CN119197762A - 自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，包含：光电二极管模块、TIA模块、功分器模块、低通滤波器模块、反相比例放大模块、基准电压模块、加法电路模块和带通滤波器模块。当光电二极管模块输出存在变化的直流偏置电流时，低通滤波器模块和反相比例放大模块提取直流偏置分量反馈至TIA模块的同相端，带通滤波器模块对带宽外的干扰信号进行滤除并保留检测交流信号，反馈电压和基准电压相加作为光电二极管模块N级的偏执电压。TIA模块的同相端和光电二极管模块的N极所接参考电压为自适应变化电压，避免直流偏置导致信号饱和，稳定光电二极管模块N级、P级之间的电压差，提升光电探测电路的稳定性与噪声性能。

Description

自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路

技术领域

本发明属于光电探测器技术领域，具体涉及一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路。

背景技术

光电二极管（PD, Photo Diode）是一种光电转换器件，当其受到光照射时，其输出电流会随着光强的变化而变化。在将光电二极管与跨阻放大器（TIA, TransimpedanceAmplifier）结合使用时，可以将光电二极管的输出电流转换为电压信号，构成一种光电检测器件。通过检测跨阻放大器的输出电压，可以间接得到光学信号的特征参数，实现如光强、光谱等参数的测量，广泛应用于光电传感、通信、医学、安防、环境监测等领域。因此，光电二极管结合跨阻放大器的光电检测技术具有广泛的应用前景和市场需求，与此同时，也对其检测性能和稳定性提出了更高的要求。

在光电探测器技术领域，为了获得更高的灵敏度和稳定性，通常将光电二极管反向偏置使用，其后级的跨阻放大器一般选择高阻值的负反馈电阻来实现高放大倍数，得到高功率的电压信号，从而保证光电传感系统的检测信噪比。然而，在实际应用中，光信号的平均功率会引起一直流偏置电流输出，进而在跨阻放大器的输出中引入一直流偏置电压。随着当前光电传感的应用环境的复杂化，光信号的平均功率往往会由于光信号传输过程中的波动产生无法预知的漂移，也就使得跨阻放大器的输出电压中存在一时变的直流偏置电压。目前，已有一些针对输出中存在直流偏置电压进行优化的方法，如直流偏置电压自动校正：通过添加校正电路或者算法，实时测量和校正直流偏置电压，以保证输出信号的准确性和稳定性；信号去直流：通过添加电容耦合或者交流耦合等方法，将直流信号隔离或去除，以避免直流偏置电压对系统性能的影响；软件数字处理：通过数字信号处理算法对输出信号进行去直流、滤波和增益等处理，以消除直流偏置电压和噪声等干扰等方法。但此类方法仅从后级补偿或者滤波的角度进行分析，并未真正消除TIA输出中存在的时变直流偏置电压，使得TIA无法发挥出最佳性能。具体而言，由于跨阻放大器的供电范围有限，当时变直流偏置电压产生较大的偏移时，会使得原先的放大电路输出在运放的正供电电压或者负供电电压出现饱和，引起信号畸变，从而无法充分利用运放的工作区间。随之带来的结果是为了提升检测系统的稳定性而减小跨阻放大器的增益，以避免信号出现饱和失真，牺牲了TIA的检测范围，并且限制了光电传感系统检测信噪比的提升。

为了在TIA输出中真正消除时变直流偏置电压，构造一直流电流来抵消光电二极管自身的直流偏置电流，从而消除TIA输出的直流偏置电压的方法得到提出和应用。该方法通过光电二极管监控电路检测得到光电二极管的直流偏置电流，然后通过电流镜电路将此直流偏置电流反馈至光电二极管的输出端，抵消光电二极管电流输出中的直流分量，从而抑制了TIA输出中的直流偏置电压。但此方法大大提升了系统的复杂度，并且引入的额外器件会在光电二极管与TIA的电连接中产生额外的负载效应，如附加电容等，对系统的性能和稳定性产生影响。由此可见，目前的方法无法很好地解决光电二极管结合TIA受直流偏置电压影响而检测范围、增益、信噪比提升受限的问题。

发明内容

本发明提供了一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路解决上述提到的技术问题，具体采用如下的技术方案：

一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，包含：光电二极管模块、TIA模块、功分器模块、低通滤波器模块、反相比例放大模块、基准电压模块、加法电路模块和带通滤波器模块；

