CN108900187B - 一种光电二极管差分信号的获取电路 - Google Patents
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Abstract
本申请的目的是提供一种光电二极管差分信号获取电路，所述获取电路包括：光电二极管、电流电压电路、差分信号处理电路及全差分运放电路，其中，所述光电二极管与所述电流电压电路连接，所述电流电压电路的输出端与所述差分信号处理电路的输入端连接，所述全差分运放电路的输入端与所述差分信号处理电路的输出端连接；所述光电二级管通过接收的光照产生光电流，所述电流电压电路通过流入的光电流产生差分信号，所述差分信号处理电路将产生的差分信号进行处理后输入所述全差分运放电路输入端。从而使得光电二极管的光电转换信号可以转化为标准差分信号，光电传感器运用差分电路能够提高电路信噪比NSR，耐共模干扰性能大幅上升，结构简化。
Description
技术领域
本申请涉及光电传感器领域，尤其涉及一种光电二极管差分信号的获取电路。
背景技术
在电子产品中，越来越多的模数(A/D)转换器被设计成差分输入，在实际情况下，信号更多以单端信号形式出现，为了能进行模数转换，需要把信号从单端信号转化为差分信号，且与之相匹配的全差分运放FDA(Fully differential Amplifier)也流行起来。传统的I-V变换电路设计成单端信号，即便使用差分运放，电路信噪比差，耐共模干扰性能低，无法达到预期效果。
发明内容
本申请的目的是提供一种光电二极管差分信号获取电路，以解决传统获取的差分信号被应用时带来的单端信号的抗干扰性能和感度性能差，以及数据精度差的问题。
为解决上述技术问题，根据本申请的一方面，提供了一种光电二极管差分信号获取电路，所述获取电路包括：光电二极管、电流电压电路、差分信号处理电路及全差分运放电路，其中，
所述光电二极管与所述电流电压电路连接，所述电流电压电路的输出端与所述差分信号处理电路的输入端连接，所述全差分运放电路的输入端与所述差分信号处理电路的输出端连接；
所述光电二级管通过接收的光照产生光电流，所述电流电压电路通过流入的光电流产生差分信号，所述差分信号处理电路将产生的差分信号进行处理后输入所述全差分运放电路输入端。
进一步地，所述差分信号处理电路包括对称低通滤波电路和隔直电路，其中，所述对称低通滤波电路的输入端与所述电流电压电路的输出端连接，所述对称低通滤波电路的输出端与所述隔直电路的输入端连接，所述对称低通滤波电路将产生的差分信号进行滤波处理后输入至所述隔直电路。
进一步地，所述电流电压电路包括偏置电阻、第一负反馈电阻、第二负反馈电阻、第一前馈电容、第二前馈电容、PNP管、NPN管、第一电压电阻和第二电压电阻，其中，所述第一电压电阻和所述第二电压电阻的阻值相同。
进一步地，所述偏置电阻的两端分别与所述第一负反馈电阻及所述第二负反馈电阻连接，所述第一前馈电容与所述第一负反馈电阻并联，所述第二前馈电容与所述第二负反馈电阻并联，所述PNP管的基极分别与所述偏置电阻及所述第一负反馈电阻相连，所述PNP管的集电极与所述第一负反馈电阻、第一电压电阻相连，所述NPN管的基极分别与所述偏置电阻及所述第二负反馈电阻相连，所述NPN管的集电极与所述第二负反馈电阻、第二电压电阻相连。
进一步地，所述对称低通滤波电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，其中，所述第一电阻的一端与所述第一电压电阻相连，另一端与所述第一电容连接，所述第二电阻的一端与所述第二电压电阻相连，另一端与所述第一电容连接。
进一步地，所述隔直电路包括第二电容和第三电容，其中，所述第二电容与所述第三电容关于所述第一电容对称，所述第二电容和第三电容的取值包括0.01uF～0.1uF。
