容器的影響的圖5所示放大器電路的傳輸函數(shù)。圖9示出用于說(shuō)明寄生電容的影響的圖5所示放大器電路的另一傳輸函數(shù)。圖10示出用于調(diào)整檢測(cè)器元件的輸出電流信號(hào)的方法的簡(jiǎn)化流程圖。
具體實(shí)施例方式圖4示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的具有檢測(cè)器元件11的放大器電路的電路圖，檢測(cè)器元件11的輸出電流信號(hào)要轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，檢測(cè)器元件11是光電二極管， 例如是具有低的信號(hào)依賴輸出電流的PIN光電二極管，諸如用在干涉儀中的PIN光電二極管或者用于在光纖陀螺儀中記錄干涉儀信號(hào)的PIN光電二極管等。根據(jù)其它實(shí)施例，檢測(cè)器元件是交流電流信號(hào)源、磁性檢波器、壓電傳感器或熱敏元件(thermoelement)。一方面，檢測(cè)器元件11可以經(jīng)由偏置電阻器6連接至電壓源。另一方面，檢測(cè)器元件11電連接至運(yùn)算放大器(OPV) 23的非反相輸入端和負(fù)載電阻32，其中，負(fù)載電阻32分為兩個(gè)串聯(lián)連接的部分電阻器321、322并耦接至例如地的基準(zhǔn)電位。根據(jù)其它實(shí)施例，不設(shè)置偏置電阻器6。利用與檢測(cè)器元件11并聯(lián)連接的電容器51表示檢測(cè)器元件11固有的寄生電容。 以同樣的方式，用電容器421、422表示部分電阻器321、322各自固有的寄生電容。為了部分補(bǔ)償電容器421、422的電容波動(dòng)，分別設(shè)置與部分電阻器321、322并聯(lián)連接的補(bǔ)償電容器82、83。補(bǔ)償電容器82、83彼此串聯(lián)連接在基準(zhǔn)電位和OPV 23的非反相輸入端之間。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，設(shè)置自舉電容器52以補(bǔ)償檢測(cè)器元件11的寄生電容51，0PV 23 的輸出信號(hào)經(jīng)由自舉電容器52從OPV 23的輸出端0耦接回非反相輸入端。根據(jù)其它實(shí)施例，不設(shè)置自舉電容器52。為了補(bǔ)償部分電阻器321、322的寄生電容的低通效應(yīng)，通過(guò)反饋電容器7將來(lái)自 OPV 23的輸出端0的輸出信號(hào)反饋至補(bǔ)償電容器82、83的串聯(lián)中，例如，反饋至補(bǔ)償電容器 82、83之間。如圖4所示，實(shí)際負(fù)載電阻的等效電路圖包括負(fù)載電阻與寄生電容的并聯(lián)連接。 當(dāng)負(fù)載電阻分為兩個(gè)串聯(lián)連接的部分電阻器時(shí)，絕對(duì)電阻值保持不變，而寄生電容幾乎減半。然而，由于隨之添加了來(lái)自連接表面的寄生電容，因此不能任意地繼續(xù)上述方法。由于電阻器的制造商通常不標(biāo)明寄生電容的電容值，寄生電容的電容值有很大波動(dòng)。由于這個(gè)原因，將標(biāo)明具有接近的電容的補(bǔ)償電容器布置為與負(fù)載電阻并聯(lián)或者分別與部分電阻器并聯(lián)。補(bǔ)償電容器的電容可以選擇為與寄生電容的電容具有同一量級(jí)或者略大于寄生電容的電容。圖5示出以下的實(shí)施例，根據(jù)該實(shí)施例，圖4所示的補(bǔ)償電容器82和補(bǔ)償電容器 83分別分為彼此串聯(lián)連接的兩個(gè)部分電容器821、822和兩個(gè)部分電容器831、832。在合適的點(diǎn)處，經(jīng)由反饋電容器7將輸出信號(hào)從OPV 23的輸出端反饋到部分電容器821、822、831、 832的串聯(lián)中，例如，如圖5所示，反饋到分配給被定位為朝著基準(zhǔn)電位的部分電阻器322的兩個(gè)部分電容器831、832之間。反饋電容器的電容值小于10pF，例如為2pF或更低，但至少是例如500fF。根據(jù)具有四個(gè)部分電容器821、822、831、832的其它實(shí)施例，反饋電容器7也可以連接至部分電容器822和831之間的連接處。除電容器的大小之外，電容器之間的比值對(duì)于指定連接點(diǎn)也是決定性的。由于這會(huì)導(dǎo)致很多種情況，根據(jù)上述實(shí)施例將電容器821、822、 831,832均選擇為彼此相等。電容器831、832之間的節(jié)點(diǎn)被確定為最優(yōu)的反饋輸入。負(fù)載電阻32可以為IOOkQ 1ΜΩ的量級(jí)，部分電容器821、822、831、832可以為約0. 2pF 2pF的量級(jí)。在光電二極管的情況下，負(fù)載電阻的電流可以在幾納安 幾微安之間。在具有較高信號(hào)電流的其它傳感器的情況下，必須相應(yīng)地改變負(fù)載電阻。