所述光电二极管模块在光信号的输入下产生电流信号并接入所述TIA模块的反相输入引脚，所述TIA模块将光电二极管模块的电流信号转化为电压，所述功分器模块将所述TIA模块的输出分为两路信号，其中一路反馈路径信号输入所述低通滤波器模块，所述低通滤波器模块对功分器模块的反馈路径信号进行低通滤波后输入所述反相比例放大模块，所述反相比例放大模块对所述低通滤波器输出的电压进行反相比例放大，得到反馈电压，反馈电压一路反馈至所述TIA模块的同相输入引脚作为此级运放的同相端参考电压，从而构成负反馈环路，另一路输入所述加法电路模块，所述基准电压模块产生基准电压，所述加法电路模块将所述反相比例放大模块输出的反馈电压与所述基准电压模块输出的参考基准电压进行相加，相加之后的电压输出反馈至光电二极管模块的N级，作为N级的偏置电压，所述功分器模块的另一路主路径信号经过所述带通滤波器模块，所述带通滤波器模块对主信号路径上的信号做带通滤波，保留目标检测信号所处频带的信号，对信号带宽外的信号进行滤除并最终输出检测目标交流信号。

进一步地，所述功分器模块采用不等功率分配的方式，且主信号路径的信号衰减小于反馈路径信号衰减。

进一步地，所述功分器模块采用定向耦合器对所述TIA模块的输出进行分路。

进一步地，所述功分器模块的反馈路径后接一级电压跟随器。

进一步地，所述低通滤波器模块采用五阶LC巴特沃斯低通滤波器。

进一步地，所述带通滤波器模块采用五阶LC巴特沃斯带通滤波器。

进一步地，所述带通滤波器模块的通带设置为目标检测信号所处频带。

进一步地，所述低通滤波器模块截止频率大于光信号平均功率波动的频率，且在信号载波频率处有大衰减。

进一步地，所述反相比例放大模块与所述低通滤波器模块集成为有源反相比例放大低通滤波模块。

进一步地，所述基准电压模块采用低噪声的LDO电源芯片，总电源输入经LDO电源芯片输出低噪声的参考基准电压。

本发明的有益之处在于所提供的自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，引入直流偏置电压自适应消除与光电二极管模块偏置电压自适应调整，一方面通过对TIA模块输出直流偏置电压的自适应消除来提升TIA电路的稳定性，避免直流偏置引起信号饱和，并且可以最大限度提升TIA的增益；另一方面，通过对光电二极管模块偏置电压的自适应调整，稳定光电二极管模块P级、N级之间的电压差，避免了P级、N级之间电压差波动引起的测量带宽波动与光电转换灵敏度波动，保证光电二极管模块在光电转换时的稳定工作状态与噪声性能。从而可解决现有光电探测器中光电二极管模块输出直流偏置电流发生漂移导致TIA检测范围、增益、信噪比提升受限的问题，保证光电探测器系统在恶劣应用环境下的性能与稳定性。

具体地，本发明的自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，当光电二极管模块接收的平均光功率由于远距离传输或者应用环境的变化而产生波动时，光电二极管模块产生的直流偏置电流随之变化，引起跨阻放大器输出中的直流偏置电压分量产生波动，而通过构建本发明提出的负反馈回路，将直流偏置电压调理后反馈至跨阻放大器的同相输入引脚，可以自适应消除光电二极管模块直流分量在TIA输出中引起的直流偏置电压，避免光电探测器中光电二极管模块输出直流偏置电流发生漂移导致TIA检测范围、增益、信噪比提升受限的问题，保证光电探测器系统在恶劣应用环境下的性能与稳定性。同时，通过将反馈至跨阻放大器的同相输入引脚电压与基准参考电压相加，输入光电二极管模块N级，可以使得光电二极管模块N级、P级之间的反向偏置电压稳定在一固定值，避免了光电二极管模块反向偏置电压变化引起的灵敏度波动与信噪比恶化。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路框图；

图2是本发明的自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路的实施例的电路连接图；

图3是本发明一个实施例的频域仿真结果图；

图4是本发明一个实施例的时域仿真结果图。

光电二极管模块1、TIA模块2、功分器模块3、低通滤波器模块4、反相比例放大模块5、基准电压模块6、加法电路模块7、带通滤波器模块8。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

