光電探測組件電源抑制比測試方法

潘 雄，宋舒雯，張少博，王 磊，宋凝芳

（北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100191）

光纖陀螺是一種全固態(tài)角速度測量傳感器，因其具有動(dòng)態(tài)范圍大、測量精度高等諸多優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航傳感和慣性測量領(lǐng)域中[1]。隨著光纖陀螺向高精度和輕小型方向發(fā)展，電磁干擾問題在輕小型一體化光纖陀螺的研制過程中顯得更加突出[4]。在已有光纖陀螺檢測電路干擾的研究中，多在假定干擾位置和特性的前提下分析該干擾對光纖陀螺性能的影響，并未對干擾的傳播機(jī)理進(jìn)行定量研究[6]。

由于光纖陀螺的本征頻率約在10 kHz (對應(yīng)10 km超高精度)～1 MHz（對應(yīng)100 m低精度）之間，頻率相對較低，故研究從傳導(dǎo)干擾入手。而電源線作為傳導(dǎo)干擾的重要傳播媒介應(yīng)作為首要的研究對象。在光纖陀螺主板檢測電路的干擾問題中，最典型的干擾路徑為階梯波驅(qū)動(dòng)電路到光電探測組件的干擾耦合通道。在利用電源完整性對其電源通道進(jìn)行分析時(shí)，必須得到光電探測組件的電源抑制比（Power Supply Rejection Ratio,PSRR）。

本文基于光纖陀螺電源傳導(dǎo)干擾弱信號特性，提出了基于鎖相放大器的光電探測組件電源抑制比測試方法，既解決了測量的帶寬限制問題又能有效提高信號的檢測范圍。本文首先闡述了光纖陀螺中光電探測組件電源抑制比的測試需求，然后提出了基于鎖相放大器的光電探測組件電源抑制比測量方案，通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測量了光電探測組件在不同頻率下的電源抑制比大小，同時(shí)測量了普通運(yùn)算放大器的交流PSRR曲線，并與產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊曲線進(jìn)行對比。最后，本文對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，并提出改善測試精度的進(jìn)一步措施。

1 光電探測組件PSRR測試需求

1.1 光纖陀螺供電網(wǎng)絡(luò)

光纖陀螺信號檢測與控制電路為典型的數(shù)?；旌想娐?，其檢測信號的傳遞通道主要分為兩條：一條是以模擬電路為主的微弱信號檢測通道，主要包括光電探測組件（PIN-FET）、模擬開關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC，Analog to Digital Converter）以及信號調(diào)理電路；另一條是以數(shù)字電路為主的調(diào)制/解調(diào)及閉環(huán)反饋通道，主要包括數(shù)字信號處理器，如現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）、數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC，Digital-to-Analog Converter）和調(diào)制波驅(qū)動(dòng)電路，該部分多產(chǎn)生脈沖信號，系統(tǒng)的干擾源多出于此[7]。為減小體積、功耗，降低成本，光纖陀螺數(shù)字電路和模擬電路使用同一組電源[8]。

在光纖陀螺主板檢測電路的各類干擾中，具有典型代表性的是調(diào)制信號通過電路耦合到光電探測組件產(chǎn)生的干擾[9]，該干擾經(jīng)過信號調(diào)理電路放大后進(jìn)入到光纖陀螺閉環(huán)檢測系統(tǒng)中，產(chǎn)生測量誤差。從DAC到光電探測組件的電源分配網(wǎng)絡(luò)的傳導(dǎo)干擾傳播示意圖如圖1所示。

圖1 DA到PIN-FET PDN傳導(dǎo)干擾示意圖Fig.1 PDN conduction interference diagram of DAC to PIN-FET

1.2 PIN-FET電源干擾抑制要求

選取DAC到光電探測組件的電源分配網(wǎng)絡(luò)為干擾傳播途徑，此時(shí)DAC為干擾源，光電探測組件為敏感源。從電磁兼容三要素來說，若要解決干擾問題，必須了解敏感設(shè)備的抗干擾特性，即明確光電探測組件電源輸入端對干擾的抑制要求。在光電探測組件輸出端引入干擾的光纖陀螺閉環(huán)系統(tǒng)相位域模型如圖2所示。

