фотоприемное устройство

Формула изобретения

1. Фотоприемное устройство, содержащее фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель и, по крайней мере, один элемент отрицательной обратной связи, катод фотодиода соединен с первым входом дифференциального усилителя, а анод - со вторым входом указанного усилителя, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что в фотоприемное устройство введено регулируемое сопротивление, выполняющее роль элемента отрицательной обратной связи, указанное регулируемое сопротивление включено параллельно фотодиоду, а управляющий вход регулируемого сопротивления соединен с выходом дифференциального усилителя.

2. Фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что в него введен источник напряжения, через который осуществлено соединение анода фотодиода со вторым входом дифференциального усилителя.

3. Фотоприемное устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве регулируемого сопротивления использован полевой транзистор, затвор которого является управляющим входом регулируемого сопротивления, соединенным с выходом дифференциального усилителя, сток полевого транзистора соединен с анодом фотодиода, исток полевого транзистора соединен с катодом фотодиода, источник напряжения включен плюсом к аноду фотодиода, а минусом - ко второму входу дифференциального усилителя.

4. Фотоприемное устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве регулируемого сопротивления использован биполярный транзистор типа n-p-n, база которого является управляющим входом регулируемого сопротивления, соединенным с выходом дифференциального усилителя, коллектор этого биполярного транзистора соединен с анодом фотодиода, эмиттер биполярного транзистора соединен с катодом фотодиода, источник напряжения включен плюсом к аноду фотодиода, а минусом - ко второму входу дифференциального усилителя.

5. Фотоприемное устройство по п. 2, отличающееся тем, что в качестве регулируемого сопротивления использован биполярный транзистор типа p-n-р, база которого является управляющим входом регулируемого сопротивления, соединенным с выходом дифференциального усилителя, эмиттер этого биполярного транзистора соединен с анодом фотодиода, коллектор биполярного транзистора соединен с катодом фотодиода, источник напряжения включен плюсом к аноду фотодиода, а минусом - ко второму входу дифференциального усилителя.

6. Фотоприемное устройство по п. 3, или 4, или 5, отличающееся тем, что в него введен первый резистор, включенный между катодом фотодиода и минусом источника питания.

7. Фотоприемное устройство по п. 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что в него введен второй резистор, через который осуществлено соединение управляющего входа регулируемого сопротивления с выходом дифференциального усилителя.

8. Фотоприемное устройство по п. 3, или 4, или 5, или 6, отличающееся тем, что в него введены конденсатор и второй резистор, соединение управляющего входа регулируемого сопротивления с выходом дифференциального усилителя осуществлено через указанный второй резистор, а конденсатор включен между первым входом дифференциального усилителя и точкой соединения второго резистора с управляющим входом регулируемого сопротивления.

9. Фотоприемное устройство по п. 1, отличающееся тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, в качестве регулируемого сопротивления использован цифровой потенциометр, выходные контакты которого включены параллельно фотодиоду, вход цифрового потенциометра является управляющим входом регулируемого сопротивления, а соединение управляющего входа регулируемого сопротивления с выходом дифференциального усилителя осуществлено через аналого-цифровой преобразователь.

10. Фотоприемное устройство по п. 2, отличающееся тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, в качестве регулируемого сопротивления использован цифровой потенциометр, выходные контакты которого включены параллельно фотодиоду, вход цифрового потенциометра является управляющим входом регулируемого сопротивления, соединение управляющего входа регулируемого сопротивления с выходом дифференциального усилителя осуществлено через аналого-цифровой преобразователь, а источник напряжения включен к аноду фотодиода минусом или плюсом, а ко второму входу дифференциального усилителя соответственно плюсом или минусом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к фотоприемным устройствам, и может быть использовано, в частности, при измерении температуры нагретых изделий в различных отраслях промышленности.

Известно фотоприемное устройство, содержащее фотодиод и резистор, соединенные параллельно друг с другом и включенные на вход преобразователя, выход которого является выходом устройства (а.с. СССР 1453183, G 01 J 1/42, оп. 23.01.89 г.).