根據(jù)具有四個(gè)部分電容器821、822、831、832的其它實(shí)施例，可以將輸出信號(hào)反饋至分配給被定位為朝著OPV 23的部分電阻器321的兩個(gè)部分電容器822和821之間。其它實(shí)施例涉及將負(fù)載電阻32分為多于兩個(gè)的部分電阻器的結(jié)構(gòu)。圖6 圖9分別示出如圖2、圖3、圖5所示的放大器電路的頻率依賴的傳輸函數(shù)。 沿縱軸以分貝為單位分別繪制輸出信號(hào)的衰減，沿橫軸以赫茲為單位繪制頻率。已通過(guò)測(cè)試和仿真確定了這些傳輸函數(shù)。圖6所示的傳輸函數(shù)A、B、C示出光電二極管的寄生電容對(duì)圖3所示具有自舉電容器的放大器電路的帶寬的影響。假定傳輸函數(shù)A的寄生電容為lpF，傳輸函數(shù)B的寄生電容為2pF，以及傳輸函數(shù)C的寄生電容為3pF。當(dāng)使用自舉電容器時(shí)，寄生電容的波動(dòng)對(duì)整體電路的帶寬僅有輕微影響。在示出的例子中，光電二極管的寄生電容為IpF與光電二極管的寄生電容為3pF之間的帶寬差為400kHz。隨后，由負(fù)載電阻和負(fù)載電阻的寄生電容給定的低通濾波器是確定放大器電路的時(shí)間常數(shù)。圖7所示的傳輸函數(shù)A、B、C、D示出負(fù)載電阻的寄生電容對(duì)放大器電路的帶寬的影響。在該情況下，曲線A假定寄生電容為0. 2pF、曲線B假定寄生電容為0. 7pF、曲線C假定寄生電容為1. 2pF以及曲線D假定寄生電容為1. 7pF。由于四個(gè)電容器串聯(lián)連接，因此，最小的電容為200/4 = 50fF，最大的電容為1700/4 ^ 400fF。帶寬從400fF的2. 7MHz擴(kuò)展至50fF的10. IMHz,即相差了約4倍。圖8示出反饋電容器對(duì)圖5所示放大器電路的帶寬的影響。假定計(jì)算曲線A用的反饋電容器的電容為OpF，計(jì)算曲線B用的反饋電容器的電容約為2pF。沒(méi)有反饋電容器時(shí)， 帶寬為4. 8MHz，具有2pF的反饋電容器時(shí)，帶寬約為8. 8MHz。圖9示出寄生電容器421、422對(duì)圖5所示放大器電路的帶寬的減小效果。曲線A、 B、C、D是用寄生電容器的不同電容值計(jì)算出的:A) IOOfF、B) 150fF、C) 200fF、D) 250fF。與圖7比較可知，放大器電路的帶寬對(duì)負(fù)載電阻的寄生電容的波動(dòng)范圍的依賴性明顯較小。根據(jù)圖10所示的方法，為了調(diào)整檢測(cè)器元件的信號(hào)依賴的輸出電流信號(hào)，通過(guò)負(fù)載電阻和運(yùn)算放大器將輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)(302)。在這種配置下，將負(fù)載電阻設(shè)置為至少兩個(gè)部分電阻器的串聯(lián)電路。部分電阻器分別并聯(lián)連接補(bǔ)償電容器，或者并聯(lián)連接多個(gè)串聯(lián)連接的部分補(bǔ)償電容器。經(jīng)由反饋電容器將運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)饋回至兩個(gè)補(bǔ)償電容器或者部分補(bǔ)償電容器之間(304)，以對(duì)部分電阻器的寄生電容的低通效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)還經(jīng)由自舉電容器和檢測(cè)器元件饋回至運(yùn)算放大器的輸入端，以對(duì)檢測(cè)器元件的寄生電容進(jìn)行補(bǔ)償。
權(quán)利要求
1.一種放大器電路，包括檢測(cè)器元件(11)，所述檢測(cè)器元件(11)的輸出電流是信號(hào)依賴的，負(fù)載電阻(32)，以及運(yùn)算放大器03)，其中，所述檢測(cè)器元件(11)的一端和所述負(fù)載電阻(3 電連接至所述運(yùn)算放大器 (23)的輸入端，所述負(fù)載電阻(32)被設(shè)置為至少兩個(gè)部分電阻器(321，322)串聯(lián)連接的形式，補(bǔ)償電容器(82，8；3)分別與所述部分電阻器(321,32 并聯(lián)連接或者多個(gè)串聯(lián)連接的部分補(bǔ)償電容器(821，822，831，83幻分別與所述部分電阻器(321,32 并聯(lián)連接，所述運(yùn)算放大器的輸出端(0)通過(guò)反饋電容器(7)與所述補(bǔ)償電容器(82，8；3)中的兩個(gè)補(bǔ)償電容器或所述部分補(bǔ)償電容器(821，822，831，832)中的兩個(gè)部分補(bǔ)償電容器相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器電路，其特征在于，所述補(bǔ)償電容器(82，8；3)各自的電容為所述部分電阻器(321，322)各自的寄生電容的量級(jí)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的放大器電路，其特征在于，所述補(bǔ)償電容器(82，8；3)各自的電容大于所述部分電阻器(321，322)各自的寄生電容。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的放大器電路，其特征在于，對(duì)所述部分電阻器(321，322)分別分配兩個(gè)部分補(bǔ)償電容器(821，822，831，832)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的放大器電路，其特征在于，所述檢測(cè)器元件(11)的不與所述運(yùn)算放大器連接的一端連接至直流電壓源。
