全文摘要
本实用新型公开一种低噪声激光接收器，包括集资串联的激光接收电路、信号放大电路和阈值比较电路，所述激光接收电路为雪崩光电二极管(APD)；所述信号放大电路包括串联的一级放大芯片(U1)、二级放大芯片(U2)；所述阈值比较电路为比较器芯片(U3)。本实用新型的激光接收器，噪声低、增益高。
主设计要求
1.一种低噪声激光接收器，包括集资串联的激光接收电路、信号放大电路和阈值比较电路，其特征在于：所述激光接收电路为雪崩光电二极管(APD)；所述信号放大电路包括串联的一级放大芯片(U1)、二级放大芯片(U2)；所述阈值比较电路为比较器芯片(U3)。
设计方案
1.一种低噪声激光接收器，包括集资串联的激光接收电路、信号放大电路和阈值比较电路，其特征在于：
所述激光接收电路为雪崩光电二极管(APD)；
所述信号放大电路包括串联的一级放大芯片(U1)、二级放大芯片(U2)；
所述阈值比较电路为比较器芯片(U3)。
2.根据权利要求1所述的低噪声激光接收器，其特征在于：
所述雪崩光电二极管(APD)的负极与150V电源相连，其正级通过一滤波电容(C0)与所述一级放大芯片(U1)输入负端(-IN)相连；
还包括第一滤波电容(Cpin1)和第二滤波电容(Cpin2)，所述第一滤波电容(Cpin1)与第二滤波电容(Cpin2)并联后，一端接地，另一端与雪崩光电二极管(APD)的负极相连。
3.根据权利要求2所述的低噪声激光接收器，其特征在于：
还包括接第一接地电阻(R1)、接地电容(C1)、第一反馈电阻(R2)和第一补偿电容(C2)；
所述反馈电阻(R2)与补偿电容(C2)并联后，一端与所述一级放大芯片(U1)的反馈端(FB)相连，另一端与所述一级放大芯片(U1)输入负端(-IN)相连；
所述第一接地电阻(R1)与接地电容(C1)并联后，一端接地，另一端与所述一级放大芯片(U1)的输入正端(+IN)相连。
4.根据权利要求3所述的低噪声激光接收器，其特征在于：
还包括第一阻抗匹配电阻(R3)、第二接地电阻(R5)、第二反馈电阻(R10)和第二补偿电容(C15)；
所述二级放大芯片(U2)的输入负端(-IN)通过阻抗匹配电阻(R3)与一级放大芯片(U1)的输出端(OUT)相连；
所述二级放大芯片(U2)的输入正端(+IN)通过第二接地电阻(R5)接地；
所述第二反馈电阻(R10)与第二补偿电容(C15)并联后，一端与所述二级放大芯片(U2)的输入负端(-IN)相连，另一端与二级放大芯片(U2)的输出端(Vout)相连。
5.根据权利要求4所述的低噪声激光接收器，其特征在于：
还包括第二阻抗匹配电阻(R6)、第一分压电阻(R7)、第二分压电阻(R8)、限流电阻(R9)、第一耦合电容(C13)和第二耦合电容(C14)；
所述比较器芯片(U3)的输入正端(+IN)通过第二阻抗匹配电阻(R6)与所述二级放大芯片(U2)的输出端(Vout)相连；
所述限流电阻(R9)一端与所述比较器芯片(U3)的信号输出正端(Q)相连，其另一端与比较器芯片(U3)的信号输出负端(Q-)相连；
所述比较器芯片(U3)的输入负端(-IN)通过第一分压电阻(R7)与5V电源相连，还通过第二分压电阻(R8)接地；
所述第一耦合电容(C13)与第二耦合电容(C14)并联后，一端接5V电源，另一端接地。
6.根据权利要求1至5之一所述的低噪声激光接收器，其特征在于：
所述一级放大芯片(U1)采用ADA4817-1。
7.根据权利要求1至5之一所述的低噪声激光接收器，其特征在于：
所述二级放大芯片(U2)采用AD8061。
8.根据权利要求1至5之一所述的低噪声激光接收器，其特征在于：
所述比较电路为比较器芯片(U3)采用LTC6754。
设计说明书
技术领域
本实用新型属于光电检测技术领域，特别是一种低噪声、高增益的激光接收器。
背景技术
激光接收器用于接收调制的激光信号，并输出可以通过数字电路处理的数字信号。
现有激光接收器包括激光接收电路、信号放大电路、阈值比较电路，其信号放大电路包括三极管放大电路和运算放大器放大电路。三极管放大电路如图1所示，包括由三极管Q1构成的第一级放大电路、三极管Q2构成的射极跟随电路、以及三极管Q3构成的第二级放大电路，具有成本低且增益固定的优点。
但是用三极管搭建的放大电路，需要较多的分立元件来保证信号的稳定性，三极管Q2构成的射极跟随电路的作用就是防止第一级放大电路和第二级放大电路阻抗不匹配产生自激振荡。较多的分立元件对于信号布线要求很高，并且电路为了减小尺寸往往会忽视电源抑制电路，使得三极管放大电路对电源噪声比较敏感。设计比较好的三极管电路的输出噪声有500mV左右，这大大限制了系统的探测能力。