Такое фотоприемное устройство обладает малым динамическим диапазоном по входному сигналу вследствие возможной перегрузки большим по величине сигналом постоянного светового фона и недостаточной линейностью передаточной характеристики. При снижении нелинейности передаточной характеристики путем уменьшения величины сопротивления резистора падает чувствительность устройства. Чувствительность устройства также падает при увеличении постоянной составляющей освещенности и при увеличении температуры окружающей среды, нагреве фотодиода. При увеличении освещенности и температуры фотодиода до определенного максимума чувствительность падает до нуля.

Наиболее близким (прототипом) к предложенному техническому решению является фотоприемное устройство, содержащее фотодиод, катод которого соединен с первым (инвертирующим), а анод - со вторым (неинвертирующим) входом дифференциального усилителя с отрицательной обратной связью, цепь которой включает резистор и конденсатор, первые выводы каждого из которых электрически соединены в общую точку, второй вывод резистора соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход дифференциального усилителя является выходом устройства (патент РФ 2038574, G 01 J 1/44, оп. 27.06.95 г.). Фотоприемное устройство, являющееся электронной схемой, включает источник питания.

Наличие в устройстве-прототипе отрицательной обратной связи позволяет при высоком коэффициенте усиления дифференциального усилителя по переменному току несколько уменьшить нелинейность фотоприемника при повышенных сигналах постоянного фона и несколько расширяет динамический диапазон входного сигнала. Обеспечивается возможность селективного увеличения чувствительности в некоторой полосе частот, определяемой параметрами цепи обратной связи.

Однако недостатками прототипа являются ограничение динамического диапазона по входному сигналу, недостаточная линейность передаточной характеристики при больших величинах входного сигнала, пониженная чувствительность к малым изменениям оптического сигнала при большой величине постоянной составляющей освещенности, например, в условиях яркого искусственного или солнечного освещения (до 75000 люкс). Кроме того, существует нелинейная зависимость чувствительности устройства от температуры окружающей среды (температуры нагрева фотодиода), при этом чувствительность падает по мере увеличения нагрева фотодиода, что требует термостатирования устройства. Также потребляемая устройством-прототипом мощность увеличивается с увеличением фоновой засветки фотодиода, так как компенсация увеличивающегося при этом тока фотодиода происходит с использованием дифференциального усилителя с обратной связью за счет дополнительного потребления тока от источника питания усилителя.

Задачей изобретения является расширение динамического диапазона по входному сигналу и повышение степени линейности передаточной характеристики при больших величинах постоянной составляющей освещенности без снижения чувствительности устройства в широком интервале рабочих температур фотодиода, уменьшение зависимости чувствительности устройства от величины постоянной составляющей освещенности и от температуры окружающей среды, а также снижение потребляемой устройством мощности при повышении фоновой освещенности фотодиода.

Для решения поставленной задачи в фотоприемное устройство, содержащее фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель и по крайней мере один элемент отрицательной обратной связи, катод фотодиода соединен с первым входом дифференциального усилителя, а анод - со вторым входом указанного усилителя, выход которого является выходом устройства, введено регулируемое сопротивление, выполняющее функцию элемента отрицательной обратной связи, указанное регулируемое сопротивление включено параллельно фотодиоду, а управляющий вход регулируемого сопротивления соединен с выходом дифференциального усилителя.

Кроме того, фотоприемное устройство отличается тем, что в него введен источник напряжения, через который осуществлено соединение анода фотодиода со вторым входом дифференциального усилителя.

Также фотоприемное устройство отличается тем, что в качестве регулируемого сопротивления использован полевой транзистор, затвор которого является управляющим входом регулируемого сопротивления, соединенным с выходом дифференциального усилителя, сток полевого транзистора соединен с анодом фотодиода, исток полевого транзистора соединен с катодом фотодиода, источник напряжения включен плюсом к аноду фотодиода, а минусом - ко второму входу дифференциального усилителя.

Еще фотоприемное устройство отличается тем, что в качестве регулируемого сопротивления использован биполярный транзистор типа n-p-n, база которого является управляющим входом регулируемого сопротивления, соединенным с выходом дифференциального усилителя, коллектор этого биполярного транзистора соединен с анодом фотодиода, эмиттер биполярного транзистора соединен с катодом фотодиода, источник напряжения включен плюсом к аноду фотодиода, а минусом - ко второму входу дифференциального усилителя.

