一种高增益宽带平衡零拍探测器制造技术

本发明专利技术涉及量子随机数发生器，一种高增益宽带平衡零拍探测器，包括由第一光电二极管和第二光电二极管组成的差分电路，由第一电阻和第一电容组成的交直流分离电路，由顺序连接的第一射频类放大器、第二电容、第二射频类放大器、第三电容、第三射频类放大器、第四电容组成的三级放大电路。本发明专利技术通过对平衡零拍探测器进行改进，去掉了传统的跨组运算放大器，采用射频类放大器，并以此重新设计电路，从而使平衡零拍探测器的带宽大大提高。

【技术实现步骤摘要】
一种高增益宽带平衡零拍探测器
本专利技术涉及量子随机数发生器，具体为一种高增益宽带平衡零拍探测器。
技术介绍
基于连续变量量子态分量起伏不确定性生成随机数的方法，因其模型明确、高带宽、强鲁棒性、可芯片集成等优势成为一种有着很好应用前景的量子随机数产生方案。平衡零拍探测器能够可靠地提取连续变量量子态的量子正交分量的噪声起伏，具有将经典噪声共模抑制的同时还能把量子正交分量起伏增益放大到宏观水平的优点，从而被广泛用于量子随机数发生器中。平衡零拍探测器信噪比直接影响着连续变量量子随机数的量子熵含量，其带宽则直接决定着连续变量量子随机数的熵源带宽，也就是说，平衡零拍探测器直接影响着连续变量量子随机数发生器的安全性及产率。网络技术的飞速发展对信息传输速度与安全性要求越来越高，随机码安全性及产率的提高迫在眉睫。所以本专利技术提出研究高带宽、高信噪比、高增益的平衡零拍探测器方案。为了减小电子学噪声对测量的影响，光电探测器所测得的电子学噪声至少低于散粒噪声基准10dB以上，即要求信噪比至少大于10dB。目前，平衡零拍探测器在电路设计上多采用一级放大电路结构或者两级放大电路结构，原因在于探测器增益与信噪比之间存在矛盾，即随着放大级数的增加，虽然探测器的增益会增加，但是探测器的电子噪声也会增加，从而导致信噪比降低，不能满足大于10dB这一要求。除此之外，探测器的增益与带宽之间也存在矛盾，目前的平衡零拍探测器所用到的放大器基本都是跨阻运算放大器，如SA5211、AD829AQ等，它们更适用于低频领域，而在扩大带宽时，其增益性能会下降。这些问题大大限制了平衡零拍探测器测量量子噪声的能力。因此，如何提高探测器性能，仍需要探究。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有平衡零拍探测器在高频领域增益低的问题，提出了一种高增益宽带平衡零拍探测器。本专利技术是所采用的技术方案是：一种高增益宽带平衡零拍探测器，包括由第一光电二极管(1)和第二光电二极管(2)组成的差分电路，由第一电阻(3)和第一电容(4)组成的交直流分离电路，由顺序连接的第一射频类放大器(5)、第二电容(6)、第二射频类放大器(7)、第三电容(8)、第三射频类放大器(9)、第四电容(10)组成的三级放大电路；第一光电二极管(1)的阳极和第二光电二极管(2)的阴极连接，第一光电二极管(1)的阴极通过第二电阻(11)连接正电压，第二光电二极管(2)的阳极通过第三电阻(13)连接负电压，第一光电二极管(1)的阴极通过第五电容(12)接地，第二光电二极管(2)的阳极通过第六电容(14)接地，第一光电二极管(1)的阳极通过第一电阻(3)接地，第一光电二极管(1)的阳极通过第一电容(4)连接第一射频类放大器(5)的输入端，第一射频类放大器(5)的输出端通过第二电容(6)连接第二射频类放大器(7)的输入端，第二射频类放大器(7)的输出端通过第三电容(8)连接第三射频类放大器(9)的输入端，第三射频类放大器(9)的输出端通过第四电容(10)连接交流输出，第一射频类放大器(5)和第二电容(6)构成第一级放大电路，第二射频类放大器(7)和第三电容(8)构成第二级放大电路，第三射频类放大器(9)和第四电容(10)构成第三级放大电路。两个光电二极管产生了光电流差信号，第一电阻(3)将电流信号转化成电压信号并进行了放大(因为射频类放大器的输入信号是电压，所以我们要把两光电二极管产生的差电流信号转化成电压信号，而根据欧姆定律U＝IR，此时的电阻R相当于起到了一个放大作用，放大的倍数为电阻的阻值)；第一电容(4)、第二电容(6)、第三电容(8)和第四电容(10)起隔离直流作用；三个射频类放大器均为低噪声射频放大器(射频类放大器中有一参数叫做噪声系数NF,噪声系数是为了衡量某一放大器或某一系统的噪声特性而引入的对系统内部噪声大小的度量，噪声系数NF＝输入端信噪比/输出端信噪比。本专利中要求噪声系数NF一般小于2.7dB)，目的是放大电压信号；第五电容(12)和第六电容(14)与第二电阻(11)和第三电阻(13)构成滤波电路，过滤电源产生的高次谐波噪声。本专利技术具有如下有益效果：(1)本专利技术通过对平衡零拍探测器进行改进，去掉了传统的跨组运算放大器，采用射频类放大器，并以此重新设计电路，从而使平衡零拍探测器的带宽大大提高(传统的跨阻运算放大器的带宽与放大倍数成反比，如果要增加放大倍数的话，那么带宽必然减小，以此放大器为核心的平衡零拍探测器一般都只有几十MHz，这种放大器并不适用于高频电路，而射频类放大器的带宽一般是固定的、很大的，相比于跨阻放大器在增加探测器带宽方面更有优势)。