光电接收及检测电路的制作方法

1.本实用新型涉及集成电路领域，更具体地涉及一种光电接收及检测电路。


背景技术：

2.光电检测技术作为光电信息科学与工程技术中重要的一部分,近年来随着集成电路的快速发展，光电检测技术也在不断的发展和进步，且越发趋于高度集成化，并广泛应用于军事、医疗、工业等领域，因此不断推动着光电信息科学与工程技术的发展。光电检测电路一般由光电发送器、光电接收器、检测电路构成；光电发送器主要功能是对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，如发光二极管(led)、激光二极管及红外发射二极管等，电路构成较为简单；光电接收器主要是利用光电二极管把接收到的光信号转换为电信号；检测电路主要是把转换后的微弱电信号去噪后放大处理。光电检测电路中较为主要的部分是光电接收器及检测电路，传统的光电接收器往往需要两个光电二极管采集光信号；其中一个光电二极管采集包含光噪声的待测光信号(这里的光噪声主要是指由环境光产生的光噪声)，一个光电二极管采集光噪声信号(即指光电发送器关闭，未发出待测光信号)，两者转换为电信号后，通过各自的检测电路后，二者相减，从而过滤去除光噪声信号。传统光电接收及检测电路存在如下缺点：一是电路成本高，需要用到两个光电二极管及各自接收检测的电路，二是实现难度大，两个接收电路及检测电路存在着失调及工艺偏差，需要额外增加校准电路，以避免失调及工艺偏差带来的测量误差影响系统检测结果。
3.因此，有必要提供一种结构简单成本更低廉的改进的光电接收及检测电路来克服上述缺陷。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的是提供一种光电接收及检测电路，本实用新型的光电接收及检测电路结构简单，易于实现，成本低廉且可自动滤除光噪声信号，提高了光电检测的精度与检测效率。
5.为实现上述目的，本实用新型提供了一种光电接收及检测电路，其包括分别与外部控制信号产生器连接的光电接收子电路、噪声采集子电路及信号放大子电路，所述外部控制信号产生器分别产生控制信号以控制所述光电接收子电路、噪声采集子电路及信号放大子电路的工作状态；所述光电接收子电路分时接收第一光信号与第二光信号，并将接收到的第一光信号转换成第一电信号，将接收到的第二光信号转换成第二电信号，所述第一光信号为发光器关闭时的接收到的光噪声信号，所述第二光信号为发光器开启时接收到的光信号；所述噪声采集子电路接收所述光电接收子电路的第一电信号，并生成包含光噪声信号的共模电压；所述信号放大子电路接收所述噪声采集子电路产生的共模电压与光电接收子电路生成的第二电信号，并滤除所述第一电信号以生成第三电信号，同时所述信号放大子电路将放大后所述第三电信号输出。
6.较佳地，所述光电接收子电路包括光电二极管、电流源、第一低通滤波器及第一运
算放大器；所述光电二极管的两端分别与第一运算放大器的同相输入端及反相输入端连接；所述电流源一端与第一运算放大器的同相输入端连接，其另一端接地；所述第一低通滤波器连接于所述第一运算放大器的反相输入端与输出端之间；所述第一运算放大器的输出端分别与噪声采集子电路、信号放大子电路连接，以输出第一电信号至所述噪声采集子电路或输出第二电信号至所述信号放大子电路；外部控制器信号产生器输入第一控制信号至所述第一运算放大器的控制端，以控制所述第一运算放大器的开/关。
7.较佳地，所述第一低通滤波器包括第一电容与第一电阻，所述第一电容与第一电阻并联连接，且并联后的一端与所述第一运算放大器的反相输入端连接，并联后的另一端与所述第一运算放大器的输出端连接。
8.较佳地，所述噪声采集子电路包括第二运算放大器、开关及第二电容；所述控制信号产生器生成的第二控制信号输入所述第二运算放大器的控制端，以控制所述第二运算放大器的开/关；所述开关的一端与所述第一运算放大器的输出端连接，另一端与所述第二运算放大器的同相输入端连接；所述第二电容一端与所述第二运算放大器的同相输入端连接，另一端接地；所述第二运算放大器的反相输入端与其输出端连接，并共同与所述信号放大子电路连接，且所述第二运算放大器的输出端输出共模电压；外部控制器信号产生器输入第二控制信号至所述第二运算放大器的控制端，以控制所述第二运算放大器的开/关。
