一种光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法及电路结构

摘要

本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法，通过本设计方法能够得到合适的第一跨阻抗值、第二跨阻抗值和校正补偿电容，避免因光信号过强出现饱和现象，可以有效滤除高频尖刺信号，避免低频有效信号畸变。同时，本发明还涉及一种光纤陀螺光电探测前置放大器电路结构，通过操控模拟开关可以使可调式跨阻抗在第一跨阻抗值与第二跨阻抗值间切换，保证前置放大器始终处于线性区工作，并且由于模拟开关断开时与闭合时光电探测器均处于将光信号转换至电信号的工作状态，不会由于模拟开关的断开使光电探测器输出信号的放大信号出现台阶状，使得后级增益能够进一步提升。

权利要求

1.一种光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法，所述前置放大器包括运算放大器和校正补偿电容，光电二极管作为输入连接于前置放大器，其特征在于，所述前置放大器还包括可调式跨阻抗，所述校正补偿电容与可调式跨阻抗并联后连接到运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述设计方法包括如下步骤：步骤S10，根据光纤陀螺的总体设计要求，确定前置放大器的设计参数，所述设计参数包括设计光强、设计输出电压、工作频率带宽、最大输出电压、运放噪声和工作波长；

步骤S20，确定第一跨阻抗值，当前置放大器在相邻的高频尖刺信号之间所对应的第一时段工作时，可调式跨阻抗在第一跨阻抗值进行工作，使前置放大器处于线性工作区；

确定第二跨阻抗值，当前置放大器在高频尖刺信号所对应的第二时段工作时，可调式跨阻抗在第二跨阻抗值进行工作，使前置放大器处于线性工作区；

步骤S30，根据工作频率带宽、最大输出电压和运放噪声确定对应型号的运算放大器；

步骤S40，确定校正补偿电容的大小，使工作频率带宽符合设计参数；

步骤S50，根据步骤S10‑步骤S40确定的工作波长、第一跨阻抗值、第二跨阻抗值、运算放大器和校正补偿电容建立前置放大器的仿真模型并进行仿真测试，得到前置放大器的输出信号，从而得到前置放大器实测的输出电压、工作频率带宽和滤除效果值，所述滤除效果值为第二时段输出信号的电压摆幅与第一时段输出信号的电压摆幅的比值；

步骤S60，根据实测的输出电压和工作频率带宽对第一跨阻抗值、第二跨阻抗值和校正补偿电容的大小进行优化调整，直至满足光纤陀螺的总体设计要求；根据滤除效果值判断高频尖刺信号的滤除效果。

2.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法，其特征在于，所述第一跨阻抗值通过以下公式进行确定：其中， 表示第一跨阻抗值； 表示设计输出电压； 表示设计光强；表示光电二极管转换效率。

3.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法，其特征在于，根据光纤陀螺的总体设计要求所确定的前置放大器的设计参数还包括光纤陀螺的调制相位，所述第二跨阻抗值通过以下公式进行确定：其中， 表示第二跨阻抗值， 表示光纤陀螺的调制相位。

4.根据权利要求2所述的一种光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法，其特征在于，所述校正补偿电容通过以下公式进行确定：其中， 表示增益带宽积； 表示校正补偿电容； 表示工作频率带宽。

5.根据权利要求1所述的一种光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法，其特征在于，步骤S60的优化调整包括如下步骤：若实测的输出电压幅值小于设计输出电压，增大第一跨阻抗值，同时增大第二跨阻抗值；若实测的输出电压幅值大于设计输出电压，减小第一跨阻抗值，同时减小第二跨阻抗值；

若实测的工作频率带宽值小于工作频率带宽的设计值，减小校正补偿电容；若实测的工作频率带宽值大于工作频率带宽的设计值，增大校正补偿电容。

6.一种光纤陀螺光电探测前置放大器电路结构，用于执行如权利要求1‑5任一项所述的光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法，包括运算放大器和校正补偿电容，光电二极管作为输入连接于前置放大器，其特征在于，所述前置放大器还包括可调式跨阻抗，所述校正补偿电容与可调式跨阻抗并联后连接到运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述可调式跨阻抗包括相并联的主跨阻抗和辅跨阻抗，所述辅跨阻抗在其所在支路串联有模拟开关，所述主跨阻抗对应的跨阻抗值为第一跨阻抗值，所述主跨阻抗和辅跨阻抗并联时的整体跨阻抗值为第二跨阻抗值。

7.根据权利要求6所述的一种光纤陀螺光电探测前置放大器电路结构，其特征在于，所述运算放大器的同相输入端接地，所述光电二极管的N极与运算放大器的反相输入端连接，所述光电二极管的P极连接有正偏压或者负偏压。