进一步地，所述全差分运放电路接入的信号中心电平为所述获取电路的工作电源电压的一半。
进一步地，所述电流电压电路包括第二一电阻、第二二电阻、第一光电二极管和第二光电二极管，其中，所述第二一电阻、第一光电二极管、第二二电阻及第二光电二极管依次连接组成桥式电路。
进一步地，所述差分信号处理电路包括第一耦合电容、第二耦合电容、第二三电阻和第二四电阻，其中，所述第一耦合电容和第二三电阻串联组成的电路与所述第二耦合电容和第二四电阻串联组成的电路对称，所述第一耦合电容与所述二一电阻及第一光电二极管的正极连接，所述第二耦合电容与所述第二二电阻及第二光电二极管的负极连接。
进一步地，所述电流电压电路还包括第一温敏电阻和第二温敏电阻，其中，所述第一温敏电阻、第二一电阻、第一光电二极管、第二二电阻、第二温敏电阻及第二光电二极管依次连接组成桥式电路，所述第一温敏电阻和所述第二温敏电阻的阻值相同。
进一步地，所述电流电压电路还包括第三温敏电阻，其中，所述第三温敏电阻的一端与所述第二一电阻及第一光电二极管连接，另一端与所述第二二电阻及第二光电二极管连接。
进一步地，所述电流电压电路包括第一放大电路、第一反馈电阻、第二放大电路及第二反馈电阻，其中，所述第一反馈电阻与所述光电二极管的负极及所述第一放大电路的负极连接，所述第二反馈电阻与所述光电二极管的正极及所述第二放大电路的负极连接，所述第一反馈电阻与所述第二反馈电阻的阻值相同。
进一步地，所述差分信号处理电路包括对称低通滤波电路和耦合电路，其中，所述对称低通滤波电路的输入端与所述电流电压电路的输出端连接，所述对称低通滤波电路的输出端与所述耦合电路的输入端连接，所述对称低通滤波电路将产生的差分信号进行滤波处理后输入至所述耦合电路。
进一步地，所述对称低通滤波电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，其中，所述第一电阻的一端与所述第一反馈电阻及所述第一放大电路的输出端相连，另一端与所述第一电容连接，所述第二电阻的一端与所述第二反馈电阻及所述第二放大电路的输出端相连，另一端与所述第一电容连接。
进一步地，所述耦合电路包括第一耦合电容、第二耦合电容、第二三电阻和第二四电阻，其中，所述第一耦合电容和第二三电阻串联组成的电路与所述第二耦合电容和第二四电阻串联组成的电路对称，所述第一耦合电容与所述第一电阻连接，所述第二耦合电容与所述第二电阻连接。
与现有技术相比，本申请提供一种光电二极管差分信号的获取电路，所述获取电路包括：光电二极管、电流电压电路、差分信号处理电路及全差分运放电路，其中，所述光电二极管与所述电流电压电路连接，所述电流电压电路的输出端与所述差分信号处理电路的输入端连接，所述全差分运放电路的输入端与所述差分信号处理电路的输出端连接；所述光电二级管通过接收的光照产生光电流，所述电流电压电路通过流入的光电流产生差分信号，所述差分信号处理电路将产生的差分信号进行处理后输入所述全差分运放电路输入端。从而使得光电二极管的光电转换信号可以转化为标准差分信号，并且比通过运放实施的差分电路具有成本上的优势，光电传感器运用差分电路能够提高电路信噪比NSR，耐共模干扰性能大幅上升，屏蔽篇减少或消除，简化结构。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1示出本申请一个方面提供的一种光电二极管差分信号获取电路示意图；
图2示出本申请一实施例中的一种形式的获取差分信号的电路示意图；
图3示出本申请一实施例中的一种获取差分信号的电路接入后级电路的示意图；
图4示出本申请一实施例中的一种获取差分信号的电路接入后级电路后的各波形示意图；
图5示出本申请又一实施例中的一种形式的获取差分信号的电路示意图；
图6示出本申请又一实施例中的一种温度补偿的电路示意图；