9.较佳地，当所述发光器开启时，所述开关断开以断开所述噪声采集子电路与光电接收子电路之间的连接。
10.较佳地，所述信号放大子电路包括第一变阻器、第二低通滤波器及第三运算放大器；所述第一变阻器的两端分别与第一运算放大器的输出端、第三运算放大器的反相输入端连接；所述第二低通滤波器连接于所述第三运算放大器的反相输入端与输出端之间；所述第三运算放大器的同相输入端与所述第二运算放大器的输出端连接，所述第三运算放大器的输出端输出放大后的第三电信号；外部控制信号产生器输入第三控制信号至所述第三运算放大器的控制端，以控制所述第三运算放大器的开/关。
11.较佳地，所述第二低通滤波器包括第三电容与第二变阻器，所述第三电容与第二变阻器并联连接，且并联后的一端与所述第三运算放大器的反相输入端连接，并联后的另一端与所述第三运算放大器的输出端连接。
12.较佳地，当输入所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器的控制信号为高电平时，所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器对应关闭；当输入所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器的控制信号为低电平时，所述第一运算放大器、第二运算放大器、第三运算放大器对应开启。
13.与现有技术相比，本实用新型的光电接收及检测电路仅需一个光电接收子电路即可实现对光噪声与目标光的采集接收，因此，本实用新型的光电接收及检测电路结构简单，易于实现，成本低廉；另外，通过所述信号放大子电路滤除噪声信号而得到纯净的目标光信号，减小了噪声对目标光信号的干扰影响，因此提高了光电检测的精度与检测效率。
14.通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。
附图说明
15.图1为本实用新型光电接收及检测电路的电路结构图。
具体实施方式
16.现在参考附图描述本实用新型的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如上所述，本实用新型提供了一种光电接收及检测电路，本实用新型的光电接收及检测电路结构简单，易于实现，成本低廉且可自动滤除光噪声信号，提高了光电检测的精度与检测效率。
17.请参考图1，图1为本实用新型光电接收及检测电路的电路结构图。如图所示，本实用新型的光电接收及检测电路包括分别与外部控制信号产生器(图未示)连接的光电接收子电路、噪声采集子电路及信号放大子电路。所述外部控制信号产生器分别产生控制信号(pd1、pd2、pd3)以控制所述光电接收子电路、噪声采集子电路及信号放大子电路的工作状态。具体地，所述外部控制信号产生器分别产生第一控制信号pd1、第二控制信号pd2及第三控制信号pd3，其中，所述第一控制信号pd1控制所述光电接收子电路的工作状态，所述第二控制信号pd2控制所述噪声采集子电路的工作状态，所述第三控制信号pd3控制所述信号放大子电路的工作状态，且三个所述控制信号相互独立，互不影响。所述光电接收子电路分时接收第一光信号与第二光信号，并将接收到的第一光信号转换成第一电信号，将接收到的第二光信号转换成第二电信号，所述第一光信号为发光器关闭时的接收到的光噪声信号，所述第二光信号为发光器开启时接收到的光信号；也即是，所述光电接收子电路在不同的时间接收不同的光信号，具体地，当发光器关闭时，所述光电接收子电路接收到的光信号(也即光噪声)为第一光信号，当发光器开启时，所述光电接收子电路接收到的光信号为第二光信号，也即所述第二光信号为光噪声(第一光信号)加上发光器开启后产生的目标光信号之和。所述噪声采集子电路接收所述光电接收子电路的第一电信号，并生成包含光噪声信号的共模电压；所述信号放大子电路接收所述噪声采集子电路产生的共模电压与光电接收子电路生成的第二电信号，并滤除所述第一电信号以生成第三电信号，同时所述信号放大子电路将放大后所述第三电信号输出；也即是所述噪声采集子电路与信号放大子电路接收所述光电接收子电路在不同时间输出的第一电信号与第二电信号，所述信号放大子电路对携带有第一电信号(光噪声信号)的共模电压与第二电信号进行共模及放大运算，从而生成第三电信号，所述第三电信号即为第二电信号与第一电信号的差，也即所述第三电信号中已滤除掉第一电信号中的光噪声；同时，所述信号放大子电路对微弱的第三电信号进行了放大后再输出，以便于识别检测该第三电信号。