Фотоприемное устройство

 

1. ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее резистор и термореэистор, фотодиод, два согласованных транзистора , два дифференциальных усилителя , источник опорного тока и регистратор , вход которого подключен к выходу первого дифференциального уси- , лителя и к одному выводу резистора, другой вывод которого соединен с общей шиной через терморезистор, причем анод фотодиода подключен к коллектору первого транзистора, а источник опорного тока - к коллектору второго транзистора, отличающееся тем, что, с целью повьшгения точности и расширения динамического диапазона, катод фотодиода соединен с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя, с базами двух транзисторов и с неинвертирующим входом первого дифференциального усилителя , инвертирующий вход которого соединен с коллектором второго транзистора , эмиттер которого соединен с точкой соединения резистора и терморезистора , причем анод фотодиода и коллектор первого транзистора соединены с неинвертирующим входом второго дифференциального усилителя, а S эмиттер первого транзистора соединен ko с общей шиной. 2. Устройство по п.1, о т л и с чающееся тем, что, с целью повьшения термостабильности, в него введен дополнительный резистор, включенный последовательно с фотодиодом между входами второго дифференциального усилителя. . Г--1 ка (О

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51)4 iq 01 j 1/44

Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1раг, f

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬП ИЙ (21) 3669346/24-25 (22) 03.10,83 (46) 30.07.85. Бюл. ¹ 28 (72) А.В.Чурбаков (53) 535.34(088.8) (56) 1. Заявка Японии - 57-28655, кл. С 01 3 1/44, опублик. 1982.

2. Патент Великобритании . В 1401532, кл, С 01 J 1/44, опублик. 1975 (прототип). (54)(57) 1. ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее резистор и терморезистор, фотодиод, два согласованных транзистора, два дифференциальных усилителя, источник опорного тока и регистратор, вход которого подключен к выходу первого дифференциального уси-, лителя и к одному выводу резистора, другой вывод которого соединен с общей шиной через терморезистор, причем анод фотодиода подключен к коллектору первого транзистора, а источник опорного тока — к коллектору второго транзистора, о т л и ч а ю—

„„SU„„1170291 щ е е с я тем, что, с целью повьппения точности и расширения динамического диапазона, катод фотодиода соединен с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя, с базами двух транзисторов и с неинвертирующим входом первого дифференциального усилителя, инвертирующий вход которого соединен с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с точкой соединения резистора и терморезистора, причем анод фотодиода и коллектор первого транзистора соединены с неинвертирующим входом второго дифференциального усилителя, а эмиттер первого транзистора соединен с общей шиной, 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения термостабильности, в него введен дополнительный резистор, включенный последовательно с фотодиодом между входами второго дифференциаль ного усилителя.

1170291

Изобретение относится к области фотоэлектронных устройств, а именно к логарифмическим фотометрам, и может использоваться в высокочастотных фотометрических системах денситомет.рии, нефелометрии, экспонометрии и других аналитических приборах.

Известно фотометрическое устройство, содержащее фотодиод, два транзистора, два дифференциальных усилителя и регистратор (1, Недостатком данного устройства является ограниченная точность °

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является Аотоприемное устройство (ФПУ), содержащее фотодиод, два согласованных транзистора, два дифференциальных усилителя, источник опорного тока и ре- гистратор, вход которого подключен к выходу первого дифференциального усилителя и к одному выводу резисто ра, другой вывод которого соединен с Общей шиной через терморезистор, причем анод фотодиода подключен к коллектору первого транзистора, а источиик опорного тока — к коллектору второго транзистора (2).

Недостатком известного устройства является ограниченные точность, термостабильность и динамический диапазон. Ограниченные точность и термостабильность обусловлены тем, что второй дифференциальный усилитель, усиливая разность падений напряжений на двух эмиттерных переходах двух согласованных транзисторов dU, ЭЬ вносит погрешность ввиду наличия собственного напряжения смещения U

СМ

В результате погрешность преобразования выходного сигнала фотоприемного устройства может достичь 10 . Динамический диапазон ограничен тем, что один из транзисторов включен как диод, в результате удовлетворительная точность логарифмического преобразования обеспечивается в диапазоне 4 декад.