Фотоприемное устройство отличается также тем, что в качестве регулируемого сопротивления использован биполярный транзистор типа p-n-p, база которого является управляющим входом регулируемого сопротивления, соединенным с выходом дифференциального усилителя, эмиттер этого биполярного транзистора соединен с анодом фотодиода, коллектор биполярного транзистора соединен с катодом фотодиода, источник напряжения включен плюсом к аноду фотодиода, а минусом - ко второму входу дифференциального усилителя.

Фотоприемное устройство отличается еще тем, что в него введен первый резистор, включенный между катодом фотодиода и минусом источника питания.

Фотоприемное устройство отличается и тем, что в него введен второй резистор, через который осуществлено соединение управляющего входа регулируемого сопротивления с выходом дифференциального усилителя.

Фотоприемное устройство отличается, кроме того, тем, что в него введены конденсатор и второй резистор, соединение управляющего входа регулируемого сопротивления с выходом дифференциального усилителя осуществлено через указанный второй резистор, а конденсатор включен между первым входом дифференциального усилителя и точкой соединения второго резистора с управляющим входом регулируемого сопротивления.

Фотоприемное устройство дополнительно отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, в качестве регулируемого сопротивления использован цифровой потенциометр, выходные контакты которого включены параллельно фотодиоду, вход цифрового потенциометра является управляющим входом регулируемого сопротивления, а соединение управляющего входа регулируемого сопротивления с выходом дифференциального усилителя осуществлено через аналого-цифровой преобразователь.

Наконец, фотоприемное устройство отличается тем, что в него введен аналого-цифровой преобразователь, в качестве регулируемого сопротивления использован цифровой потенциометр, выходные контакты которого включены параллельно фотодиоду, вход цифрового потенциометра является управляющим входом регулируемого сопротивления, соединение управляющего входа регулируемого сопротивления с выходом дифференциального усилителя осуществлено через аналого-цифровой преобразователь, а источник напряжения включен к аноду фотодиода минусом или плюсом, а ко второму входу дифференциального усилителя, соответственно, плюсом или минусом.

Введение в известное фотоприемное устройство регулируемого сопротивления и включение его вышеуказанным образом в качестве элемента отрицательной обратной связи так, что обеспечивается управляемое выходным сигналом дифференциального усилителя шунтирование фотодиода указанным сопротивлением, позволяет получить новый технический результат - поддержание постоянства концентрации носителей зарядов (носителей тока) в полупроводниковом материале фотодиода при изменениях величины входного светового сигнала фотодиода и температуры нагрева-охлаждения фотодиода.

Это обеспечивает стабильность величины чувствительности устройства в заданном диапазоне частот входного светового сигнала при изменениях постоянной составляющей светового сигнала и температуры окружающей среды и снижает величину нелинейности передаточной характеристики устройства, увеличивает динамический диапазон по входному световому сигналу. Снижается потребляемая устройством от источника питания мощность за счет того, что увеличивающийся при росте величины светового сигнала ток фотодиода отводится в шунтирующее фотодиод регулируемое сопротивление, величина которого соответственно уменьшается.

Использование в фотоприемном устройстве в качестве регулируемого сопротивления полевого транзистора обеспечивает наилучшее согласование режимов работы фотодиода и транзистора с фотодиодами разных типов и последовательно соединенными матрицами (наборами) фотодиодов.

Использование в качестве низкоомного регулируемого сопротивления биполярного транзистора типов n-p-n или p-n-p оптимально для определенных типов фотодиодов.

Введение в фотоприемное устройство первого резистора, включенного между катодом фотодиода и минусом источника питания, обеспечивает стабильное установление нормального режима работы фотоприемного устройства при его включении в условиях отсутствия светового сигнала на фотодиоде.

Введение в фотоприемное устройство второго резистора, через который осуществлено соединение управляющего входа регулируемого сопротивления с выходом дифференциального усилителя, обеспечивает возможность подстройки режимов работы транзисторов разных типов, используемых в качестве регулируемого сопротивления.