图7示出本申请又一实施例中的又一种温度补偿的电路示意图；
图8示出本申请又一实施例中的一种差分信号中内阻电路示意图；
图9示出本申请再一实施例中的一种形式的获取差分信号的电路示意图。
附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述。
图1示出本申请一个方面提供的一种光电二极管差分信号获取电路示意图，所述获取电路包括：光电二极管10、电流电压电路20、差分信号处理电路30及全差分运放电路40，其中，所述光电二极管10与所述电流电压电路20连接，所述电流电压电路20的输出端与所述差分信号处理电路30的输入端连接，所述全差分运放电路40的输入端与所述差分信号处理电路30的输出端连接；所述光电二级管通过接收的光照产生光电流，所述电流电压电路通过流入的光电流产生差分信号，所述差分信号处理电路将产生的差分信号进行处理后输入所述全差分运放电路输入端。从而使得光电二极管(Photo Diode，PD)的光电转换信号可以转化为标准差分信号，并且比通过运放实施的差分电路具有成本上的优势，光电传感器运用差分电路能够提高电路信噪比NSR，耐共模干扰性能大幅上升，屏蔽篇减少或消除，简化结构。
在本申请一实施例中，所述差分信号处理电路30包括对称低通滤波电路31和隔直电路32，其中，所述对称低通滤波电路31的输入端与所述电流电压电路20的输出端连接，所述对称低通滤波电路31的输出端与所述隔直电路32的输入端连接，所述对称低通滤波电路31将产生的差分信号进行滤波处理后输入至所述隔直电路32。如图2所示的本申请一实施例中的一种获取差分信号的电路示意图，其中，所述电流电压电路20包括偏置电阻R1、第一负反馈电阻R2、第二负反馈电阻R3、第一前馈电容C1、第二前馈电容C2、PNP管、NPN管、第一电压电阻R4和第二电压电阻R5，其中，所述第一电压电阻R4和所述第二电压电阻R5的阻值相同。由图2可看出，所述偏置电阻R1的两端分别与所述第一负反馈电阻R2及所述第二负反馈电阻R3连接，所述第一前馈电容C1与所述第一负反馈电阻R2并联，所述第二前馈电容C2与所述第二负反馈电阻R3并联，所述PNP管的基极分别与所述偏置电阻R1及所述第一负反馈电阻R2的一端相连，所述PNP管的集电极与所述第一负反馈电阻R2的另一端、第一电压电阻R4相连，所述NPN管的基极分别与所述偏置电阻R1及所述第二负反馈电阻R3的一端相连，所述NPN管的集电极与所述第二负反馈电阻R3的另一端、第二电压电阻R5相连。
在此，PNP管和NPN管为一对封装在一起的互补三极管，当有光照入射时，光电二极管PD产生的光电流Ip从PNP管基极流出，NPN管基极流入，三极管为电流放大元件，光电流为基极电流，则在三极管集电极形成了β倍的镜像电流Ic，如果一对三极管的参数相同，则Ic1和Ic2相同，成为Ic，VCM无电流补偿。如果三极管的参数有差别，则分别形成Ic1和Ic2，电流在R4和R5上形成电压降V1和V2，电路对称情况下V1和V2大小相同，方向相反，成为后级需要的差分信号。在本申请一实施例中，电路元件作用以及具体参数设定和计算可如下：
偏置电阻R1同时为三极管PNP管和NPN管提供直流偏置，静态条件下使得TA1NPN和PNP管处于微导通状态510k～1.2M；R2和R3为电压并联负反馈电阻，保证三极管静态工作点稳定，取值范围约为500k。C1和C2为前馈电阻，去除毛刺和干扰信号，增加电路稳定性，一般为1～2PF；R4和R5为三极管集电极电阻，产生电压信号取值为2kΩ～3.3kΩ，为获取相同的量，可使R4＝R5。
接上述实施例，所述对称低通滤波电路31包括第一电阻R6、第二电阻R7和第一电容C3，其中，所述第一电阻R6的一端与所述第一电压电阻R4相连，另一端与所述第一电容C3连接，所述第二电阻R7的一端与所述第二电压电阻R5相连，另一端与所述第一电容C3连接。具体电路形式如图2所示，其中，通过R6、R7和C3构成对称低通滤波电路，R6和R7取值约为100Ω，C3根据信号频率决定。