由上述可知，本实用新型的光电接收及检测电路仅需一个光电接收子电路即可实现对光噪声(第一光信号)与目标光的采集接收，因此，本实用新型的光电接收及检测电路结构简单，易于实现，成本低廉；另外，通过所述信号放大子电路滤除噪声信号而得到纯净的目标光信号，减小了噪声对目标光信号的干扰影响，因此提高了光电检测的精度与检测效率。
18.作为本实用新型的优选实施方式，所述光电接收子电路包括光电二极管d0、电流源vs、第一低通滤波器及第一运算放大器op1；所述光电二极管d0的两端分别与第一运算放大器op1的同相输入端及反相输入端连接；所述电流源vs一端与第一运算放大器op1的同相输入端连接，其另一端接地；所述第一低通滤波器连接于所述第一运算放大器op1的反相输
入端与输出端之间；所述第一运算放大器op1的输出端分别与噪声采集子电路、信号放大子电路连接，以输出第一电信号至所述噪声采集子电路或输出第二电信号至所述信号放大子电路；所述光电二极管d0用以接收光信号并将光信号对应转换成电信号，而所述第一低通滤波器用以滤除所述光电二极管d0接收后的电信号中的高频干扰信号。其中，所述外部控制信号产生器生成的第一控制信号pd1输入所述第一运算放大器op1的控制端，以控制所述第一运算放大器op1的开/关，且当所述第一控制信号pd1为高电平时，所述第一运算放大器op1关闭，而当所述第一控制信号pd1为低电平时，所述第一运算放大器op2关闭,进尔可通过设置调整所述第一控制信号pd1的高低电平而控制所述光电接收子电路的工作状态。更进一步地，所述第一低通滤波器包括第一电容c1与第一电阻r1，所述第一电容c1与第一电阻r1并联连接，且并联后的一端与所述第一运算放大器op1的反相输入端连接，并联后的另一端与所述第一运算放大器op2的输出端连接。
19.再有，在本实用新型中，所述噪声采集子电路包括第二运算放大器op1、开关k1及第二电容c2；所述开关k1的一端与所述第一运算放大器op1的输出端连接，另一端与所述第二运算放大器op2的同相输入端连接；所述第二电容c2一端与所述第二运算放大器op2的同相输入端连接，另一端接地；所述第二运算放大器op2的反相输入端与其输出端连接，并共同与所述信号放大子电路连接，且所述第二运算放大器op2的输出端输出共模电压。其中，所述外部控制信号产生器生成的第二控制信号pd2输入所述第二运算放大器op2的控制端，以控制所述第二运算放大器op2的开/关；具体地，当所述第二控制信号pd2为高电平时，所述第二运算放大器op2关闭，而当所述第二控制信号pd2为低电平时，所述第二运算放大器op2开启,进尔可通过设置调整所述第二控制信号pd2的高低电平而控制所述噪声采集子电路的工作状态。在本实用新型的优先实施例中，当所述发光器开启时，所述开关k1断开以断开所述噪声采集子电路与光电接收子电路之间的连接,从而使得所述噪声采集子电路仅接收所述光电采集子电路采集到的噪声信号(第一光信号转换后的第一电信号)。
20.另外，在本实用新型中，所述信号放大子电路包括第一变阻器r11、第二低通滤波器及第三运算放大器op3；所述第一变阻器r11的两端分别与第一运算放大器op1的输出端、第三运算放大器op3的反相输入端连接；所述第二低通滤波器连接于所述第三运算放大器op3的反相输入端与输出端之间，以滤除接收到的第二电信号中的高频干扰信号；所述第三运算放大器op3的同相输入端与所述第二运算放大器op2的输出端连接，所述第三运算放大器op3的输出端输出放大后的第三电信号vout。其中，所述外部控制信号产生器生成的第三控制信号pd3输入所述第三运算放大器op32的控制端，以控制所述第三运算放大器op32的开/关；具体地，当所述第三控制信号pd3为高电平时，所述第三运算放大器op3关闭，而当所述第三控制信号pd3为低电平时，所述第三运算放大器op3关闭,进尔可通过设置调整所述第三控制信号pd3的高低电平而控制所述信号放大子电路的工作状态。其中，所述第二低通滤波器包括第三电容c3与第二变阻器r12，所述第三电容c3与第二变阻器r12并联连接，且并联后的一端与所述第三运算放大器op3的反相输入端连接，并联后的另一端与所述第三运算放大器op3的输出端连接。在本实用新型中，所述信号放大子电路对携带有第一电信号的共模电压与第二电信号进行共模运算，从而生成第三电信号，第三电信号即为第二电信号与第一电信号的差，也即使得所述第三电信号中已滤除掉第一电信号中的光噪声，同时对所述第三电信号进行放大输出。