Введение в фотоприемное устройство конденсатора и второго резистора, через который осуществлено соединение управляющего входа регулируемого сопротивления с выходом дифференциального усилителя, с одновременным включением конденсатора между первым входом дифференциального усилителя и точкой соединения второго резистора с управляющим входом регулируемого сопротивления, обеспечивает стабильность характеристик устройства и требуемое соотношения сигнал/шум в выбранной полосе частот переменного полезного сигнала, определяемой величинами второго резистора и конденсатора.

Введение в фотоприемное устройство аналого-цифрового преобразователя и использование в качестве регулируемого сопротивления цифрового потенциометра, выходные контакты которого включены параллельно фотодиоду, причем вход цифрового потенциометра является управляющим входом регулируемого сопротивления, а соединение управляющего входа регулируемого сопротивления с выходом дифференциального усилителя осуществлено через аналого-цифровой преобразователь, оптимально для определенных условий работы фотоприемного устройства, в частности позволяет обеспечить цифровой выход устройства.

Использование цифрового потенциометра в качестве регулируемого сопротивления обеспечивает возможность включения источника напряжения разнополярно по отношению к фотодиоду, в частности минусом к аноду фотодиода, а плюсом - ко второму входу дифференциального усилителя. Это позволяет работать с фотодиодом, закрытым обратным (отрицательным) напряжением, действующим на его аноде, что повышает чувствительность фотоприемного устройства.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг. 1 - принципиальная схема фотоприемного устройства с полевым транзистором в качестве регулируемого сопротивления;

фиг. 2 - включение в качестве регулируемого сопротивления биполярного транзистора типа n-p-n;

фиг. 3 - включение в качестве регулируемого сопротивления биполярного транзистора типа p-n-p;

фиг. 4 - пример исполнения части схемы фотоприемного устройства с источником напряжения в виде резистивного делителя, резистором в цепи отрицательной обратной связи усилителя и резистором для увеличения устойчивости установления нормального режима работы фотоприемного устройства при его включении;

фиг. 5 - принципиальная схема фотоприемного устройства с цифровым потенциометром.

Фотоприемное устройство (фиг. 1) содержит фотодиод 1, катод 2 которого соединен с первым входом дифференциального усилителя 4 с отрицательной обратной связью. Анод 5 фотодиода 1 через источник напряжения 6 соединен со вторым входом 7 дифференциального усилителя 4. Источник напряжения 6 включен плюсовым выводом 8 к аноду 5 фотодиода 1, а минусовым выводом 9 - ко второму входу 7 дифференциального усилителя 4. Выход 10 дифференциального усилителя 4 является выходом 11 фотоприемного устройства.

Основным элементом цепи отрицательной обратной связи дифференциального усилителя 4 является управляемое сопротивление 12, включенное параллельно фотодиоду 1. Управляющий вход 13 управляемого сопротивления 12 через резистор 14 соединен с выходом 10 дифференциального усилителя 4. При этом вывод 15 резистора 14 соединен с выходом 10 дифференциального усилителя 4, а вывод 16 - с управляющим входом 13 регулируемого сопротивления 12. Выходной контакт 17 управляемого сопротивления 12 соединен с анодом 4 фотодиода 1, а выходной контакт 18 - с катодом 2. Конденсатор 19 первым выводом 20 соединен с первым входом 3 дифференциального усилителя 4, а выводом 21 - с выводом 16 резистора 14. Резистор 14 и конденсатор 19 образуют другой элемент отрицательной обратной связи дифференциального усилителя 4.

В фотоприемном устройстве по фиг.1 в качестве регулируемого сопротивления 12 использован полевой транзистор 22, затвор 23 которого является управляющим входом 13 указанного сопротивления. Сток 24 полевого транзистора 22 является выходным контактом 17 регулируемого сопротивления 12 и соединен с анодом 5 фотодиода 1. Исток 25 полевого транзистора 22 является выходным контактом 18 регулируемого сопротивления 12 и соединен с катодом 2 фотодиода 1. Промежуток сток 24 - исток 25 полевого транзистора 22 выполняет функцию регулируемого сопротивления 22, включенного параллельно фотодиоду 1.