圖2 引入干擾的光纖陀螺閉環(huán)系統(tǒng)相位域模型Fig.2 Phase domain model of fiber optic gyro closed-loop system with interference

圖2中，L為光纖長度，D為光纖環(huán)直徑，λ為光波長，c為真空光速，Kop為光電轉(zhuǎn)換器的輸入光功率，Kdr為光電轉(zhuǎn)換效率，Kfet為跨阻抗放大器增益，Kamp為信號調(diào)理電路放大增益，Kad為AD轉(zhuǎn)換器增益，Kdm為數(shù)字解調(diào)增益，Kda為DA轉(zhuǎn)換器增益，Ksd為調(diào)制波驅(qū)動(dòng)電路增益，Kpm為調(diào)制器的調(diào)制系數(shù)，ΩIN為輸入角速度，Ω0為輸出角速度，Фs為Sagnac相移，ФF為反饋相移，ΔФ為閉環(huán)反饋控制的相位差[7]。

以0.3 (°)/h的光纖陀螺為例，其模型參數(shù)取值如表1所示。按照表1參數(shù)，當(dāng)輸入角速度ΩIN為0.3 (°)/h時(shí)有此時(shí)光電探測組件輸出端產(chǎn)生的交流電壓為：

表1 模型參數(shù)表Tab.1 Parameters of model

代入模型參數(shù)，若產(chǎn)生與該電壓同等量級的干擾，則Sce=V=4.51×10–7V，即當(dāng)光電探測組件輸出端有的干擾電壓時(shí)會(huì)對 0.3 (°)/h的光纖陀螺產(chǎn)生精度影響。若要求干擾的抑制比該電壓小一個(gè)量級，則到達(dá)探測器輸出端的干擾應(yīng)該抑制到Vout=4.51×10–8V。

光電探測組件輸出端噪聲來源復(fù)雜，既包含信號通道的串?dāng)_耦合、空間輻射，也包括電路噪聲等。由于單獨(dú)提取各類干擾十分困難，假設(shè)來自其電源端的干擾占輸出總干擾的十分之一，則其輸出端要抑制的電源干擾也比要抑制的總干擾電壓小一個(gè)量級，即Vpowerout=1/10×Vout=4.51×10–9V。

聯(lián)系光電探測組件信號輸出端與電源輸入端的橋梁是光電探測組件的電源抑制比，現(xiàn)已知探測器輸出端要抑制的電源干擾Vpowerout的大小，只要知道電源抑制比，就可以反推出器件電源輸入端要抑制的干擾電壓Vpowerin，得到敏感設(shè)備的抗干擾特性。這樣才能定量研究和分析電源傳導(dǎo)干擾特性，達(dá)到指導(dǎo)抗干擾設(shè)計(jì)的目的。其中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法則，時(shí)域內(nèi)的信號在頻域內(nèi)一般關(guān)注的帶寬為其5次諧波。

為保證分析的準(zhǔn)確性，在對陀螺進(jìn)行干擾分析時(shí)本文關(guān)注到解調(diào)方波的7次諧波處。以0.3 (°)/h的光纖陀螺為例，其本征頻率為 333 kHz，根據(jù)相干檢測特性，陀螺僅對解調(diào)方波的奇次諧波敏感，若關(guān)注到7次諧波處，則需要測試的PSRR帶寬為2.331 MHz。為留有一定裕度，本文測試方案選取測量帶寬為3 MHz。

2 電源抑制比測量方案設(shè)計(jì)

2.1 電源抑制比定義與傳統(tǒng)測量方法

電源抑制比定義為電源輸入紋波與同頻輸出紋波的對數(shù)比值[10]，計(jì)算公式為：

式中，ΔVIN指電源輸入端電壓的波動(dòng)值，ΔVOUT指器件信號輸出端電壓的波動(dòng)值。

該參數(shù)常用于描述運(yùn)算放大器和低壓差線性穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulator, LDO），在光電探測組件的數(shù)據(jù)手冊中并未給出。在LDO的PSRR測試中，傳統(tǒng)方法有基于電感電容（LC）總和節(jié)點(diǎn)法、基于放大器的方法及采用示波器的方法[12]。其中：LC總和節(jié)點(diǎn)法利用電容C和電感L將來自交流電壓源和直流電壓源的電壓進(jìn)行疊加，注入LDO的電源輸入端，此方法的缺點(diǎn)是適用頻帶較窄，只適用于1 kHz～500 kHz的中頻帶；基于放大器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測量方法對儀器要求較高，在高頻處LDO輸出的交流信號較小，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不易測量；采用示波器的測量方法只適用于PSRR較低的LDO，因?yàn)槭静ㄆ髦荒軠y量到mV級的電壓[12]。