接续参考图2，所述隔直电路32包括第二电容C4和第三电容C5，其中，所述第二电容C4与所述第三电容C5关于所述第一电容C3对称，所述第二电容C4和第三电容C5的取值包括0.01uF～0.1uF。其中，C4和C5组成隔直电路，前后级放大器的直流电位设定，一般为0.01uF～0.1uF。
通过图2所示的电路，可获取光电二极管的差分信号，增强共模干扰，当受到干扰时V1和V2同方向变化，后级的差分电路能够拟制该变化，降低甚至消除干扰的影响。
在本申请又一实施例中，如图3所示，上述获取的差分电路与后级全差分运放电路(FDA)的连接方式，其中，所述全差分运放电路接入的信号中心电平VCM为所述获取电路的工作电源VDD电压的一半。为消除直流分量的影响，后级电路FDA的连接使用C4和C5耦合电容，通过R6和R7和C3构成对称滤波网络，V1和V2的交流分量经过滤波和耦合，以一种对称的电路形式进入后级FDA，FDA各级波形如图4所示。当Rg1＝Rg2＝Rg，Rf3＝Rf4＝Rf，Vo1＝V1*Rf3/Rg1，Vo2＝V2*Rf4/Rg2,Vo1＝Vo2＝Rf/Rg信号幅值相等，但极性相反，Vo＝Vo1。
在本申请一具体实施例中，所述电流电压电路的形式还可以如图5所示，使用两个发光二极管，所述电流电压电路20包括第二一电阻R1、第二二电阻R2、第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2，其中，所述第二一电阻R1、第一光电二极管PD1、第二二电阻R2及第二光电二极管PD2依次连接组成桥式电路。在此，I-V差分信号可以通过该桥式电路获取，再直接注入后级电路FDA放大器中。R1和R2相等，并对PD1和PD2施加反压。
继续参考图5，所述差分信号处理电路30包括第一耦合电容C1、第二耦合电容C2、第二三电阻R3和第二四电阻R4，其中，所述第一耦合电容C1和第二三电阻R3串联组成的电路与所述第二耦合电容C2和第二四电阻R4串联组成的电路对称，所述第一耦合电容C1与所述二一电阻R1及第一光电二极管PD1的正极连接，所述第二耦合电容C2与所述第二二电阻R2及第二光电二极管PD2的负极连接。在此，当光入射时，电位V1增加，V2减少，V1、V2通过耦合电容C1、C2接入FDA差分输入端进行信号放大，为保持良好的共模干扰拟制能力，R3和R4，R5和R6取值应该保持相同，则Uo＝(V1-V2)*R5/R1。
针对图5所示形式的电路，还可以进行温度补偿，因为该电路V1和V2在温度变化时朝相反方向变化，如当温度升高时，二极管的电流Ipd增大，V1增大，V2减小，对比单端信号，放大了温度对信号的影响，因此对温度需要进行补偿，补偿电路的设计可以在图5中桥式电路中各桥臂进行补偿，如图6所示，所述电流电压电路20还包括第一温敏电阻Rt1和第二温敏电阻Rt2，其中，所述第一温敏电阻Rt1、第二一电阻R1、第一光电二极管PD1、第二二电阻R2、第二温敏电阻Rt2及第二光电二极管PD2依次连接组成桥式电路，所述第一温敏电阻Rt1和所述第二温敏电阻Rt2的阻值相同。从而，当温度T升高时，PD1的电流Ipd1增大，Rt1减小，V1保持不变。当温度T升高时，PD2的电流Ipd2增大，Rt12减小，V2保持不变。
进行温度补偿，还可以用一个温敏电阻的补偿方法，如图7所示，所述电流电压电路20还包括第三温敏电阻Rt，其中，所述第三温敏电阻Rt的一端与所述第二一电阻R1及第一光电二极管PD1连接，另一端与所述第二二电阻R2及第二光电二极管PD2连接。