现有的平衡零拍探测器，测量带宽一般在MHz量级，本专利技术的测量带宽可达GHz量级。(2)本专利技术基于基尔霍夫电流定律，设计了一种以射频类放大器为核心的三级放大电路结构的平衡零拍探测器，使得探测器在高频领域也具有较高的增益，具体为在GHz量级的带宽下增益达到20K以上，这远远超过同等带宽条件下的平衡零拍探测器的增益性能。(3)本专利技术在实现平衡零拍探测器增益高于20K、带宽为GHz量级优越性能的情况下，也保证了探测器的信噪比大于10dB(平衡零拍探测器的放大级数从二级变成三级之后，相对应的会引入了更多的噪声，使探测器的信噪比过低而失去使用价值，这也是以往探测器放大级数增加到三级时所面临的问题，而本专利技术通过理论计算，改用低暗电流噪声光电二极管，因为暗电流噪声为噪声的主要成分，此外采用的射频类放大器噪声系数低于2.7，因为噪声系数超过2.7的放大器自身引入噪声过多，基于这两点改变重新设计了电路，从而解决了探测器信噪比低这一问题，并通过实例理论计算，验证了这一设计的可行性，确保了探测器的性能提升)，满足了平衡零拍探测器实际测量的基本要求，使得该探测器的专利技术具有现实意义。附图说明图1是本专利技术的原理图；图2是现有的跨阻运算放大器电路结构图；图3是现有的光电二极管噪声模型示意图；其中，1、第一光电二极管，2、第二光电二极管，3、第一电阻，4、第一电容，5、第一射频类放大器，6、第二电容，7、第二射频类放大器，8、第三电容，9、第三射频类放大器，10、第四电容，11、第二电阻，12、第五电容，13、第三电阻，14、第六电容，15、跨阻运算放大器，16、反馈电阻，17、光电二极管产生的光电流，18、光电二极管产生的热噪声，19、光电二极管产生的暗电流，20、光电二极管分流电阻，21、光电二极管结电容，22、低噪声射频放大器。具体实施方式如图1所示，一种高增益宽带平衡零拍探测器，可用于探测分析连续变量量子态量子正交分量的噪声起伏。两个光电二极管产生的光电流差信号，经由第一电阻转化成相应的电压信号，电压信号的交流部分经由第一电容输出到第一射频类放大器和第二电容，经过第一次放大，再输出到第二射频类放大器和第三电容，经过第二次放大，然后输出到第三射频类放大器和第四电容，经过第三次放大，最后输出到AC端，用于测量平衡零拍探测器的电子学噪声和光场的量子噪声。本专利技术装置包括由第一光电二极管PD1和第二光电二极管PD2组成的差分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高增益宽带平衡零拍探测器，其特征在于：包括由第一光电二极管（1）和第二光电二极管（2）组成的差分电路，由第一电阻（3）和第一电容（4）组成的交直流分离电路，由顺序连接的第一射频类放大器（5）、第二电容（6）、第二射频类放大器（7）、第三电容（8）、第三射频类放大器（9）、第四电容（10）组成的三级放大电路；第一光电二极管（1）的阳极和第二光电二极管（2）的阴极连接，第一光电二极管（1）的阴极通过第二电阻（11）连接正电压，第二光电二极管（2）的阳极通过第三电阻（13）连接负电压，第一光电二极管（1）的阴极通过第五电容（12）接地，第二光电二极管（2）的阳极通过第六电容（14）接地，第一光电二极管（1）的阳极通过第一电阻（3）接地，第一光电二极管（1）的阳极通过第一电容（4）连接第一射频类放大器（5）的输入端，第一射频类放大器（5）的输出端通过第二电容（6）连接第二射频类放大器（7）的输入端，第二射频类放大器（7）的输出端通过第三电容（8）连接第三射频类放大器（9）的输入端，第三射频类放大器（9）的输出端通过第四电容（10）连接交流输出，第一射频类放大器（5）和第二电容（6）构成第一级放大电路，第二射频类放大器（7）和第三电容（8）构成第二级放大电路，第三射频类放大器（9）和第四电容（10）构成第三级放大电路。/n...

【技术特征摘要】
1.一种高增益宽带平衡零拍探测器，其特征在于：包括由第一光电二极管（1）和第二光电二极管（2）组成的差分电路，由第一电阻（3）和第一电容（4）组成的交直流分离电路，由顺序连接的第一射频类放大器（5）、第二电容（6）、第二射频类放大器（7）、第三电容（8）、第三射频类放大器（9）、第四电容（10）组成的三级放大电路；第一光电二极管（1）的阳极和第二光电二极管（2）的阴极连接，第一光电二极管（1）的阴极通过第二电阻（11）连接正电压，第二光电二极管（2）的阳极通过第三电阻（13）连接负电压，第一光电二极管（1）的阴极通过第五电容（12）接地，第二光电二极管（2）的阳极通过第六电容（14）接地，第一光电二极管（1）的阳极通过第一电阻（3）接地，第一光电二极管（1）的阳极通过第一电容（4）连接第一射频类放大器（5）的输入端，第一射频类放大器（5）的输出端通过第二电容（6）连接第...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭晓敏，蔡少卓，郭龑强，高沁中，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14