В качестве регулируемого сопротивления 12 могут быть использованы биполярные транзисторы типов n-p-n (фиг.2.) или p-n-p (фиг.3). В первом случае (фиг.2) коллектор 26 биполярного транзистора 27 типа n-p-n является выходным контактом 17 регулируемого сопротивления 12 и, соответственно, соединен с анодом 5 фотодиода 1 (как показано на фиг.1). Эмиттер 28 биполярного транзистора 27 является выходным контактом 18 регулируемого сопротивления 12 и, соответственно, соединен с катодом 2 фотодиода 1. База 29 биполярного транзистора 27 типа n-p-n является управляющим входом 13 регулируемого сопротивления 12. Во втором случае (фиг.3) эмиттер 30 биполярного транзистора 31 типа p-n-p является выходным контактом 17 регулируемого сопротивления 12 и соединен с анодом 5 фотодиода 1, а коллектор 32 этого биполярного транзистора 31 является выходным контактом 18 регулируемого сопротивления 12 и соединен с катодом 2 фотодиода 1. База 33 биполярного транзистора 31 типа p-n-p является управляющим входом 13 регулируемого сопротивления 12. В остальном схема фотоприемного устройства с биполярными транзисторами может быть выполнена в соответствии с вышеописанной схемой по фиг.1.

Конденсатор 19 может отсутствовать в схеме фотоприемного устройства. То есть устройство может работать без элемента отрицательной обратной связи в виде RC-цепи из конденсатора 19 и резистора 14. Резистор 14 (без конденсатора 19) может играть роль только регулятора режима работы полевого транзистора 22 или биполярных транзисторов 27, 31.

Источник напряжения 6 может быть выполнен (фиг.4) с использованием резистивного делителя напряжения от источника питания фотоприемного устройства. На фиг. 4 показаны положительный (плюсовый) вывод 34 и отрицательный (минусовый) вывод 35 источника питания фотоприемного устройства. При этом между первым и вторым выводами 8, 9 источника напряжения 6 включен резистор 36. Первый вывод 8 источника напряжения 6 соединен непосредственно с положительным выводом 34 источника питания фотоприемного устройства. Второй вывод 9 источника напряжения 6 соединен с отрицательным выводом 35 источника питания фотоприемного устройства через резистор 37 Последовательно соединенные друг с другом по отношению к источнику питания фотоприемного устройства резисторы 36 и 37 являются вышеуказанным резистивным делителем напряжения.

Для стабильного установления нормального режима работы фотоприемного устройства при его включении в условиях отсутствия светового сигнала на фотодиоде 1 в схему фотоприемного устройства может быть введен резистор 38 (фиг.4), включенный между отрицательным выводом 35 источника питания и катодом 2 фотодиода (или, что то же самое, между выводом 35 источника питания и инвертирующим входом 3 усилителя 4).

Между инвертирующим входом 3 усилителя 4 и его выходом 10 может быть включен резистор 39 (фиг.1) для обеспечения требуемого коэффициента усиления усилителя 4.

При использовании в качестве регулируемого сопротивления 12 цифрового потенциометра (цифроуправляемого сопротивления) 40 (фиг.5) его выходы 41 и 42 являются, соответственно, выходами 17, 18 регулируемого сопротивления 12. В фотоприемное устройство введен аналого-цифровой преобразователь 43, вход 44 которого соединен непосредственно с выходом 10 усилителя, а выход с помощью n-разрядной шины 45 соединен со входом цифрового потенциометра 40, являющимся одновременно входом 13 регулируемого сопротивления 12. Цифровой потенциометр 40 может быть выполнен, например, в виде матрицы сопротивлений, переключаемой с помощью набора ключей, управляемых дешифратором кода n-разрядной шины 45 (на чертеже не показано). Источника питания 6 при этом может быть включен в схему устройства двумя способами: по первому способу - плюсовым выводом 8 к аноду 5 фотодиода 1, а минусовым выводом 9 - к неинвертирующему входу 7 усилителя 4, по второму способу наоборот, минусом к аноду 5 фотодиода 1, а плюсом ко входу 7 усилителя 4. При первом способе включения источник питания 6 обеспечивает работу фотодиода 1 в закрытом состоянии при подаче на фотодиод 1 прямого напряжения. В этом случае фотодиод 1 работает с минимальной чувствительностью. При втором способе фотодиод 1 закрыт обратным напряжением, что обеспечивает реализацию максимальной чувствительности фотодиода и фотоприемного устройства в целом. При необходимости в схему фотоприемного устройства по фиг.5 могут быть введены дополнительные элементы обратной связи, показанные на фигурах 1 и 4, в частности резистор 39 и/или RC-цепь в виде конденсатора 19 и резистора 14, включенного в этом случае между выходом 10 усилителя 4 и входом 44 аналого-цифрового преобразователя 43. В варианте исполнения фотоприемного устройства по фиг.5 использован аналого-цифровой преобразователь 43 типа 1108ПВ1 и умножающий цифроаналоговый преобразователь типа 572ПА1 в качестве цифрового потенциометра 40.