需要说明的是，PD产生的为受控电流源，内阻>>R1、R2，偏压电源VR为电压源，内阻≈0，因此，V1和V2两端呈现的内阻如图8所示：内阻Ro＝R1+R2。FDA的输入阻抗Ri>>Rt。由此可见：因为温度T升高→Ipd增大→V1增大；温度T升高→Ipd增大→V2减小；Vo增大→IRt增大，温度T升高→Rt减小。而Vo＝IRt*(Ro//Rt)，所以，对R1、R2、Rt合适取值，Vo基本保持不变。
在本申请的再一实施例中，获取差分电路的形式还可以如图9所示，所述电流电压电路20包括第一放大电路A1、第一反馈电阻Rf1、第二放大电路A2及第二反馈电阻Rf2，其中，所述第一反馈电阻Rf1与所述光电二极管的负极及所述第一放大电路A1的负极连接，所述第二反馈电阻Rf2与所述光电二极管的正极及所述第二放大电路A2的负极连接，所述第一反馈电阻Rf1与所述第二反馈电阻Rf2的阻值相同。在此，所述差分信号处理电路30包括对称低通滤波电路31’和耦合电路32’，其中，所述对称低通滤波电路31’的输入端与所述电流电压电路20的输出端连接，所述对称低通滤波电路31’的输出端与所述耦合电路32’的输入端连接，所述对称低通滤波电路31’将产生的差分信号进行滤波处理后输入至所述耦合电路32’。
进一步地，所述对称低通滤波电路31’包括第一电阻R1、第二电阻R2和第一电容C3，其中，所述第一电阻R1的一端与所述第一反馈电阻Rf1及所述第一放大电路A1的输出端相连，另一端与所述第一电容C3连接，所述第二电阻R2的一端与所述第二反馈电阻Rf2及所述第二放大电路A2的输出端相连，另一端与所述第一电容C3连接。所述耦合电路32’包括第一耦合电容C1、第二耦合电容C2、第二三电阻Rg1和第二四电阻Rg2，其中，所述第一耦合电容C1和第二三电阻Rg1串联组成的电路与所述第二耦合电容C2和第二四电阻Rg2串联组成的电路对称，所述第一耦合电容C1与所述第一电阻R1连接，所述第二耦合电容C2与所述第二电阻R2连接。
当有光照入射时，光电二极管PD产生的光电流Ipd流经反馈电阻Rf1，形成V1电压，形成单端信号流经Rf2形成V2电压。V1和V2电压幅值相同，方向相反，形成差分信号，直接被后续差分放大器拾取，而非再需要单端转差分电路。其中，Rf1＝Rf2，放大器A1的Vref1>放大器A2的Vref2。V1＝Vref+Ipd*Rf1。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。装置权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
Claims (13)
1.一种光电二极管差分信号获取电路，其特征在于，所述获取电路包括：光电二极管、电流电压电路、差分信号处理电路及全差分运放电路，其中，
所述光电二极管与所述电流电压电路连接，所述电流电压电路的输出端与所述差分信号处理电路的输入端连接，所述全差分运放电路的输入端与所述差分信号处理电路的输出端连接；
所述光电二极管通过接收的光照产生光电流，所述电流电压电路通过流入的光电流产生差分信号，所述差分信号处理电路将产生的差分信号进行处理后输入所述全差分运放电路输入端；
所述差分信号处理电路包括对称低通滤波电路和隔直电路，其中，所述对称低通滤波电路的输入端与所述电流电压电路的输出端连接，所述对称低通滤波电路的输出端与所述隔直电路的输入端连接，所述对称低通滤波电路将产生的差分信号进行滤波处理后输入至所述隔直电路；
所述电流电压电路包括第二一电阻、第二二电阻、第一光电二极管和第二光电二极管，其中，所述第二一电阻、第一光电二极管、第二二电阻及第二光电二极管依次连接组成桥式电路。
2.根据权利要求1所述的获取电路，其特征在于，所述电流电压电路包括偏置电阻、第一负反馈电阻、第二负反馈电阻、第一前馈电容、第二前馈电容、PNP管、NPN管、第一电压电阻和第二电压电阻，其中，所述第一电压电阻和所述第二电压电阻的阻值相同。
