схема усилителя фотодиода

Формула изобретения

1. Схема усилителя фотодиода, включающая дифференциальный усилитель с источником напряжения питания, снабженным формирователем потенциала, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания, при этом выводы фотодиода подключены к входам дифференциального усилителя, отличающаяся тем, что первый вход дифференциального усилителя соединен с формирователем потенциала через первый резистор, а второй вход дифференциального усилителя соединен с формирователем потенциала через второй резистор, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления.

2. Схема по п.1, отличающаяся тем, что выводы фотодиода подключены к входам дифференциального усилителя через конденсаторы равной величины, а фотодиод шунтирован резистором с величиной сопротивления из диапазона 100 кОм-10 мОм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству усилителей для фотоприемников, в частности к устройству усилителя фотодиода дымового пожарного извещателя.

Известна схема усилителя фотодиода дымового пожарного извещателя, включающая линейный транзисторный усилитель с источником напряжения питания, в которой фотодиод включен между плюсом источника питания и входом линейного транзисторного усилителя (см. www.unitest.ru, Руководство по эксплуатации пожарного дымового извещателя ИП 212-49АМ).

Недостатком известной схемы является ее недостаточная помехозащищенность и зависимость коэффициента усиления от напряжения питания усилителя. Это требует экранирования усилителя и фотодиода, стабилизации питания усилителя, что удорожает конструкцию.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату к заявленной схеме является схема усилителя фотодиода дымового пожарного извещателя, включающая дифференциальный усилитель с источником напряжения питания, снабженным формирователем потенциала, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания, с которым соединен первый вход дифференциального усилителя, а также фотодиод, подключенный ко второму входу дифференциального усилителя и к одному из полюсов источника напряжения питания (см. www.irset.spb.ru. Паспорт пожарного дымового извещателя ИП 212-3СУ).

Недостатком известной схемы усилителя фотодиода является ее недостаточная помехозащищенность, что также требует экранирования усилителя и фотодиода.

Недостаточная помехозащищенность известной схемы усилителя фотодиода объясняется различными условиями протекания тока на входах усилителя при воздействии на фотодиод напряжения помехи. Результат воздействия помехи на каждый из двух выводов фотодиода различен несмотря на то, что это воздействие одинаково для обоих выводов фотодиода. Это связано с тем, что различны условия распространения помехи в подключенном к полюсу источника питания и втором выводах фотодиода, а более конкретно, различны сопротивления для протекания тока помехи от точки воздействия до полюса источника питания усилителя. При воздействии помехи наведенный на выводы фотодиода заряд стекает на полюса источника питания, и на пути этих токов оказываются элементы электрической схемы, которые образуют делители напряжения и формируют разность потенциалов на входах дифференциального усилителя, что создает дополнительный сигнал помехи, который суммируется с основным сигналом от фотодиода и препятствует его правильной передаче. В связи с тем, что в известной схеме пути токов и сопротивления элементов электрической схемы не идентичны, то, при одинаковой энергии воздействия помехи на оба вывода фотодиода, потенциал на входах усилителя оказывается не одинаковым: возникает разность потенциалов, вызванная помехой, что снижает помехозащищенность и ограничивает область применения усилителя.

В рамках данной заявки решается задача повышения помехоустойчивости схемы усилителя фотодиода при эксплуатации пожарного дымового извещателя при одновременном удешевлении его конструкции за счет отказа от экранирования.

Поставленная задача решается тем, что в схеме усилителя фотодиода, включающей дифференциальный усилитель с источником напряжения питания, снабженным формирователем потенциала, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания, выводы фотодиода подключены к входам дифференциального усилителя, при этом первый вход дифференциального усилителя соединен с делителем напряжения через первый резистор, а второй вход дифференциального усилителя соединен с делителем напряжения через второй резистор, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления.

Предпочтительно для работы в импульсном режиме выводы фотодиода подключать к входам усилителя через конденсаторы равной величины, а фотодиод шунтировать резистором с величиной сопротивления из диапазона 100 кОм-10 мОм. В этом случае постоянная составляющая сигнала не будет проходить на вход усилителя, а наведенный заряд будет стекать через шунтирующий резистор.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В данной схеме усилителя фотодиода условия протекания тока, вызванного воздействием помехи, одинаковы для обоих выводов фотодиода и подключенных непосредственно к ним входов дифференциального усилителя, так как для каждого из них сопротивление между точкой воздействия помехи и любым полюсом источника питания одинаково благодаря наличию резисторов равной величины. В связи с этим происходит компенсация напряжения синфазного сигнала помехи, напряжение на входах усилителя не содержит сигнала помехи и не искажает полезный сигнал. Уровень сигнала помехи при этом снижается в тысячи раз, позволяя извещателю устойчиво работать даже в условиях сверхвысоких помех, в которых при использовании схемы по прототипу напряжение помехи намного превышало бы полезный сигнал.