为了减小阈值比较电路输出信号的延时，提高激光接收电路的可靠性，可以从两个方面来解决：一方面是减小信号放大电路输出信号的上升沿，另一方面减小阈值比较电路处理信号的延时。信号的上升沿主要与信号放大电路的带宽和压摆率有关，图1中现有的三极管放大电路带宽基本维持在100MHz左右，较窄使得信号的上升沿较缓，并且阈值比较电路的处理速度较慢，这大大限制了输出信号的可靠性。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种激光接收器，噪声低、增益高。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：
一种低噪声激光接收器，包括集资串联的激光接收电路、信号放大电路和阈值比较电路，所述激光接收电路为雪崩光电二极管APD；所述信号放大电路包括串联的一级放大芯片U1、二级放大芯片U2；所述阈值比较电路为比较器芯片U3。
优选地，所述雪崩光电二极管APD的负极与150V电源相连，其正级通过一滤波电容C0与所述第一级放大芯片U1输入负端-IN相连；还包括第一滤波电容Cpin1和第二滤波电容Cpin2，所述第一滤波电容Cpin1与第二滤波电容Cpin2并联后，一端接地，另一端与雪崩光电二极管APD的负极相连。
优选地，还包括接第一接地电阻R1、接地电容C1、第一反馈电阻R2和第一补偿电容C2；所述反馈电阻R2与补偿电容C2并联后，一端与所述第一级放大芯片U1的反馈端FB相连，另一端与所述第一级放大芯片U1输入负端-IN相连；所述第一接地电阻R1与接地电容C1并联后，一端接地，另一端与所述第一级放大芯片U1的输入正端+IN相连。
优选地，还包括第一阻抗匹配电阻R3、第二接地电阻R5、第二反馈电阻R10和第二补偿电容C15；所述二级放大芯片U2的输入负端-IN通过阻抗匹配电阻R3与第一级放大芯片U1的输出端OUT相连；所述二级放大芯片U2的输入正端+IN通过第二接地电阻R5接地；所述第二反馈电阻R10与第二补偿电容C15并联后，一端与所述二级放大芯片U2的输入负端-IN相连，另一端与二级放大芯片U2的输出端Vout相连。
优选地，还包括第二阻抗匹配电阻R6、第一分压电阻R7、第二分压电阻R8、限流电阻R9、第一耦合电容C13和第二耦合电容C14；所述比较器芯片U3的输入正端+IN通过第二阻抗匹配电阻R6与所述二级放大芯片U2的输出端Vout相连；所述限流电阻R9一端与所述比较器芯片U3的信号输出正端Q相连，其另一端与比较器芯片U3的信号输出负端Q-相连；所述比较器芯片U3的输入负端-IN通过第一分压电阻R7与5V电源相连，还通过第二分压电阻R8接地；所述第一耦合电容C13与第二耦合电容C14并联后，一端接5V电源，另一端接地。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：
1、噪声低：本实用新型采用了运算放大器构成信号放大电路，最终系统的输出噪声为100mV左右，相比现有的三极管信号放大电路输出500mV噪声而言，系统的探测能力得到极大的提高。取得这种效果的原因在于电路中使用的分立元件减少，引入的热噪声和散粒噪声大大降低，同时信号线布局简单使得信号布局引入的噪声进一步降低。
2、增益高：本实用新型采取增益无限大的运算放大器组成信号放大电路，电路增益的调节范围扩大，相比单个三极管放大电路极限增益为80dB，电路的增益得到了提高。
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。
附图说明
图1是现有技术激光接收器的电路图。
图2是本实用新型低噪声激光接收器的电路图。
图中，雪崩光电二极管APD，一级放大芯片U1，二级放大芯片U2，比较器芯片U3，滤波电容C0，第一滤波电容Cpin1，第二滤波电容Cpin2，接地电阻R1，接地电容C1，第一反馈电阻R2，第一补偿电容C2，第一阻抗匹配电阻R3，第二接地电阻R5，第二反馈电阻R10，第二补偿电容C15，第二阻抗匹配电阻R6，第一分压电阻R7，第二分压电阻R8，限流电阻R9，第一耦合电容C13，第二耦合电容C14。
具体实施方式
如图2所示，本实用新型低噪声激光接收器，包括集资串联的激光接收电路、信号放大电路和阈值比较电路，所述激光接收电路为雪崩光电二极管APD；所述信号放大电路包括串联的一级放大芯片U1、二级放大芯片U2；所述阈值比较电路为比较器芯片U3。