21.下面，请再参考图1，描述本实用新型光电接收及检测电路的工作过程及原理,其中，针对所述控制信号(第一控制信号pd1、第二控制信号pd2、第三控制信号pd3)统一用1表示高电平，0表示低电平：
22.发光器未打开时，设置pd1＝0，pd2＝1，pd1＝1,且待光电接收子电路稳定后，所述光电接收子电路中的光电二极管d0接收第一光信号(光噪声信号),并产生光噪声电流i
n1
(第一电信号的电流),此时a点的电压为：
[0023]va0
＝i
n1
×
r1 vs
[0024]
其中，上式中vs为电流源vs两端的电压值。
[0025]
继续保持pd1＝0，pd2＝1，pd1＝1，闭合噪声采集子电路中的开关k1,采样电压a点的电压v
a0
并将其保存至第二电容c2,此时b点的电压v
b0
与a点的电压v
a0
相同,即
[0026]vb0
＝v
a0
＝i
n1
×
r1 vs
[0027]
然后设置pd1＝0，pd2＝0，pd3＝0，且待噪声采集子电路与信号放大子电路稳定后，断开开关k1，由于作为低噪声运放的第二运算放大器op2为缓冲连接方式,所以c点的电压v
c0
与b点电压v
b0
相等,即
[0028]vc0
＝v
b0
＝i
n1
×
r1 vs
[0029]
显而易见地，c点的电压v
c0
包含了光噪声电压,同时作为噪声采集子电路的共模电压。
[0030]
再打开发光器发射目标光,光电接收子电路中光电二极管d0同时接收待测目标光信号与光噪声信号，其中所述目标光信号与光噪声信号一起形成所述第二光信号,并产生电流i
p
(第二电信号的电流),其中i
p
主要由目标光信号产生的电流i
f1
及光噪声产生的电流i
n2
构成,即
[0031]ip
＝i
f1
i
n2
[0032]
在实际应用时,由光噪声信号采集变换到目标光信号采集的切换速度很快,而光噪声信号变化慢,且等效为一个随机信号,所以实际过程中：
[0033]in1
＝i
n2
[0034]
此时a点电压：
[0035]va1
＝(i
f1
i
n2
)
×
r1 vs＝(i
f1
i
n1
)
×
r1 vs
[0036]
式子中的i
f1
×
r1为目标光信号的电压,i
n1
×
r1为光噪声信号的电压。
[0037]
此时，由于pd3＝0，信号放大子电路工作,其输入端电压为v
a1
，共模电压为v
c0
，则输出电压为：
[0038][0039]
而所述信号放大子电路的主要目的是放大目标光信号电压i
f1
×
r1,同时抑制光噪声信号电压i
n1
×
r1，上式中1/sc3为第三电容c3的等效容抗，由于第二变阻器r12及第三电容c3构成低通滤波器，可以滤除无用的高频电压信号，从而设计合适的第二变阻器r12及第三电容c3，使得信号放大子电路的带宽略大于目标光信号带宽，则可以滤除目标光信号以外的噪声，对于目标光信号，在其通带内可以由如下式子表示：
[0040]
[0041]
由上式中可以看出光噪声电压i
n1
×
r1没有被放大，而作为目标光信号的电压i
f1
×
r1被放大了r12/r11倍，因此，本实用新型的光接收及检测电路在设计时，可以根据不同环境调节可变电阻r11及r12的阻值，从而达到需求的放大倍数。
[0042]
综上所述，本本实用新型的光电接收及检测电路结构简单，易于实现，成本低廉；另外，通过所述信号放大子电路滤除噪声信号而得到纯净的目标光信号，减小了噪声对目标光信号的干扰影响，因此提高了光电检测的精度与检测效率。
[0043]
以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。