Сущность изобретения поясняется неограничивающим примером его реализации и прилагаемыми чертежами, на которых:

фиг.1 - изображает схему усилителя фотодиода для случая измерения непрерывного сигнала;

фиг.2 - изображает схему усилителя фотодиода для случая измерения импульсного сигнала.

Для пояснения сущности изобретения на чертежах введены следующие обозначения:

1 - источник питания; 2 - дифференциальный усилитель; 3 -формирователь потенциала, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания; 4 - фотодиод; 5 - первый резистор; 6 - второй резистор; 7 - конденсаторы; 8 - шунтирующий резистор.

Пример 1

Схема усилителя фотодиода для случая измерения непрерывного сигнала иллюстрируется на фиг.1. Усилитель фотодиода содержит подключенный к полюсам источника питания 1 дифференциальный усилитель 2 и формирователь потенциала 3, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания. Формирователь потенциала 3 выполнен в виде резистивного делителя напряжения. Выводы фотодиода 4 включены между инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя 2, при этом инвертирующий вход усилителя соединен с формирователем потенциала 3 через первый резистор 5, а неинвертирующий вход усилителя соединен с формирователем потенциала 3 через второй резистор 6, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления 100 кОм.

Предпочтительная величина сопротивления первого и второго резисторов составляет 100 Ом-10 мОм.

Схему усилителя фотодиода либо помещают в электромагнитное поле, создающее помеху, либо подают напряжение синфазной помехи от генератора на оба вывода фотодиода. Измеряют напряжение помехи на выходе дифференциального усилителя 2. В результате компенсации напряжение помехи, пересчитанное с учетом коэффициента усиления дифференциального усилителя 2, оказывается в тысячи раз меньше напряжения синфазной помехи, поданной от генератора. Для имитации условий распространения помехи в несбалансированном усилителе отключают резистор 5. В результате воздействия сигнала помехи дифференциальный усилитель 2 входит в насыщение. В аналогичных условиях схема согласно прототипу также входит в насыщение при подаче напряжения помехи.

Пример 2

Схема усилителя фотодиода для случая измерения импульсного сигнала иллюстрируется на фиг.2. Усилитель фотодиода содержит подключенные к полюсам источника питания 1 дифференциальный усилитель 2 и формирователь потенциала 3, лежащего в интервале потенциалов источника напряжения питания. Формирователь потенциала 3 выполнен в виде диодного формирователя потенциала. Выводы фотодиода 4 включены между инвертирующим и неинвертирующим входами дифференциального усилителя 2 через конденсаторы 7 равной величины (из диапазона от 100 пФ до 10 нФ), при этом инвертирующий вход дифференциального усилителя 2 соединен с формирователем потенциала 3 через первый резистор 5, а неинвертирующий вход усилителя соединен с формирователем потенциала 3 через второй резистор 6, причем первый и второй резисторы имеют равные значения сопротивления 510 кОм.

Схему усилителя фотодиода помещают в электромагнитное поле, создающее помеху, либо подают напряжение синфазной помехи от генератора на оба вывода фотодиода. Измеряют напряжение помехи на выходе дифференциального усилителя 2. В результате компенсации напряжение помехи, пересчитанное с учетом коэффициента усиления дифференциального усилителя 2, оказывается в тысячи раз меньше напряжения синфазной помехи, поданной от генератора. Для имитации условий распространения помехи в несбалансированном усилителе отключают резистор 5, в результате дифференциальный усилитель 2 входит в насыщение. В аналогичных условиях схема согласно прототипу также входит в насыщение при подаче напряжения помехи.

Преимущества данной схемы усилителя обеспечиваются тем, что в результате создания одинаковых условий распространения помехи в обоих выводах фотодиода и входах усилителя достигается компенсация напряжения и тока синфазной помехи. Это позволяет повысить помехозащищенность дымового пожарного извещателя, содержащего фотодиод, и снизить его стоимость за счет отказа от экранирования.

Изобретение может быть использовано также для работы в составе других фотоприборов, например фотометров, конструкция которых предусматривает наличие фотодиода, сигнал которого необходимо усиливать.