一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试系统，用于实现对光电探测组件的电源抑制比参数的测量。该测试系统由三部分组成，分别为噪声注入加法电路、光电探测组件(PIN‑FET组件)(待测器件)以及相关检测电路构成。其中，噪声注入加法电路用于在光电探测组件的直流供电端注入交流噪声，光电探测组件为待测量的器件，相关检测电路位于锁相放大器内部，用于检测并解调出光电探测组件信号输出端与注入噪声同频的信号幅值大小。

A power suppressing ratio test system for optoelectronic detection components based on phase locked amplifier

The invention discloses a power supply rejection ratio test system for photoelectric detection components based on lock-in amplifier, which is used for measuring the power supply rejection ratio of photoelectric detection components. The test system consists of three parts, respectively, the noise injection adding circuit, photoelectric detection component (PIN (FET component) device to be measured) and detection circuit. Among them, the noise injection addition circuit for injecting AC noise in DC power supply terminal of the photoelectric detection component, photoelectric detection component for the device to be measured, the related detection circuit in the lock-in amplifier, used to detect and demodulate the signal output end of the photoelectric detection component injected noise signal amplitude with the same frequency size.

【技术实现步骤摘要】
一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试系统
本专利技术涉及一种基于微弱信号检测的电源抑制比测试系统，电源噪声经过光电探测组件后到达输出端上的同频噪声十分微弱，故使用锁相放大器检测。因此，该测试装置更特别地说，是指一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试系统。
技术介绍
光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的角速度测量器件，广泛应用于惯性测量领域。目前国内光纤陀螺使用的光电探测器组件为PIN-FET组件，用于对干涉光信号进行光电转换。该组件主要由两部分组成，一部分是半导体PIN光电二极管，另一部分是FET前置放大器电路(以低噪声GaAsFET为输入级)。PIN-FET组件的工作原理图如图1所示，其工作原理为：给光电二极管施加反向偏压，当光电二极管受到光照，且光能量大于或等于光电二极管材料的带隙能量时，光子释放能量，电子受激发而产生光生载流子，在PN结电场的作用下，最后形成流过光电二极管的电流。场效应晶体管(FET)和三极管组成跨阻抗放大电路，将光电二极管产生的微弱电流信号放大，并实现电流到电压的转换，最后输出电压信号。FET前置放大电路具有高输入阻抗，能够与PIN二极管形成较好的匹配，有利于减小外部干扰和杂散电容，降低热噪声。光纤陀螺用光电探测组件中光电二极管与FET前置放大器采用跨阻抗连接，具有灵敏度高、信噪比高、带宽高等特点。PIN-FET组件FET前置放大电路第一级为场效应管放大电路。第一级选择场效应管的原因是输入阻抗高，同时场效应管选择低噪声的InGaAs场效应管可以降低光电探测组件的噪声电平。第二级为共基极放大电路，第一级和第二级构成的共源-共基结构能够提供足够的放大器带宽。第三级为射随电路，输出级采用射极跟随器能够提高电路的带负载能力。跨阻抗一端与第三级射随电路的NPN三极管的射极相连，另一端与场效应管的栅极相连，构成电压并联负反馈线路。输出端位于最后一级NPN三极管的射极处，输出端串联一定阻值的电阻，以消除振铃以及振荡。光纤陀螺检测电路为复杂的数模混合电路，其数字电路和模拟电路使用同一套电源，因此电源噪声对器件的输出会产生较大的影响。随着光纤陀螺向轻小型和组件电路一体化方向发展，其检测电路中的电源完整性问题更加突出。光电探测组件是光纤陀螺中的光电转换部分，作为电信号传递的第一级器件，其输出是检测电路部分的信号来源，是影响FOG检测信噪比的关键因素，也是决定FOG随机游走系数指标的重要环节。