2.2 基于鎖相放大器的電源抑制比測量方法

通過比較LDO的PSRR測量方法，結(jié)合光電探測組件自身的測試需求與光纖陀螺的信號頻率特點(diǎn)，只需要得到其關(guān)鍵頻率點(diǎn)處的PSRR值。由此提出基于鎖相放大器的光電探測組件電源抑制比測量方案，不僅可以滿足輸出信號中小交流信號的測試需求，還能減小測量干擾和不穩(wěn)定性。

基于式(2)，本文設(shè)計(jì)的 PSRR測試總體方案如圖3所示。整個(gè)測試系統(tǒng)分為三部分，分別為噪聲注入電路、被測件（PIN-FET）和相關(guān)檢測電路（鎖相放大器）。測試思路為：在光電探測組件的直流供電端疊加來自信號發(fā)生器通道1的交流小信號以模擬電源紋波注入，信號發(fā)生器的通道2輸入到鎖相放大器的參考信號端，兩通道設(shè)置為同頻同相模式。將光電探測組件信號輸出端輸入到鎖相放大器的信號端，根據(jù)相關(guān)檢測原理在鎖相放大器內(nèi)部解調(diào)出與參考端同頻的信號幅值大小，即得到電源干擾傳遞到信號輸出端的衰減幅值。通過公式(2)的計(jì)算即可得到光電探測組件在該頻率下的電源抑制比。改變電源端疊加的交流小信號的頻率，可以得到不同頻率下的PSRR值，將這些散點(diǎn)進(jìn)行連線，可以得到PSRR的頻率特性。其中，交流信號由信號發(fā)生器提供，紋波注入電路采用加法電路，相關(guān)檢測電路在鎖相放大器內(nèi)部進(jìn)行。

紋波注入電路中所使用的功率運(yùn)算放大器為OPA2613，采用±6 V雙電源供電，其帶寬增益積為230 MHz，輸出電流可高達(dá)350 mA，滿足PSRR測試需求。相關(guān)檢測電路中所用鎖相放大器型號為SR865，其測量范圍為10 Hz～4 MHz，符合測量頻率范圍要求；信號輸入范圍為10 mV～1V，輸出靈敏度為1 nV～1V，符合測量幅值范圍要求。

紋波注入電路使用兩級功率運(yùn)算放大器組成同相加法器，完成向光電探測組件的直流電源電壓注入交流紋波的功能。其中：第一級運(yùn)算放大器電路的作用是降低來自信號發(fā)生器的交流信號的輸出阻抗，提高電路的帶負(fù)載能力；第二級運(yùn)算放大器電路的作用是實(shí)現(xiàn)交流信號和直流電壓信號的疊加。

圖3 PSRR測試總體方案圖Fig.3 Overall scheme design of PSRR measurement

3 測試結(jié)果及分析

3.1 普通運(yùn)算放大器電源抑制比測量

為了保證實(shí)驗(yàn)裝置的測量精度，首先用相同的測試裝置和測試方法測量了常用的OP07D運(yùn)算放大器的+5V電源管腳的+PSRR頻率特性曲線，由于OP07D帶寬有限，選取頻率范圍為10 Hz～1MHz，得到的曲線如圖4所示。

由圖4曲線可以看出：本文所設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)實(shí)測OP07D運(yùn)算放大器+5V PSRR曲線與數(shù)據(jù)手冊中的理論+PSRR曲線相關(guān)系數(shù)r=0.9828，說明兩條曲線相關(guān)性較好。最大絕對誤差發(fā)生在80kHz左右，δmax=9dB。手冊中所給曲線為典型曲線，單個(gè)運(yùn)算放大器之間會(huì)存在一定差異性，因此δmax在可接受范圍內(nèi)。因此，用該裝置測量光電探測組件的電源抑制比，其交流特性結(jié)果是相對可靠的。由于RC截止頻率、運(yùn)算放大器本身交流特性以及外界環(huán)境的影響，測量存在一定的誤差，不可能完全與器件數(shù)據(jù)手冊給定的典型值相同。