В конкретной схеме фотоприемного устройства по фиг.1 при использовании кремниевого фотодиода 1 типа ФД263 и полевого транзистора 22 типа КП945 между выводами 8 и 9 источника напряжения 6 требуется напряжение 0,300 В, обеспечивающее закрытое состояние фотодиода 1 и режим нормального функционирования полевого транзистора 22. При величине напряжения, большей порога открытия фотодиода, фотоприемное устройство будет работать с повышенным потреблением тока.

Фотоприемное устройство работает следующим образом.

При включенной схеме (фиг.1) и освещении фотодиода 1 световым сигналом с постоянной и переменной составляющими фотодиод 1 генерирует пульсирующий ток, преобразующийся в напряжение на выходе 10 усилителя 4. Цепь обратной связи (резистор 14 и конденсатор 19) играет роль фильтра, обеспечивающего заданную полосу частот переменного полезного сигнала фотоприемного устройства. В данном случае рабочий диапазон частот фотоприемного устройства простирается от постоянной составляющей до установленной верхней граничной частоты. Между затвором 23 и истоком 25 полевого транзистора 22 действует напряжение с конденсатора 19, пропорциональное постоянной составляющей светового сигнала. Величина шунтирующего фотодиод 1 регулируемого сопротивления (промежуток сток 17 - исток 18 полевого транзистора 22) изменяется от максимума при минимальной постоянной составляющей светового сигнала до минимума при максимальной постоянной составляющей светового сигнала.

При увеличении постоянной составляющей светового сигнала на фотодиоде 1 величина напряжения на затворе 23 полевого транзистора 22 увеличивается, значение шунтирующего фотодиод 1 низкоомного сопротивления уменьшается. От фотодиода 1 в промежуток сток 17 - исток 18 полевого транзистора 22 отводятся возникающие при этом в фотодиоде 1 дополнительные носители зарядов, что поддерживает постоянную концентрацию носителей зарядов в самом фотодиоде, обеспечивает неизменность режима работы фотодиода 1 и линейность его передаточной характеристики. При уменьшении постоянной составляющей светового сигнала величина напряжения на затворе 23 полевого транзистора 22 уменьшается, значение шунтирующего фотодиод 1 сопротивления увеличивается. Уменьшается количество отводимых от фотодиода 1 в промежуток исток 17 - исток 18 полевого транзистора 22 носителей зарядов, обеспечивается стабильность режима работы фотодиода 1 и линейность его передаточной характеристики. При этом практически осуществляется стабилизация напряжения на фотодиоде 1.

Изменение температуры окружающей среды, ее повышение или понижение вызывает повышение или понижение температуры самого фотодиода 1 и пропорциональное увеличение или уменьшение генерируемого фотодиодом тока. Это аналогично увеличению или уменьшению постоянной составляющей светового сигнала на входе фотодиода 1 и вызывает описанное выше соответствующее изменение значения шунтирующего фотодиод 1 сопротивления, обеспечивающее стабильность режима работы фотодиода 1.

Использование предложенного фотоприемного устройства обеспечивает линейное преобразование входного светового сигнала при величине освещенности до 75000 люкс с погрешностью 1% в интервале температур -55^oС - +80^oС.