CN107425820B - 基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路 - Google Patents

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Abstract

一种基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路，由n级仪表放大电路级联构成，其中，n≥1，所述每一级的仪表放大电路均由两个电流反馈式运算放大器组成，电流反馈式运算放大器B1的同向输入端连接尖峰信号源，电流反馈式运算放大器A1的同向输入端连接雪崩信号源(雪崩信号会叠加在尖峰脉冲信号之上)，电流反馈式运算放大器An的输出端以及电流反馈式运算放大器Bn的输出端分别连接一射频变压器T的两输入端。本发明解决了采用射频放大器无法实现高差模增益的技术缺陷，具有共模抑制比高的特点；其高带宽特性满足了高频信号处理的要求，同时，采用级联增益的方式解决了由于电流反馈式增益有限的问题，也达到了实现雪崩信号高精度甄别的目的。

Description

基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路
技术领域
本发明涉及单光子探测器的高速模拟信号调理电路技术领域，特别涉及一种基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路。
背景技术
在量子密钥分发***(QKD)中，基于雪崩二极管的单光子探测器的暗计数率、后脉冲计数率以及死时间等参数均受限于雪崩信号调理电路的性能。由于在门控模式下，门控信号通过雪崩二极管结电容耦合到信号通路中，从而产生尖峰脉冲，其幅度是雪崩信号的几十倍；雪崩信号的调理电路在放大雪崩信号的同时，需要对尖峰脉冲进行抑制，以保证后端电路对足够小的雪崩信号的甄别。常使用的一种方法，是产生一个一致的尖峰脉冲信号，与雪崩二极管输出信号进行差分放大，将尖峰脉冲进行共模抑制，以获得雪崩信号。
尖峰脉冲和雪崩信号均为高频信号，在信号放大的同时，并消除共模信号，只采用射频放大器无法完成。需要设计共模抑制比高于40dB的差分放大电路。然而射频领域中进行先功率相减，再射频放大的方法，其增益的频率特性受到离散参数极大的影响，不能达到共模抑制的要求，而先进行射频放大再相减，由于共模信号对动态范围的限制，不能达到高差模增益的要求。
发明内容
本发明目的在于提供一种基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路，采用级联式的仪表放大电路以替代射频放大电路作为的单光子探测器的输出信号调理电路，可对雪崩信号进行大增益的放大，并消除作为共模信号的尖峰脉冲，达到实现雪崩信号高精度甄别的技术效果。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路，由n级仪表放大电路级联构成，其中，n≥1，所述每一级的仪表放大电路均由两个电流反馈式运算放大器组成，所述电流反馈式运算放大器的反向输入端与输出端连接有反馈电阻Rf，所述同一级仪表放大电路的两个电流反馈式运算放大器的反向输入端均通过增益电阻Rg以及电容Cg连接，第一级仪表放大电路包括电流反馈式运算放大器A1、电流反馈式运算放大器B1，所述电流反馈式运算放大器B1的同向输入端连接尖峰信号源，所述电流反馈式运算放大器A1的同向输入端连接尖峰信号源与雪崩信号源，所述最后一级仪表放大电路包括电流反馈式运算放大器An、电流反馈式运算放大器Bn，所述电流反馈式运算放大器An的输出端以及电流反馈式运算放大器Bn的输出端分别连接一射频变压器T的两输入端。
优选地，所述放大电路由三级仪表放大电路级联构成。
优选地，所述电流反馈式运算放大器采用OPA695、THS3202或THS4304。
与现有技术相比，本发明有以下有益效果：
本发明的基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路，解决了采用射频放大器无法完成对共模信号的消除，以及采用共模抑制比高于40dB的差分放大电路，其增益的频率特性受到离散参数极大的影响，不能达到共模抑制的要求的缺陷，本发明采用仪表放大电路结构实现高频信号的差模放大，相较射频放大，具有共模抑制比高的特点；采用电流反馈式运算放大器作为仪表放大电路结中的组成元件，相较电压反馈式运算放大器，其高带宽特性满足了高频信号处理的要求，同时，采用级联增益的方式解决了由于电流反馈式增益有限的问题，采用电流反馈式运算放大器对高频信号进行放大，其频率特性稳定，带宽只取决于反馈电阻，另外，本发明采用先差模放大再将共模信号减掉的方法有效抑制共模信号和噪声，在消除作为共模信号的尖峰脉冲的同时，也达到了实现雪崩信号高精度甄别的目的。
附图说明
图1为本发明基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路的电路图。