圖4 OP07D實(shí)測與理論+PSRR曲線對比圖Fig.4 Comparison of measured and theoretical +PSRR curves of OP07D

3.2 光電探測組件電源抑制比測量

根據(jù)上述原理搭建了基于鎖相放大器的光電探測組件電源抑制比測試系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中所用光電探測組件為某0.3 (°)/h光纖陀螺用光電探測組件。

以測量PIN-FET組件+5V電源管腳電源抑制比為例，按圖3示意圖進(jìn)行接線，將+5 V電源管腳注入紋波，-5V電源管腳正常供電，組件尾纖不接入光路，以排除光路噪聲。設(shè)置加入的電源紋波是幅值為100 mV的正弦信號，變換頻率從100 kHz到3 MHz，記錄各頻率點(diǎn)光電探測組件輸出端輸入到鎖相放大器的解調(diào)值，得到光電探測組件+5V電源管腳的+PSRR頻率特性曲線，如圖5所示。

圖5 紋波為±100 mV的光電探測組件+5V +PSRR曲線Fig.5 +5V PSRR curve of PIN-FET with ±100 mV ripples

改變注入的正弦信號的幅值，重復(fù)實(shí)驗(yàn)操作，測量得到紋波幅值為 50 mV、200 mV、300 mV下的+PSRR曲線，將四條曲線置于同一坐標(biāo)軸下，如圖6所示。

從圖6曲線可以看出，在光電探測組件+5V直流供電端疊加的不同幅值的紋波，其+PSRR頻率特性曲線重合度較高，說明光電探測器的+PSRR在mV級別的紋波干擾下只與器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，與紋波大小無關(guān)。由于光纖陀螺的特殊性，只關(guān)注調(diào)制階梯波的奇數(shù)倍頻點(diǎn)，以0.3 (°)/h的低精度光纖陀螺為例，其調(diào)制基頻為333 kHz，因此由電路RC高通濾波器造成的低頻誤差可以忽略。

圖6 不同紋波幅值下光電探測組件的+5V PSRR曲線Fig.6 +5V PSRR curves of PIN-FET with different ripple voltages

從光電探測組件+PSRR頻率特性曲線的走向可以看出，光電探測組件的電源抑制比隨頻率的升高而降低，在100 kHz頻率點(diǎn)處約為29.5 dB，且在該點(diǎn)處+PSRR開始明顯衰減，到達(dá)333 kHz處+PSRR衰減為20.9 dB，到達(dá)3 MHz處衰減為17.9 dB。由此可見，光電探測組件對電源紋波的抑制能力隨頻率的升高而降低，因此要針對高頻噪聲進(jìn)行專門的去耦設(shè)計(jì)。

光電探測組件電源抑制比頻率特性隨廠家的不同會(huì)有所差異，可以根據(jù)不同測試需求選取合適的測量方案。針對測量誤差，測試系統(tǒng)還可以進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，可以采用屏蔽裝置屏蔽周圍環(huán)境的影響或優(yōu)化加法電路設(shè)計(jì)，盡可能減小電路結(jié)構(gòu)帶來的誤差。

4 結(jié) 論

光電探測組件是光纖陀螺中不可或缺的一部分，PSRR是光電探測組件的重要參數(shù)之一，其反映了光電探測組件對電源紋波的抑制能力，在光纖陀螺調(diào)制串?dāng)_的研究中具有十分重要的地位。不同于普通的PSRR測量方法，本文針對光纖陀螺檢測電路的信號特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并搭建了基于鎖相放大器的電源抑制比測試系統(tǒng)，測量了光電探測組件的PSRR交流特性曲線，并選用常用的運(yùn)算放大器OP07D進(jìn)行測試驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，文中的測量方法可以有效對光電探測組件進(jìn)行測量，其電源抑制比曲線呈明顯的高通特性，在100 kHz處+PSRR約為29.5 dB，3 MHz處衰減為17.8 dB。因此，在進(jìn)行光纖陀螺檢測電路設(shè)計(jì)時(shí)，要將檢測電路電源分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與器件特性相結(jié)合，才能有效地提高陀螺的抗干擾能力。

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