如图1所示，一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，包含：光电二极管模块1、TIA模块2、功分器模块3、低通滤波器模块4、反相比例放大模块5、基准电压模块6、加法电路模块7和带通滤波器模块8。光电二极管模块1在光信号的输入下产生电流信号并接入TIA模块2的反相输入引脚，TIA模块2将光电二极管模块1的电流信号转化为电压，功分器模块3将TIA模块2的输出分为两路信号，其中一路反馈路径信号输入低通滤波器模块4，低通滤波器模块4对功分器模块3的反馈路径信号进行低通滤波后输入反相比例放大模块5，反相比例放大模块5对低通滤波器输出的电压进行反相比例放大，得到反馈电压，反馈电压一路反馈至TIA模块2的同相输入引脚作为此级运放的同相端参考电压，从而构成负反馈环路，另一路输入加法电路模块7，基准电压模块6产生基准电压，加法电路模块7将反相比例放大模块5输出的反馈电压与基准电压模块6输出的参考基准电压进行相加，相加之后的电压输出反馈至光电二极管模块1中的光电二极管的N级，作为N级的偏置电压，光电二极管模块1中的光电二极管的P级接TIA模块2。功分器模块3的另一路主路径信号经过带通滤波器模块8，带通滤波器模块8对主信号路径上的信号做带通滤波，保留目标检测信号所处频带的信号，对信号带宽外的信号进行滤除并最终输出检测目标交流信号。相比于传统光电二极管结合TIA进行光信号检测的电路而言，本发明中，TIA模块中的跨阻放大器1的同相输入引脚和光电二极管的N极所接参考电压为自适应变化电压。

如图2所示为自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路的一种示例性电路图。

光电二极管模块1具有光电二极管和结电容。光电二极管工作在反向偏置状态，N级接加法电路模块7输出的电压，P级接TIA模块2中跨阻放大器的反相输入引脚。由运放虚短特性，此引脚的电压等于反相比例放大模块5输出的反馈电压，N级与P级之间的电压差则为。为光电二极管模块1反向导通时的结电容。

TIA模块2中跨阻放大器的同相输入引脚接反馈电压，负反馈环路由反馈电阻和反馈电容、和组成。反馈电阻的阻值为1kΩ，因此此级运放的放大倍数为60dB。、和构成T型电容网络，其等效电容为，相比于单电容的方式可以更容易精确地实现小电容值。在反馈电压的作用下，TIA模块2的输出电压可以表示为。

在本申请的实施方式中，功分器模块3采用不等功率分配的方式，且主信号路径的信号衰减小于反馈路径信号衰减。使得主信号路径信号衰减小，反馈路径信号衰减大，从而保证主信号路径上的信号功率，避免过大的衰减引起检测信噪比的恶化。具体而言，功分器模块3采用定向耦合器对TIA模块2的输出进行分路。主路径上的信号衰减小，接近信号原始功率。反馈路径上的信号功率衰减大，来保证主路径上的信号功率。定向耦合器的输出接一级电压跟随器，并串联电阻后输入低通滤波器模块4。串联电阻为50Ω，保证传输线路的输出端阻抗匹配。利用电压跟随器的输入和输出之间具有高阻抗的隔离作用，可以有效地隔离输入信号源和输出负载之间的电路，保证主信号路径上的信号质量。

低通滤波器模块4对功分器模块3的反馈路径信号进行低通滤波，滤除高频分量，也即TIA输出中的交流成分，保留低频分量，也即TIA输出中的低频部分，并将此低频信号输入反相比例放大模块5。低通滤波器模块4截止频率大于光信号平均功率波动的频率，因此光电二极管直流偏置电流引起的跨阻放大器直流偏置电压输出在低通滤波器通带内无衰减地传输至反馈路径，而目标检测信号位于低通滤波器的通带外，因此在传输至反馈路径时经历显著带外衰减。如此反馈路径输出的反馈电压可以基于负反馈原理，在主信号路径最大限度地滤除平均光功率波动引起的TIA直流偏置电压分量，并且保证载波交流信号分量的无衰减。具体地，低通滤波器模块4采用五阶LC巴特沃斯低通滤波器，截止频率设置为1kHz，对反馈路径信号进行低通滤波，滤除高频分量，也即TIA输出中的交流成分，保留低频分量，也即TIA输出中的低频部分，并将此低频信号输入反相比例放大模块5。

反相比例放大模块5对低通滤波器模块4的输出信号进行反相比例放大得到反馈电压，放大系数为，其中的阻值为50Ω，和构成阻抗匹配，避免阻抗不连续引起的信号反射。反馈电压输出接至TIA模块2中运放的同相输入引脚，作为TIA模块2输出的附加基准偏置电压。

基准电压模块6采用了极低噪声的基准电压源芯片，将总电源输入转化为基准电压，并输入加法电路模块7，加法电路模块7的输出用作光电二极管的反向偏置电压。具体地，基准电压模块6采用低噪声的LDO电源芯片，总电源输入经LDO电源芯片输出低噪声的参考基准电压。

加法电路模块7将基准电压与反馈电压进行单位增益同相加法运算，即放大系数为1，也即，输出电压，并将此电压接入光电二极管的N级。

带通滤波器模块8的通带设置为目标检测信号所处频带。一方面可以进一步滤除电路不理想引起的残存直流偏置电压，另一方面，可以滤除由于光电二极管与TIA非线性导致的杂散谐波干扰。具体地，带通滤波器模块8采用五阶LC巴特沃斯带通滤波器，通带中心频率设置为80MHz，通带设置为80MHz±10MHz，保留载波信号所处的80MHz频带信息，滤除带外干扰，输出待检测目标信号，为负载端的匹配电阻。