如图2所示，所述雪崩光电二极管APD的负极与150V电源相连，其正级通过一滤波电容C0与所述第一级放大芯片U1输入负端-IN相连；
还包括第一滤波电容Cpin1和第二滤波电容Cpin2，所述第一滤波电容Cpin1与第二滤波电容Cpin2并联后，一端接地，另一端与雪崩光电二极管APD的负极相连。
如图2所示，还包括接第一接地电阻R1、接地电容C1、第一反馈电阻R2和第一补偿电容C2；
所述反馈电阻R2与补偿电容C2并联后，一端与所述第一级放大芯片U1的反馈端FB相连，另一端与所述第一级放大芯片U1输入负端-IN相连；
所述第一接地电阻R1与接地电容C1并联后，一端接地，另一端与所述第一级放大芯片U1的输入正端+IN相连。
如图2所示，还包括第一阻抗匹配电阻R3、第二接地电阻R5、第二反馈电阻R10和第二补偿电容C15；
所述二级放大芯片U2的输入负端-IN通过阻抗匹配电阻R3与第一级放大芯片U1的输出端OUT相连；
所述二级放大芯片U2的输入正端+IN通过第二接地电阻R5接地；
所述第二反馈电阻R10与第二补偿电容C15并联后，一端与所述二级放大芯片U2的输入负端-IN相连，另一端与二级放大芯片U2的输出端Vout相连。
如图2所示，还包括第二阻抗匹配电阻R6、第一分压电阻R7、第二分压电阻R8、限流电阻R9、第一耦合电容C13和第二耦合电容C14；
所述比较器芯片U3的输入正端+IN通过第二阻抗匹配电阻R6与所述二级放大芯片U2的输出端Vout相连；
所述限流电阻R9一端与所述比较器芯片U3的信号输出正端Q相连，其另一端与比较器芯片U3的信号输出负端Q-相连；
所述比较器芯片U3的输入负端-IN通过第一分压电阻R7与5V电源相连，还通过第二分压电阻R8接地；
所述第一耦合电容C13与第二耦合电容C14并联后，一端接5V电源，另一端接地。
优选地，
所述一级放大芯片U1采用ADA4817-1。
该芯片具有1050MHz的带宽，4nV\/√Hz的电压噪声和2.5fA\/√Hz的电流噪声，符合光电检测电路对于第一级放大电路低噪声的要求。
优选地，
所述二级放大芯片U2采用AD8061。
该芯片具有成本低、650V\/us高压摆率的特点，符合二级放大电路对输出上升沿的要求。
优选地，
所述比较电路为比较器芯片U3采用LTC6754。
该芯片具有输出信号速度快的优点，符合该光电检测电路对信号实时性的要求。
本实用新型的工作原理如下：
首先打开调制好的脉冲激光器，启动信号发射单元。为了保证激光发射信号的准直性，需要一个发射光学系统，这样输出的激光脉冲信号汇聚度比较好。这时把接好电源的激光接收电路放在激光发射的光路上，这样保证了入射激光信号的光功率。比较器芯片输出的信号通过示波器查看，如果可以探测到脉冲信号，说明光电检测电路正常工作。把比较器芯片6号管脚的信号输入FPGA系统中，进行相关处理。
本实用新型的一级放大芯片的带宽为1050MHz，带宽远大于现有激光接收电路的300MHz左右的带宽，这有效保证了输出信号的上升沿。二级放大芯片的主要作用是对一级放大芯片的输出信号进行进一步放大，此时输出信号的上升沿与芯片的压摆率有关，选了压摆率为650V\/us的芯片。最终输出信号的上升为10ns，而现有的激光接收电路输出的放大信号上升沿为20ns。由于选择的是输入噪声较小的一级放大芯片，电压噪声为4nV\/√Hz和电流噪声为2.5fA\/√Hz，使得雪崩光电二极管的噪声得到很好的抑制，最终系统总的输出噪声电压为100mV左右，比现有激光接收电路的500mV得到很大的提高。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920073561.2
申请日:2019-01-17
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:84(南京)
授权编号:CN209326786U
授权时间:20190830
主分类号:G01J 1/44
专利分类号:G01J1/44;G01J1/08
范畴分类:31C;
申请人:南京理工大学;南京理工晟奥光电科技有限公司
第一申请人:南京理工大学
申请人地址:210094 江苏省南京市孝陵卫200号
发明人:钱惟贤;郭萍萍;陈钱;顾国华;杨锦清;蔡贵霞;吴春红;彭志勇;花睿
第一发明人:钱惟贤
当前权利人:南京理工大学;南京理工晟奥光电科技有限公司
代理人:吴茂杰
代理机构:32203
代理机构编号:南京理工大学专利中心
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计