激光干涉仪在电子行业的应用案例

激光干涉仪是干涉式大气垂直探测仪的参考干涉系统。它利用波长为632.8 nm的he-ne激光光源,在大气垂直探测仪的动镜运动时,与目标红外辐射一起在主干涉系统中同时被调制,通过对光电探测器接收的激光干涉信号进行处理,可以获取控制信号用来触发主干涉仪等间隔采样及控制动镜匀速运动。激光干涉信号是微安级的微弱电流信号且带宽可达0.5 mhz,为了获取这样的微弱信号,需要设计低噪声的光电检测电路。在微弱光电信号检测领域,各种新方法层出不穷,文献[1]给出基于锁相放大原理的光电检测电路实现方法,文献[2]提出用快前置放大器对光电信号进行检测。本文提出了一种基于低噪声低失真宽带运放max4488的光电检测电路设计方法,能将掩埋在噪声中的激光干涉信号提取出来,通过滤波和整形处理,获取脉冲输出信号,为大气垂直探测仪的可靠运行提供有效的控制信号。

激光干涉信号检测

激光干涉信号通过硅光电探测器接收后生成光电流,经过光电转换前置放大和次级放大电路,获取信号幅值和后续信号调理电路匹配的正弦电压信号,再经过低通滤波电路滤除激光干涉信号的高频噪声,最后对信号进行比较整形获得输出信号。

光电转换前置放大电路

硅光电二极管的光谱响应范围从可见光到1 100 nm,响应时间从,响应速度快。选用探测单元为?0.8 mm的pin型高速硅光电二极管s10783,其响应度为0.46μa/μw,暗电流为0.01 na,结电容为4.5 pf。

硅光电二极管在光伏模式下工作,可实现非常精确的线性度,被放大的信号只与入射光强成正比。此时暗电流为零,探测器的噪声主要是散粒噪声和电阻的热噪声,当待测信号是微安级的微弱电流信号时,这对提高系统信噪比是非常有益的。

光电转换前置放大电路将μa级光电流信号变换成与后续电路匹配的电压信号,这就要求放大器具有低噪声及低输入偏置电流和输入失调电压性能。max4488是cmos输入级运算放大器,具有非常高的输入阻抗,在1 khz时输入电压噪声密度4.5 nv/,输入电流噪声密度0.5 fa/,输入偏置电流1 pa,输入失调电压70μa,这使得max4488能够满足源阻抗较高的硅光电二极管前置放大电路的低噪声要求,且能有效地减小系统误差,保持电路精度。

根据电路的噪声理论,光电检测电路级联网络的噪声系数主要受前置放大级噪声系数的影响。考虑硅光电二极管的散粒噪声和热噪声,以及前放电路的电压噪声、电流噪声和反馈电阻的热噪声,可得出光电转换前置放大电路在系统带宽内的噪声电压输出

低通滤波和比较整形电路

通过max4488构成同相放大器的次级放大电路后,正弦电压信号由前置放大电路0.23 v输出提升到次级放大电路2 v输出,满足滤波和整形电路信号幅值要求。

经过前级放大的激光干涉信号不可避免存在高频干扰,因此设计低通滤波电路来抑制高频噪声。butterworth低通滤波器在ω=0及其附近的通带具有最平坦的幅频响应,且随着阶数n的增加,其频率响应特性越接近理想的低通滤波特性。根据对系统带宽内电压幅频响应平坦及阻带衰减的滤波器设计要求,选用2阶butterworth低通滤波器,采用一级运算放大器max4488、两节rc滤波网络组成的有源滤波电路实现

根据动镜驱动控制系统对激光干涉信号频率的要求,滤波器截止频率fc=530 khz,通带增益k0=-1。采用滤波器设计软件filter wiz,获得滤波器参数:r1=220ω,r2=100ω,r3=220ω,c1=1nf,c2=4nf,q=0.71。

仿真结果表明,当幅值下降到0.705时所对应的频率值为533.3 khz,与滤波器截止频率fc=530khz相对应,频率值为5.38 mhz时所对应的幅值是0.0098,阻带幅值衰减为40 db/10倍频。仿真分析与理论设计基本一致,验证了所设计的滤波器的正确性。

比较整形电路把低通滤波输出的正弦信号变换为方波脉冲信号,通常采用简单的过零比较器便可把正弦信号整形成方波信号,但过零电压比较器在零点附近的抗干扰能力较差。当正弦信号过零时,由于信号不稳定或噪声的影响,在零点附近有小幅抖动,因此在这样的过渡带,比较器会发生多次翻转,导致比较器输出不稳定,这是应当避免的。利用迟滞比较器代替过零比较器可以提高抗干扰能力,避免比较器错误翻转。

整形电路输出的脉冲信号作为动镜速度检测单元的反馈信号,在后续数字电路进行信号处理,控制动镜匀速运动。

 结束语

激光干涉信号光电检测电路是大气垂直探测仪信号调理电路的重要组成部分,该电路结构简单,由集成元件组成。以s10783和max4488为核心的光电转换前置放大电路满足低噪声设计要求,并对低通滤波电路进行仿真分析和整形电路简化设计,所设计的光电检测电路符合系统的整体指标要求。

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