8.根据权利要求6所述的一种光纤陀螺光电探测前置放大器电路结构，其特征在于，所述模拟开关的切换时长小于第二时段时长的1/10。

9.根据权利要求6所述的一种光纤陀螺光电探测前置放大器电路结构，其特征在于，当所述模拟开关闭合时，模拟开关的导通阻抗小于辅跨阻抗的跨阻抗值的1/100。

说明书

一种光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法及电路结构

技术领域

[0001] 本发明涉及光纤陀螺技术领域，尤其涉及一种光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法及电路结构。

背景技术

[0002] 光纤陀螺是一种基于Sagnac效应的光纤角速率传感器，已广泛应用于航空、航海、航天等领域，它的发展对一个国家的工业、科技等具有十分重要的战略意义。

[0003] 干涉型光纤陀螺的工作过程中，需要通过解调电路对光电探测器输出的电信号进行解调。其中，光电探测器一般由光电二极管和前置放大器构成。光电探测器输出的电信号包含有高频尖刺信号与低频有效信号，属于典型的梳状信号。高频尖刺信号属于干扰噪声
信号，高频尖刺信号的幅值也远大于低频有效信号的幅值。在解调电路的设计过程中，高频尖刺信号与低频有效信号存在较大的滤波设计矛盾。

[0004] 高精度光纤陀螺为实现较好的采样信噪比多采用较高的光源功率，当光信号超过光电探测器饱和功率时，高频尖刺信号进一步展宽，影响低频有效信号的采样。同时，也会造成高频尖刺信号畸变并耦合进低频有效信号，进一步影响低频有效信号的采样。另外，光电探测器由饱和转到线性响应的过渡状态极易受到温度等因素影响，进而会引入低频漂移
干扰，造成高精度陀螺长期零偏稳定性差。

[0005] 目前，高频尖刺信号的处理方式主要包括以下几种：

[0006] 第一种方式，在解调电路部分设置后级放大滤波电路，从而将高频尖刺信号剔除。但是，后级放大滤波电路设计难以兼容高带宽、低噪声、高增益，往往采用折中手段。后级放大滤波电路的典型输出信号如图1所示，高频尖刺信号占到总信号的1/10以上，如果增益进一步增大高频尖刺信号占比会进一步增大，限制了对后级放大滤波电路输出的电信号进行
模数转换时的有效信息采集工作，且高频尖刺信号的不稳定性会引起陀螺零偏变化，影响
陀螺检测精度。

[0007] 第二种方式，对光电探测器输出的电信号通过离散化的数字采样方式进行信号采集与分析工作，并且人为地避开高频尖刺信号，认为所采集到的均为低频有效信号。但高频尖刺信号带来的谐波干扰已经被我们采集到了，并且作为陀螺的误差项进行输出，严重限
制了信噪比的提高，难以进一步提高陀螺精度。

[0008] 第三种方式，光电探测器采用PIN‑FET组件，通过模拟开关进行高频尖刺信号的滤除，然后进行放大、采样。采用PIN‑FET组件时光电探测器的典型输出信号如图2所示，可见采用该方式能够有效滤除高频尖刺信号，实现后级高增益放大。但是，由于模拟开关断开时输入到前置放大器的信号处于保持状态，基本是一个固定电压，与低频有效信号电平有差值，进行放大后在原高频尖刺信号处表现为台阶状，这限制了后级增益的进一步提升。

[0009] 另外，采用第三种方式，在高精度陀螺大功率光源设计方案中应用不能解决因光电探测器饱和产生的低频有效信号畸变。采用PIN‑FET组件且存在饱和现象时光电探测器
的输出信号如图3所示，可见光电探测器从饱和到线性区过渡时引入了低频的干扰信号，信号的平坦区减小较多，且过渡区受温度影响较大，对陀螺微弱的敏感信号影响较大。

发明内容

[0010] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中存在的不足，提供一种光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法及电路结构。

[0011] 本发明是通过以下技术方案予以实现：一种光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法，所述前置放大器包括运算放大器和校正补偿电容，光电二极管作为输入连接于前置放
大器，所述前置放大器还包括可调式跨阻抗，所述校正补偿电容与可调式跨阻抗并联后连
接到运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述设计方法包括如下步骤：

[0012] 步骤S10，根据光纤陀螺的总体设计要求，确定前置放大器的设计参数，所述设计参数包括设计光强、设计输出电压、工作频率带宽、最大输出电压、运放噪声和工作波长；

