[发明专利]一种用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路

说明书

本发明公开一种用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路，包括四象限探测器、电流隔直模块、跨阻放大模块和模拟运算模块。四象限探测器将激光信号转换为电流信号，电流隔直模块提取出电流信号中包含位移信息的交流分量；跨阻放大模块接入电流隔直模块的输出信号，将其转换为电压信号并放大后输出；模拟运算模块接入跨阻放大模块输出的电压信号进行模拟运算和低通滤波，解算出目标的三维动态位移信息。本发明可实现高精度三维动态位移测量，适用于位移反馈系统的搭建，具有高增益兼具高带宽、电路结构简单、低噪声的优点。

技术领域

本发明涉及光电探测领域，尤其涉及一种用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路。

背景技术

四象限探测器的工作原理如下：四象限探测器是由四个完全相同的光电探测器按照四个象限排列而成。通常照射到四象限探测器光敏面的激光束用圆形光斑且能量分布均匀，当光束照射到四象限探测器表面时，若光束中心位于四象限探测器中心，各象限接收到的光功率相同，输出相等的光电流；若光束中心偏于四象限探测器中心，四个象限上由于光斑面积不同，接收到的光能量也会发生变化，从而产生不同强度的光电流，所以光电流的变化可以解算出光斑中心相对于探测器中心的位移变化。一般根据经典的和差算法，可以得到：

其中I_A、I_B、I_C、I_D分别为四象限探测器四个象限生成的光电流，I_REF为初始位置时四象限探测器生成的光电流总和；I_X、I_Y可表示为光斑在X轴、Y轴上的能量变化，I_Z可表示为光斑总强度的变化，通过I_X、I_Y、I_Z可以解算出目标在X轴、Y轴和Z轴上的位移信息。

四象限探测器具有对称性好、共模噪声抑制强、频谱响应范围广、灵敏度高的优点，被广泛应用于光镊力谱技术、激光准直技术、运动目标跟踪技术等动态测量领域。这些动态测量领域一般需要位移反馈系统对目标的三维位置信息进行实时反馈，从而作为调节量的依据，比如在激光自动准直技术中，需要根据动态目标在三个空间轴上的位移信息控制步进电机转动，使激光自动对准动态目标中心。在位移反馈系统中，目标的位移变化往往是快速的、微弱的，所以经四象限探测器转换后的光电流信号特征为：微弱（µA量级）、高频的交流量上叠加了大的直流量（mA量级），只有交流分量中包含了位移变化信息。因此用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路要求具有高增益、高响应带宽、低噪声的特点。

然而现有技术中，一般是将四象限探测器生成的光电流通过跨阻放大器转换成电压信号后再做信号调理，存在以下问题：

1)采用跨阻放大器等有源器件，光电流中的高直流分量会极大地限制跨阻放大电路的增益，导致运算放大器饱和。所以这种方法需要在跨阻放大电路后级再添加多级电压放大结构实现高增益，电路结构复杂，单级电压放大电路受增益带宽积限制，高增益下难以实现高带宽。

2)若直接利用电容实现电流交流耦合，如中国专利申请201910331254.4公开的一种四象限探测器信号放大电路，利用接地电阻R1和电容C1交流耦合去除电流信号中的直流分量，这种方案光电二极管两端的压差会随光电流直流分量幅值的变化而改变，影响光电二极管性能的稳定性，并且最大入射光功率受光电二极管最大反向压差限制。

所以现有技术难以精密提取光电流中的微弱交流信号，需要先将光电流直接转换成电压再做信号调理，存在电路结构复杂，易引入电路噪声，高增益下难以实现高带宽的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于位移反馈系统的四象限探测器信号调理电路，用于解决现有技术难以精密提取光电流中的微弱交流信号，需要采用多级放大结构，电路结构复杂，易引入电路噪声，且高增益下难以实现高带宽的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：