研究光电探测组件电源处噪声对其输出信号的影响对后续研究光纤陀螺微弱信号检测抗干扰问题具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：研究光电探测组件器件本身对电源噪声的抑制能力，设计一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试系统，用于测量光电探测组件的交流电源抑制比，为减小电路中的电源噪声、优化电路结构提供参数指导。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试系统，用于测量供电端产生的电源噪声通过光电探测组件后反映在光电探测组件输出信号中的噪声大小。光电探测组件的电源抑制比表征了光电探测组件器件本身对电源噪声的抑制能力。所述基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试系统分为两部分，分别是噪声注入加法电路和光电探测组件输出信号相关检测电路。其中噪声注入加法电路使用功率运算放大器搭建交流电压与直流电压相叠加的加法电路；光电探测组件输出信号相关检测电路是由信号发生器、光电探测组件和锁相放大器组成的相关检测电路。信号发生器发出的特定频率的正弦波，输入到加法电路中与直流稳压电源的直流电压进行叠加，叠加后的信号输入到光电探测组件的电源管脚。将光电探测组件正常工作时的输出信号输入到锁相放大器的信号输入端，同时，信号发生器发出的正弦波输入到锁相放大器的参考端。根据相关检测原理在锁相放大器内部实现对输出信号的相关解调，得到与电源电压中叠加的交流信号同频的信号幅度，计算得到光电探测组件在固定频率下的电源抑制比。所述噪声注入加法电路可以是由运算放大器组成的同相加法电路或者反相加法电路。信号发生器产生的交流电压信号和直流稳压电源产生的直流电压信号可以输入到运算放大器的正相输入端，也可以输入到运算放大器的反相输入端，经运算放大器搭建的放大加法电路后叠加在一起构成光电探测组件的供电电压。所述光电探测组件属于PIN-FET组件，由双电源进行供电。其中，为了测试光电探测组件的电源抑制比，其正负电源管脚的供电形式分为三种，分别为：正电源管脚采用叠加固定频率交流信号后的直流电压供电，负电源管脚采用直流稳压电源供电；正电源管脚采用直流稳压电源供电，负电源管脚采用叠加固定频率交流信号后的直流电压供电；正、负电源管脚均采用叠加固定频率交流信号后的直流电压供电。所述光电探测组件为PIN-FET组件，该组件主要由两部分组成，一部分是半导体PIN光电二极管，另一部分是FET前置放大器电路。PIN光电二极管的作用是将光信号转化为电信号；FET前置放大器电路的作用是将转化后的电信号由电流信号变为电压信号再经过放大后输出。所述锁相放大器利用相关检测原理用于测量光电探测组件输出信号中与电源端注入噪声同频率的信号大小。本专利技术的优点在于：(1)本专利技术提供的电源抑制比测试系统，能够有效的测量经过光电转换后的光电探测组件受到同频的周期电源噪声的干扰情况；(2)使用运算放大器搭建加法电路模拟电源噪声，对直流电压信号和交流电压信号进行叠加，不使用外部仪器(如线路注入器)，简单易行；(3)锁相放大器测量信号频率范围广，动态范围大，灵敏度高，可以检测到nV级的微弱信号，测量精准；(4)相关检测过程在锁相放大器内部进行，只解调与输入信号同频的噪声，可以屏蔽其它频率的噪声干扰，可靠性高。附图说明图1为PIN-FET组件内部电路结构图；图2为本专利技术的总体方案示意图；图3为噪声注入加法电路原理图；图4为电源端交流信号测量电路示意图。图中：1-噪声注入加法电路2-光电探测组件3-锁相放大器4-信号发生器5-功率运算放大器6-直流稳压电源7-第二级运算放大器具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术进一步详细说明。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。首先，对本专利技术的整体方案原理进行概括描述。本专利技术的总体方案示意图如图2所示。整个电源抑制比系统分为三个部分，第一部分为噪声注入加法电路模块-1，第二部分为光电探测组件-2，第三部分为相关检测电路(锁相放大器-3)。其中，噪声注入加法电路模块-1主要用于模拟电源噪声注入，即在+5V/-5V直流电压信号上叠加一定频率的交流信号；光电探测组件-2为待测器件；锁相放大器-3用于解调光电探测组件-2的输出信号中与噪声注入加法电路-1注入的交流信号同频的信号幅值大小。图2中第一部分是噪声注入电路，其中交流信号源为信号发生器，型号为Tektronix公司的AFG3102，直流信号源为直流稳压电源，型号为GWINSTEK的GPC-3030DN；第二部分是PIN-FET内部电路结构图，在实际实验中这是一个厂家封装好的器件，不需要再作声明；第三部分为锁相放大器，也是一个仪器，使用型号为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试系统，其特征在于，包括噪声注入加法电路模块、光电探测组件和锁相放大器；噪声注入加法电路模块模拟电源噪声注入，输出端接光电探测组件的+5V/‑5V电源电压输入端，光电探测组件的输出端接入锁相放大器的信号输入端作输入信号，噪声注入加法电路模块中的信号发生器的输出端接入锁相放大器的参考信号端，锁相放大器解调光电探测组件的输出信号中与噪声注入加法电路模块注入的交流信号同频的交流噪声大小，此噪声即为电源噪声经过光电探测组件的噪声。