[0013] 步骤S20，确定第一跨阻抗值，当前置放大器在相邻的高频尖刺信号之间所对应的第一时段工作时，可调式跨阻抗在第一跨阻抗值进行工作，使前置放大器处于线性工作区；

[0014] 确定第二跨阻抗值，当前置放大器在高频尖刺信号所对应的第二时段工作时，可调式跨阻抗在第二跨阻抗值进行工作，使前置放大器处于线性工作区；

[0015] 步骤S30，根据工作频率带宽、最大输出电压和运放噪声确定对应型号的运算放大器；

[0016] 步骤S40，确定校正补偿电容的大小，使工作频率带宽符合设计参数；

[0017] 步骤S50，根据步骤S10‑步骤S40确定的工作波长、第一跨阻抗值、第二跨阻抗值、运算放大器和校正补偿电容建立前置放大器的仿真模型并进行仿真测试，得到前置放大器的输出信号，从而得到前置放大器实测的输出电压、工作频率带宽和滤除效果值，所述滤除效果值为第二时段输出信号的电压摆幅与第一时段输出信号的电压摆幅的比值；

[0018] 步骤S60，根据实测的输出电压和工作频率带宽对第一跨阻抗值、第二跨阻抗值和校正补偿电容的大小进行优化调整，直至满足光纤陀螺的总体设计要求；根据滤除效果值
判断高频尖刺信号的滤除效果。

[0019] 优选的，所述第一跨阻抗值通过以下公式进行确定：

[0020]

[0021] 其中， 表示第一跨阻抗值； 表示设计输出电压； 表示设计光强；表示光电二极管转换效率。

[0022] 优选的，根据光纤陀螺的总体设计要求所确定的前置放大器的设计参数还包括光纤陀螺的调制相位，所述第二跨阻抗值通过以下公式进行确定：

[0023]

[0024] 其中， 表示第二跨阻抗值， 表示光纤陀螺的调制相位。

[0025] 优选的，所述校正补偿电容通过以下公式进行确定：

[0026]

[0027] 其中， 表示增益带宽积； 表示校正补偿电容； 表示工作频率带宽。

[0028] 优选的，步骤S60的优化调整包括如下步骤：

[0029] 若实测的输出电压幅值小于设计输出电压，增大第一跨阻抗值，同时增大第二跨阻抗值；若实测的输出电压幅值大于设计输出电压，减小第一跨阻抗值，同时减小第二跨阻抗值；

[0030] 若实测的工作频率带宽值小于工作频率带宽的设计值，减小校正补偿电容；若实测的工作频率带宽值大于工作频率带宽的设计值，增大校正补偿电容。

[0031] 一种光纤陀螺光电探测前置放大器电路结构，用于执行如上述的光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法，包括运算放大器和校正补偿电容，光电二极管作为输入连接于前
置放大器，所述前置放大器还包括可调式跨阻抗，所述校正补偿电容与可调式跨阻抗并联
后连接到运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述可调式跨阻抗包括相并联的主跨阻
抗和辅跨阻抗，所述辅跨阻抗在其所在支路串联有模拟开关，所述主跨阻抗对应的跨阻抗
值为第一跨阻抗值，所述主跨阻抗和辅跨阻抗并联时的整体跨阻抗值为第二跨阻抗值。

[0032] 优选的，所述运算放大器的同相输入端接地，所述光电二极管的N极与运算放大器的反相输入端连接，所述光电二极管的P极连接有正偏压或者负偏压。

[0033] 优选的，所述模拟开关的切换时长小于第二时段时长的1/10。

[0034] 优选的，当所述模拟开关闭合时，模拟开关的导通阻抗小于辅跨阻抗的跨阻抗值的1/100。

[0035] 本发明的有益效果是：

[0036] 本发明所提供的光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法在前置放大器中设置可调式跨阻抗，能够使由本设计方法得到的前置放大器实现干涉信号的时域滤波，避免因光
信号过强出现饱和现象，保证前置放大器始终处于线性区工作，可以有效滤除高频尖刺信
号，避免低频有效信号畸变；由于前置放大器在采集光信号的阶段就滤除了高频尖刺信号，因此不存在谐波干扰问题，从而使得后级放大滤波电路能够兼容高带宽、低噪声和高增益
的要求；并且本设计方法得到的前置放大器不会出现从饱和到线性区的过渡现象，从而能
够降低温度对光电探测器的影响，避免由此引入低频的干扰信号，可进一步提升光纤陀螺
的精度和零偏性能；滤除效果值便于工作人员直观地判断高频尖刺信号的滤除效果。