3.根据权利要求2所述的获取电路，其特征在于，所述偏置电阻的两端分别与所述第一负反馈电阻及所述第二负反馈电阻连接，所述第一前馈电容与所述第一负反馈电阻并联，所述第二前馈电容与所述第二负反馈电阻并联，所述PNP管的基极分别与所述偏置电阻及所述第一负反馈电阻相连，所述PNP管的集电极与所述第一负反馈电阻、第一电压电阻相连，所述NPN管的基极分别与所述偏置电阻及所述第二负反馈电阻相连，所述NPN管的集电极与所述第二负反馈电阻、第二电压电阻相连。
4.根据权利要求2所述的获取电路，其特征在于，所述对称低通滤波电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，其中，所述第一电阻的一端与所述第一电压电阻相连，另一端与所述第一电容连接，所述第二电阻的一端与所述第二电压电阻相连，另一端与所述第一电容连接。
5.根据权利要求4所述的获取电路，其特征在于，所述隔直电路包括第二电容和第三电容，其中，所述第二电容与所述第三电容关于所述第一电容对称，所述第二电容和第三电容的取值包括0.01uF～0.1uF。
6.根据权利要求1所述的获取电路，其特征在于，所述全差分运放电路接入的信号中心电平为所述获取电路的工作电源电压的一半。
7.根据权利要求1所述的获取电路，其特征在于，所述差分信号处理电路包括第一耦合电容、第二耦合电容、第二三电阻和第二四电阻，其中，所述第一耦合电容和第二三电阻串联组成的电路与所述第二耦合电容和第二四电阻串联组成的电路对称，所述第一耦合电容与所述二一电阻及第一光电二极管的正极连接，所述第二耦合电容与所述第二二电阻及第二光电二极管的负极连接。
8.根据权利要求1所述的获取电路，其特征在于，所述电流电压电路还包括第一温敏电阻和第二温敏电阻，其中，所述第一温敏电阻、第二一电阻、第一光电二极管、第二二电阻、第二温敏电阻及第二光电二极管依次连接组成桥式电路，所述第一温敏电阻和所述第二温敏电阻的阻值相同。
9.根据权利要求1所述的获取电路，其特征在于，所述电流电压电路还包括第三温敏电阻，其中，所述第三温敏电阻的一端与所述第二一电阻及第一光电二极管连接，另一端与所述第二二电阻及第二光电二极管连接。
10.根据权利要求1所述的获取电路，其特征在于，所述电流电压电路包括第一放大电路、第一反馈电阻、第二放大电路及第二反馈电阻，其中，所述第一反馈电阻与所述光电二极管的负极及所述第一放大电路的负极连接，所述第二反馈电阻与所述光电二极管的正极及所述第二放大电路的负极连接，所述第一反馈电阻与所述第二反馈电阻的阻值相同。
11.根据权利要求10所述的获取电路，其特征在于，所述差分信号处理电路包括对称低通滤波电路和耦合电路，其中，所述对称低通滤波电路的输入端与所述电流电压电路的输出端连接，所述对称低通滤波电路的输出端与所述耦合电路的输入端连接，所述对称低通滤波电路将产生的差分信号进行滤波处理后输入至所述耦合电路。
12.根据权利要求11所述的获取电路，其特征在于，所述对称低通滤波电路包括第一电阻、第二电阻和第一电容，其中，所述第一电阻的一端与所述第一反馈电阻及所述第一放大电路的输出端相连，另一端与所述第一电容连接，所述第二电阻的一端与所述第二反馈电阻及所述第二放大电路的输出端相连，另一端与所述第一电容连接。
13.根据权利要求12所述的获取电路，其特征在于，所述耦合电路包括第一耦合电容、第二耦合电容、第二三电阻和第二四电阻，其中，所述第一耦合电容和第二三电阻串联组成的电路与所述第二耦合电容和第二四电阻串联组成的电路对称，所述第一耦合电容与所述第一电阻连接，所述第二耦合电容与所述第二电阻连接。
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