6.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任一項(xiàng)所述的放大器電路，其特征在于，所述檢測(cè)器元件 (11)是交流電流信號(hào)源。
7.根據(jù)權(quán)利要求1 5中的任一項(xiàng)所述的放大器電路，其特征在于，所述檢測(cè)器元件 (11)是光電二極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的放大器電路，其特征在于，所述檢測(cè)器元件(11)是光學(xué)PIN二極管。
9.根據(jù)權(quán)利要求1 8中的任一項(xiàng)所述的放大器電路，其特征在于，為了補(bǔ)償所述檢測(cè)器元件(11)的寄生電容(51)，所述運(yùn)算放大器03)的輸出信號(hào)經(jīng)由自舉電容器(52)和所述檢測(cè)器元件(11)耦接回所述運(yùn)算放大器的輸入端。
10.根據(jù)權(quán)利要求1 8中的任一項(xiàng)所述的放大器電路，其特征在于，在所述運(yùn)算放大器的輸出端和所述檢測(cè)器元件(11)的不與所述運(yùn)算放大器連接的一端之間設(shè)置自舉電容器(52)。
11.一種用于調(diào)整檢測(cè)器元件(11)的輸出電流信號(hào)的方法，所述輸出電流信號(hào)是信號(hào)依賴的，所述方法包括通過(guò)負(fù)載電阻(3 和運(yùn)算放大器將所述輸出電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，所述負(fù)載電阻(32)被設(shè)置為至少兩個(gè)部分電阻器(321，322)的串聯(lián)電路，補(bǔ)償電容器(82，83)分別與所述部分電阻器(321,32 并聯(lián)連接或者多個(gè)串聯(lián)連接的部分補(bǔ)償電容器(821，822， 831,832)分別與所述部分電阻器(321,322)并聯(lián)連接；經(jīng)由反饋電容器(7)將所述運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)饋回至所述補(bǔ)償電容器(82， 83)中的兩個(gè)補(bǔ)償電容器之間或者所述部分補(bǔ)償電容器(821，822，831，832)中的兩個(gè)部分補(bǔ)償電容器之間，以對(duì)所述部分電阻器(321，322)的寄生電容的低通效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的用于調(diào)整檢測(cè)器元件(11)的輸出電流信號(hào)的方法，其特征在于，還包括經(jīng)由自舉電容器(5 和所述檢測(cè)器元件(11)將所述運(yùn)算放大器的輸出信號(hào)饋回至所述運(yùn)算放大器的輸入端，以對(duì)所述檢測(cè)器元件(11)的寄生電容(51)進(jìn)行補(bǔ) mte ο
全文摘要
本發(fā)明提供一種放大器電路和用于調(diào)整檢測(cè)器元件的輸出電流信號(hào)的方法。該放大器電路包括輸出電流是信號(hào)依賴的檢測(cè)器元件(11)、負(fù)載電阻(32)以及運(yùn)算放大器(23)。檢測(cè)器元件(11)的一端和負(fù)載電阻(32)電連接至運(yùn)算放大器(23)的輸入端。負(fù)載電阻(32)為至少兩個(gè)部分電阻器(321，322)串聯(lián)連接的形式，補(bǔ)償電容器(82，83)分別與部分電阻器(321，322)并聯(lián)連接，或者多個(gè)串聯(lián)連接的部分補(bǔ)償電容器(821，822，831，832)與各部分電阻器(321，322)并聯(lián)連接。運(yùn)算放大器(23)的輸出端(O)通過(guò)反饋電容器(7)與補(bǔ)償電容器(82，83，821，822，831，832)之二相連接，從而至少部分補(bǔ)償負(fù)載電阻(32)的寄生電容的影響。
文檔編號(hào)H03F1/30GK102281035SQ20111007617
公開(kāi)日2011年12月14日 申請(qǐng)日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月23日
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