[0037] 本发明所提供的光纤陀螺光电探测前置放大器电路结构能够避免因光信号过强出现饱和现象，保证前置放大器始终处于线性区工作，可以有效滤除高频尖刺信号，避免低频有效信号畸变，从而使得后级放大滤波电路能够兼容高带宽、低噪声和高增益的要求；而且，由于模拟开关断开时与闭合时光电探测器均处于将光信号转换至电信号的工作状态，
因此相对于背景技术中的第三种方式，光电探测器输出信号的放大信号，不会由于模拟开
关的断开而出现台阶状，使得后级增益能够进一步提升；光电二极管的输入端接至正偏压
或者负偏压，相对于将光电二极管的输入端接地，可提高光电二极管的响应速度。

附图说明

[0038] 图1是后级放大滤波电路的典型输出信号图。

[0039] 图2是采用PIN‑FET组件时光电探测器的典型输出信号图。

[0040] 图3是采用PIN‑FET组件且存在饱和现象时光电探测器的输出信号图。

[0041] 图4是本发明提供的光电二极管的P极接地时的光纤陀螺光电探测前置放大器电路结构的示意图。

[0042] 图5是本发明提供的光纤陀螺光电探测前置放大器电路结构的输出信号图。

[0043] 图中：1、光电二极管；2、主跨阻抗；3、校正补偿电容；4、辅跨阻抗；5、模拟开关；6、运算放大器。

具体实施方式

[0044] 为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

[0045] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0046] 本发明提供的一种光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法，如图4所示，所述前置放大器包括运算放大器和校正补偿电容，光电二极管作为输入连接于前置放大器，所述前
置放大器还包括可调式跨阻抗，所述校正补偿电容与可调式跨阻抗并联后连接到运算放大
器的反相输入端和输出端之间，所述设计方法包括如下步骤：

[0047] 步骤S10，根据光纤陀螺的总体设计要求，确定前置放大器的设计参数，所述设计参数包括设计光强、设计输出电压、工作频率带宽、最大输出电压、运放噪声和工作波长；

[0048] 步骤S20，确定第一跨阻抗值，当前置放大器在相邻的高频尖刺信号之间所对应的第一时段工作时，可调式跨阻抗在第一跨阻抗值进行工作，使前置放大器处于线性工作区；
确定第二跨阻抗值，当前置放大器在高频尖刺信号所对应的第二时段工作时，可调式跨阻
抗在第二跨阻抗值进行工作，使前置放大器处于线性工作区，具体的，通过模拟开关实现可调式跨阻抗的跨阻抗值在第一跨阻抗值与第二跨阻抗值间切换；

[0049] 步骤S30，根据工作频率带宽、最大输出电压和运放噪声确定对应型号的运算放大器；

[0050] 步骤S40，确定校正补偿电容的大小，使工作频率带宽符合设计参数；

[0051] 步骤S50，根据步骤S10‑步骤S40确定的工作波长、第一跨阻抗值、第二跨阻抗值、运算放大器和校正补偿电容建立前置放大器的仿真模型并进行仿真测试，得到前置放大器的输出信号，从而得到前置放大器实测的输出电压、工作频率带宽和滤除效果值，所述滤除效果值为第二时段输出信号的电压摆幅与第一时段输出信号的电压摆幅的比值；

[0052] 步骤S60，根据实测的输出电压和工作频率带宽对第一跨阻抗值、第二跨阻抗值和校正补偿电容的大小进行优化调整，直至满足光纤陀螺的总体设计要求；根据滤除效果值
判断高频尖刺信号的滤除效果，滤除效果值越接近于1表明高频尖刺信号的滤除效果越好，滤除效果值便于工作人员直观地判断高频尖刺信号的滤除效果，本发明在前置放大器中设
置可调式跨阻抗，通过本设计方法能够得到合适的第一跨阻抗值、第二跨阻抗值和校正补
偿电容，第一时段时可调式跨阻抗在第一跨阻抗值状态工作，第二时段时可调式跨阻抗在
第二跨阻抗值状态工作，能够使由本设计方法得到的前置放大器实现干涉信号的时域滤
波，避免因光信号过强出现饱和现象，保证前置放大器始终处于线性区工作，可以有效滤除高频尖刺信号，避免低频有效信号畸变，由于前置放大器在采集光信号的阶段就滤除了高
频尖刺信号，因此不存在谐波干扰问题，从而使得后级放大滤波电路能够兼容高带宽、低噪声和高增益的要求；并且本设计方法得到的前置放大器不会出现从饱和到线性区的过渡现
象，从而能够降低温度对光电探测器的影响，避免由此引入低频的干扰信号，可进一步提升光纤陀螺的精度和零偏性能。