【技术特征摘要】
1.一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试系统，其特征在于，包括噪声注入加法电路模块、光电探测组件和锁相放大器；噪声注入加法电路模块模拟电源噪声注入，输出端接光电探测组件的+5V/-5V电源电压输入端，光电探测组件的输出端接入锁相放大器的信号输入端作输入信号，噪声注入加法电路模块中的信号发生器的输出端接入锁相放大器的参考信号端，锁相放大器解调光电探测组件的输出信号中与噪声注入加法电路模块注入的交流信号同频的交流噪声大小，此噪声即为电源噪声经过光电探测组件的噪声。2.根据权利要求1所述的一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试系统，其特征在于，噪声注入加法电路包括信号发生器、第一级运算放大器、直流稳压电源和第二级运算放大器；信号发生器为交流信号源，输出信号至第一级运算放大器，经过第一级运算放大器后的信号频率不变，幅值变为原来的两倍，该信号与直流稳压电源产生的直流电压信号经过第二级运算放大器组成同相加法电路进行叠加，作为光电探测组件的供电电压。3.根据权利要求2所述的一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试系统，其特征在于，所述的噪声注入加法电路具体为：信号发生器经过电容C5接入到第一个功率运算放大器的同相输入端，中间连接电阻R9接地，第一个功率运算放大器的反相输入端接电阻R10接地，并在R10与反相输入端之间接反馈电阻R11至第一个功率运算放大器的输出端，第一个功率运算放大器的输出端接电阻R12至第二个功率运算放大器的同相输入端，且直流稳压电源产生的直流电源电压经R13后也连接到第二个功率运算放大器的同相输入端，第二个功率运算放大器的反相输入端接电阻R14接地，并在R14与反相输入端之间接反馈电阻R15至第二个功率运算放大器的输出端，第二个功率运算放大器的输出端接入到光电探测组件的+5V/-5V电源输入端。4.根据权利要求1-3任何一项权利要求所述的一种基于锁相放大器的光电探测组件电源抑制比测试系统，其特征在于，噪声注入加法电路各级信号的幅值和频率的关系具体为：(1)第一个功率运算放大器组成的放大电路中：在第一个功率运算放大器中运算放大器同相输入端的电容和电阻组成高通滤波器，其传递函数为：其中，C5为第一级功率运算放大器同相输入端与信号发生相连接的电容，R9为电容C5和运算放大器同相输入端相连的接地电阻，A为C5和R9组成的高通滤波器的传递函数，V2为第一级功率运算放大器同相输入端电压，V1为信号发生产生的交流电压，为高通滤波器的截止频率，其幅频特性为：

【专利技术属性】
技术研发人员：潘雄，宋舒雯，张少博，王磊，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11