功分器模块3、低通滤波器模块4、反相比例放大模块5、基准电压模块6以及加法电路模块7构成的光电二极管模块1直流偏置负反馈环路，可以将光电二极管模块1直流偏置电流在TIA模块2中引起的直流偏置电压进行抵消，从而完成光电二极管模块1直流分量的自适应消除，并且加法电路模块7产生的电压提供至光电二极管的N级，可以在P级电压波动时自适应的保证N级与P级之间的压差稳定在基准电压。如此，即可实现一种自适应消除光电二极管直流分量的光电探测器电路。

本电路的频域仿真结果如图3所示，其中展示了TIA模块2的输出电压、带通滤波器模块8输出的待检测目标信号以及反馈电压分别与光电二极管模块1输出电流之间的幅频响应曲线。由仿真结果可以看到，本发明可以将光电二极管模块1中的直流偏置抵消，从而TIA模块2的输出电压中将对低频成分进行滤除，而保留高频成分。带通滤波器模块8输出的待检测目标信号与光电二极管模块1的输出电流之间的频响曲线由于带通滤波器的存在而呈现带通特性，通带内的信号增益由于负载端的50Ω阻抗匹配从而在输出端引起了6dB的功率衰减，由60dB的TIA增益最终变为54dB的输出端增益。

本电路的时域仿真结果如图4所示，其中展示了TIA模块2的输出电压、带通滤波器模块8输出的待检测目标信号、反馈电压以及加法电路模块7产生的电压。光电二极管模块1的输出电流由1mA的直流偏置电流与80MHz、幅度为1mA的正弦电流组成，由仿真结果可以看到，TIA模块2的输出中直流偏置电压分量被消除，同时光电二极管N级、P级之间的电压差稳定在基准电压。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，其特征在于，包含：光电二极管模块、TIA模块、功分器模块、低通滤波器模块、反相比例放大模块、基准电压模块、加法电路模块和带通滤波器模块；

所述光电二极管模块在光信号的输入下产生电流信号并接入所述TIA模块的反相输入引脚，所述TIA模块将光电二极管模块的电流信号转化为电压，所述功分器模块将所述TIA模块的输出分为两路信号，其中一路反馈路径信号输入所述低通滤波器模块，所述低通滤波器模块对功分器模块的反馈路径信号进行低通滤波后输入所述反相比例放大模块，所述反相比例放大模块对所述低通滤波器输出的电压进行反相比例放大，得到反馈电压，反馈电压一路反馈至所述TIA模块的同相输入引脚作为此级运放的同相端参考电压，从而构成负反馈环路，另一路输入所述加法电路模块，所述基准电压模块产生基准电压，所述加法电路模块将所述反相比例放大模块输出的反馈电压与所述基准电压模块输出的参考基准电压进行相加，相加之后的电压输出反馈至光电二极管模块的N级，作为N级的偏置电压，所述功分器模块的另一路主路径信号经过所述带通滤波器模块，所述带通滤波器模块对主信号路径上的信号做带通滤波，保留目标检测信号所处频带的信号，对信号带宽外的信号进行滤除并最终输出检测目标交流信号。

2.根据权利要求1所述的一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，其特征在于，

所述功分器模块采用不等功率分配的方式，且主信号路径的信号衰减小于反馈路径信号衰减。

3.根据权利要求1所述的一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，其特征在于，

所述功分器模块采用定向耦合器对所述TIA模块的输出进行分路。

4.根据权利要求3所述的一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，其特征在于，

所述功分器模块的反馈路径后接一级电压跟随器。

5.根据权利要求1所述的一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，其特征在于，

所述低通滤波器模块采用五阶LC巴特沃斯低通滤波器。

6.根据权利要求1所述的一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，其特征在于，

所述带通滤波器模块采用五阶LC巴特沃斯带通滤波器。

7.根据权利要求1所述的一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，其特征在于，

所述带通滤波器模块的通带设置为目标检测信号所处频带。

8.根据权利要求1所述的一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，其特征在于，

所述低通滤波器模块截止频率大于光信号平均功率波动的频率。

9.根据权利要求1所述的一种自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，其特征在于，

所述反相比例放大模块与所述低通滤波器模块集成为有源反相比例放大低通滤波模块。

10.根据权利要求1所述的自适应消除光电二极管直流偏置影响的光电探测器电路，其特征在于，

所述基准电压模块采用低噪声的LDO电源芯片，总电源输入经LDO电源芯片输出低噪声的参考基准电压。