[0053] 所述第一跨阻抗值通过以下公式进行确定：

[0054]

[0055] 其中， 表示第一跨阻抗值； 表示设计输出电压； 表示设计光强，设计光强是指到达光电二极管的最大光强；表示光电二极管转换效率。

[0056] 根据光纤陀螺的总体设计要求所确定的前置放大器的设计参数还包括光纤陀螺的调制相位 ，当无转动信号且调制相位为 时，在第一时段到达光电二极管的光强为
，在第二时段到达光电二极管的光强为 ，其中，的表达式如下： ；
若第二时段光电二极管转换的电压幅值 等于第一时段光电二极管转换的电压幅值 ，则
表明前置放大器在第二时段仍处于线性工作区。

[0057] 与 的表达式如下：

[0058]

[0059] 其中， 表示第二跨阻抗值。

[0060] 令 ，则有 。

[0061] 所述校正补偿电容通过以下公式进行确定：

[0062]

[0063] 其中， 表示增益带宽积； 表示校正补偿电容； 表示工作频率带宽。

[0064] 步骤S60所述的优化调整包括如下步骤：

[0065] 若实测的输出电压幅值小于设计输出电压，增大第一跨阻抗值，同时增大第二跨阻抗值；若实测的输出电压幅值大于设计输出电压，减小第一跨阻抗值，同时减小第二跨阻抗值；

[0066] 若实测的工作频率带宽值小于工作频率带宽的设计值，减小校正补偿电容，工作频率带宽的设计值指步骤S10中所确定的工作频率带宽；若实测的工作频率带宽值大于工
作频率带宽的设计值，增大校正补偿电容，从而使得实测的输出电压和工作频率带宽满足
光纤陀螺的总体设计要求。

[0067] 本发明提供的一种光纤陀螺光电探测前置放大器电路结构，用于执行上述光纤陀螺光电探测前置放大器设计方法，如图4所示，包括运算放大器6和校正补偿电容3，光电二极管1作为输入连接于前置放大器，所述前置放大器还包括可调式跨阻抗，所述校正补偿电容与可调式跨阻抗并联后连接到运算放大器的反相输入端和输出端之间，所述可调式跨阻
抗包括相并联的主跨阻抗2和辅跨阻抗4，所述辅跨阻抗在其所在支路串联有模拟开关5，所述主跨阻抗对应的跨阻抗值为第一跨阻抗值，所述主跨阻抗和辅跨阻抗并联时的整体跨阻
抗值为第二跨阻抗值，通过设置合理的第一跨阻抗值、第二跨阻抗值和校正补偿电容，第一时段时断开模拟开关从而使得可调式跨阻抗在第一跨阻抗值状态工作，第二时段时闭合模
拟开关从而使得可调式跨阻抗在第二跨阻抗值状态工作，能够避免因光信号过强出现饱和
现象，保证前置放大器始终处于线性区工作，可以有效滤除高频尖刺信号，避免低频有效信号畸变，从而使得后级放大滤波电路能够兼容高带宽、低噪声和高增益的要求；而且，由于模拟开关断开时与闭合时光电探测器均处于将光信号转换至电信号的工作状态，因此相对
于背景技术中的第三种方式，光电探测器输出信号的放大信号，不会由于模拟开关的断开
而出现台阶状，使得后级增益能够进一步提升。

[0068] 所述运算放大器的同相输入端接地，所述光电二极管的N极与运算放大器的反相输入端连接，如图4所示，在本实施例中，光电二极管的P极接地。当 ， ，
， ，且无转动信号输入时，前置放大器的输出信号如图5所示，
可以看出前置放大器的输出信号近似直线，可以满足后级高增益、低噪声放大要求。

[0069] 另外，光电二极管的P极还可连接正偏压或者负偏压，相对于将光电二极管的P极接地，可提高光电二极管的响应速度。

[0070] 所述模拟开关的切换时长小于第二时段时长的1/10，模拟开关的切换时长是指模拟开关从断开状态切换至闭合状态所需时长和模拟开关从闭合状态切换至断开状态所需
时长中的较长的时长，可避免由于模拟开关切换的切换时长过长影响光电探测器对光信号
的采集。

[0071] 当所述模拟开关闭合时，模拟开关的导通阻抗小于辅跨阻抗的跨阻抗值的1/100，此时可忽略模拟开关的导通阻抗对主跨阻抗和辅跨阻抗并联时的整体跨阻抗值的影响。

[0072] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。