图中：仪表放大电路100，电流反馈式运算放大器110。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路，由n级仪表放大电路100级联构成，其中，n≥1，所述每一级的仪表放大电路100均由两个电流反馈式运算放大器110并联组成，所述电流反馈式运算放大器110的反向输入端与输出端连接有反馈电阻Rf，所述同一级仪表放大电路100的两个电流反馈式运算放大器110的反向输入端均通过增益电阻Rg以及电容Cg连接，第一级仪表放大电路包括电流反馈式运算放大器A1、电流反馈式运算放大器B1，所述电流反馈式运算放大器B1的同向输入端连接尖峰信号源，所述电流反馈式运算放大器A1的同向输入端连接尖峰信号源与雪崩信号源，所述最后一级仪表放大电路100包括电流反馈式运算放大器An、电流反馈式运算放大器Bn，所述电流反馈式运算放大器An的输出端以及电流反馈式运算放大器Bn的输出端分别连接一射频变压器T的两输入端。其中各级的增益值由反馈电阻Rf/增益电阻Rg的值决定，反馈电阻Rf/增益电阻Rg的比值范围取决于带宽以及增益合适的范围内。
所述仪表放大结构中，第n级的输出电压与输入电压关系可表示为：
第n+1级的输入电压与第n级输出电压关系可表示为：
迭代计算后得：
第一级输入可表示为：
第3级输出与S1、S2的关系可表示为：
所述级联式仪表放大电路，只对作为差模信号的雪崩信号进行放大，并不对作为共模信号的尖峰脉冲信号进行放大
所述输出级由1:1射频变压器构成，如图1连接方式，实现A3与B3信号的相减，因此输出端信号为：
Uo＝(8k3-4k2-2k)S2
其中：U为信号电压，K＝Rf/Rg，S′1为S1通过结电容Cc耦合到输入级的尖峰脉冲，S2为雪崩信号。
本发明的实施例中，放大电路由三级仪表放大电路100级联构成，电流反馈运算放大器110带宽在GHz以上，采用芯片：OPA695、THS3202或THS4304均可达到。反馈电阻Rf阻值由电流反馈式运算放大器带宽要求确定，如选取THS3202作为仪表放大结构中的电流反馈式运算放大器，带宽要求1GHz，则反馈电阻Rf阻值在280Ω左右。增益电阻Rg阻值由单级增益决定，由于电流反馈式运算放大器的增益有限，本发明将每一级增益定为10，增益电阻Rg为56Ω左右，其中K＝Rf/Rg＝280/56≈3。电容Cg容值选取10nF，在本发明所处理的高频信号带宽内，其反馈电阻Rf远小于增益电阻Rg，其中一级增益定为10，三级级联则为1000。
本发明的基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路，解决了采用射频放大器无法完成对共模信号的消除，以及采用共模抑制比高于40dB的差分放大电路，其增益的频率特性受到离散参数极大的影响，不能达到共模抑制的要求的缺陷，本发明采用仪表放大电路结构实现高频信号的差模放大，相较射频放大，具有共模抑制比高的特点；采用电流反馈式运算放大器作为仪表放大电路结中的组成元件，相较电压反馈式运算放大器，其高带宽特性满足了高频信号处理的要求，同时，采用级联增益的方式解决了由于电流反馈式增益有限的问题，采用电流反馈式运算放大器对高频信号进行放大，其频率特性稳定，带宽只取决于反馈电阻，另外，本发明采用先差模放大再将共模信号减掉的方法有效抑制共模信号和噪声，在消除作为共模信号的尖峰脉冲的同时，也达到了实现雪崩信号高精度甄别的目的。

Claims (3)

1.一种基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路，其特征在于，由n级仪表放大电路级联构成，其中，n≥1，每一级的仪表放大电路均由两个电流反馈式运算放大器组成，所述电流反馈式运算放大器的反向输入端与输出端连接有反馈电阻Rf，同一级仪表放大电路的两个电流反馈式运算放大器的反向输入端均通过增益电阻Rg以及电容Cg连接，第一级仪表放大电路包括电流反馈式运算放大器A1、电流反馈式运算放大器B1，所述电流反馈式运算放大器B1的同向输入端连接尖峰信号源，所述电流反馈式运算放大器A1的同向输入端连接尖峰信号源与雪崩信号源，最后一级仪表放大电路包括电流反馈式运算放大器An、电流反馈式运算放大器Bn，所述电流反馈式运算放大器An的输出端以及电流反馈式运算放大器Bn的输出端分别连接一射频变压器T的两输入端。
2.如权利要求1所述的基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路，其特征在于，所述放大电路由三级仪表放大电路级联构成。
3.如权利要求1或2所述的基于电流反馈式运放实现高频信号共模抑制的放大电路，其特征在于，所述电流反馈式运算放大器采用OPA695、THS3202或THS4304。
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