[發明專利]一種基于開關電容積分器的光纖陀螺前置放大電路

在審

• 申請號: 201810382611.5
• 申請日: 2018-04-26
• 公開（公告）號: CN108871308A
• 公開（公告）日: 2018-11-23
• 發明（設計）人: 潘雄;郝帥;張少博;張春熹;苑政國;代琪;王磊
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01C19/72
• 分類號: G01C19/72
• 代理公司: 北京永創新實專利事務所 11121
• 代理人: 姜榮麗

本發明公開了一種基于開關電容積分器的光纖陀螺前置放大電路，屬于微弱信號檢測和光纖陀螺慣性測量技術領域。所述開關電容積分器包括運算放大器、第一高速模擬開關、第二高速模擬開關以及精密電容；通過使用所述開關電容積分器代替原有光纖陀螺光電轉換元件中的FET放大電路及其后續的級聯放大電路，從而降低了電路復雜程度，減小了電路尺寸，而且不產生熱噪聲，提高了電路的信噪比，同時這種通過積分時間動態調整電路增益的方式，無需邏輯控制器多次累加模數轉換器的采樣數據，因而可有效降低模數轉換器時鐘頻率，不僅有益于減小噪聲與干擾，而且進一步降低了電路功耗。

技術領域

本發明屬于微弱信號檢測和光纖陀螺慣性測量技術領域，特別是涉及一種基于開關電容積分器的光纖陀螺前置放大電路。

背景技術

光纖陀螺是一種基于薩格納克效應的角速度傳感器，廣泛應用于慣性測量領域。其中含有角速度信息的干涉光通過PIN光電二極管實現光電轉換，PIN光電二極管也稱PIN二極管，它是在兩種半導體之間PN結的中間區域，即P區與N區之間生成I型層，吸收光輻射而產生光電流的一種光檢測器，這種光檢測器具有結電容小、渡越時間短、靈敏度高等優點。實測光纖陀螺樣機中PIN二極管輸出電流的典型值為幾百微安，屬于微弱信號的范疇，所以必須在PIN二極管的輸出級引入信號放大電路，目前國內光纖陀螺大多使用PIN-FET組件，用于對干涉光信號進行光電轉換及信號的初級放大。

圖1是目前閉環光纖陀螺的結構示意圖，其主要由光路與電路兩部分組成，光路部分包括光源、耦合器、相位調制器及光纖環，其中光纖環做為敏感元件用于感知轉速信號。電路部分則由光電探測器(PIN-FET組件)、級聯放大電路、模數轉換器(D/A)、邏輯控制器、數模轉換器(A/D)以及用于驅動相位調制器的放大器組成。光纖陀螺中的電路部分用來提供附加相移用以補償由于轉速而造成的光纖環中兩束干涉光之間的相位偏移，附加相移的多少取決于轉速的大小。具體的反饋過程為PIN-FET組件將檢測到的干涉光強轉化為電壓信號，電壓信號經過級聯放大電路濾波后通過模數轉換器轉化為數字信號交由邏輯處理器件進行運算處理，邏輯控制器再根據計算出的轉速大小通過數模轉換器及其后續放大器后輸出調制方波到相位調制器上從而產生反饋相移，最終實現反饋控制。

光纖陀螺采用方波調制時，在輸入一定轉速下PIN-FET組件的輸出曲線如圖2所示，該曲線間接表示了光纖環中反向的兩束光在不同時刻的干涉光強度，波形中的尖峰是光纖環中的干涉光強等于干涉曲線峰值時造成的。我們用A與B來分別表示輸出光強的大小，其中光強A與光強B的差值即包含了輸入轉速的大小信息，在圖2中將其定義為Derro，Derro＝A-B。

作為銜接光纖陀螺光路與電路的重要部分，PIN-FET組件是陀螺電路噪聲的源頭噪聲，其噪聲水平是影響光纖陀螺相關性能指標的重要參數。PIN-FET組件主要由兩部分組成，如圖1所示，一部分是PIN二極管1，另一部分是FET放大電路2。PIN二極管1與FET放大電路2之間采用跨阻抗連接，這種連接方式具有靈敏度高、帶寬高等優點。但同時選用這種方式的直觀缺點是引入了跨阻的熱噪聲。其次由于輸入信號微弱，跨阻一般需要選擇較大的電阻來獲得可觀的增益，大電阻的存在使得放大器在放大微弱信號的同時對噪聲和干擾也非常敏感。為此，目前光纖陀螺在PIN-FET組件輸出后的信號檢測電路中仍需要采用多級放大與濾波的方式，用以在進一步放大有用信號的同時減小噪聲與干擾。如圖1所示，這種級聯放大電路4無疑增加了電路復雜程度，同時也為降低陀螺功耗、實現陀螺小型化帶來了困難。除此之外現有的信號放大電路在各器件參數選定后，增益也隨之確定，不能動態調整增益為光纖陀螺的調試帶來了一定的不便。