Дель изобретения — повьш ение точности и расширение динамического диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что в фотоприемном устройстве, содержащем резистор и терморезистор, фотодиод, два согласованных транзистора, два дифференциальных усилителя, источник опорного тока и регистратор, вход которого подключен к выходу первого дифференциального усилителя и к одному выводу резистора, другой вывод которого соединен с общей ши ой через терморезистор, причем анод фотодиода подключен к коллектору первого транзистора, а источник опорного тока — к коллектору второго транзистора, катод фотодиода соединен с инвертирующим входом вто1О рого дифференЦиального усилителя, с базами двух транзисторов и с неинвертирующим входом первого дифференциального,усилителя, инвертирующий вход которого соедин-н с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с точкой соединения резистора и терморезистора, причем анод Аотодиода и коллектор первого транзистора соединены с неинвертирующим

2б входом второго дифференциального усилителя, а эмиттер первого транзистора соединен с общей шиной.

Кроме того, с целью повышения термостабильности, в устройство введен дополнительный резистор, включенный последовательно с фотодиодом между входами второго дифференциального усилителя, Повышение точности и термостабиль3() носч и в предлагаемом усч ройсч ве обеспечивается за счет введения дополнительного резистора, сопротивление которого соответствует области стабильности люкс-амперной характеристики фотодиода, так как снижается

35 погрешность преобразования, связанная с температурной нестабильностью выходного тока фотодиода.

Расширение динамического диапа40 зона достигается за счет того, что логарифмирующие транзисторы работают в одинаковых режимах при одинаковых коллекторных потенциалах.

На фиг,1 представлена принципи45 альная схема предлагаемого устройства на фиг,2 — типичная вольт-амперная характеристика фотодиода при двух значениях температуры и одинаковой засветке °

Устройство содержит фотодиод 1, два согласованных транзистора 2,3, два дифференциальных усилителя 4 и 5, источник опорного тока 6 и регистратор 7, вход которого подключен к выходу первого дифференциального усилителя 5 и к одному выводу резистора 8, другой вывод которого соединен с общей шиной через терморезис1170291 тор 9, причем анод фотодиода 1 подключен к коллектору первого транзистора 2, а источник опорногп тока 6 к коллектору второго транзистора 3, резистор 10, один вывод которого со- 5 единен с катодом фотодиода 1, а другой — с выходом и с инвертирующ:»м входом второго дифференциального усилителя 4, с базами двух транзисторов 2 и 3 и с неинвертирующим входом первого дифференциального усилителя

5, инвертирующий вход которого соеди— нен с коллектором второго транзистора 3, эмиттер которого соединен с точкой соединения резистора 8 и 15 терморезистора 9, причем анод фотодиода 1 и коллектор первого транзистора 2 соединены с неинвертирующим входом второго дифференциального усилителя 4, а эмиттер первого тран- N зистора 2 соединен с общей шиной.

Устройство работает следующим образом.

При наличии светового потока фотодиод 1 генерирует ток I . Если входной ток второго дифференциального усилителя 4 достаточно мал, то весь ток фотодиода 1 течет через коллекторный переход первого транзисто30 ра 2, причем,он открывается настолько, чтобы потенциалы его коллектора и базы были равны, так как второй дифференциальный усилитель 4 включен в режим повторителя напряжения. Фотодиод 1 через дополнительный резистор 10 включен между входами второго дифференциального усилителя 4, в результате чего напряжение смещения фотодиода 1 и коллектора первого транзистора 2 близко к нулю, и влия40 ния начальных токов их р — »»-переходов на точностные и температурные характеристики устройства сведены к минимуму.

Как видно из Лиг.2, при включении фотодиода без дополнительного резистора 10 его выходной ток зависел бы от температуры. За счет экспериментального подбора сопротивления резистора 10 для данного типа фотодиода 1 можно добиться, чтобы в области рабочего диапазона освещенностей фотодиод 1 будет работать в области термостабильности люкс-амперных характеристик, т,е. в области лересечения двух кривых, представленных на фиг.2.

Гак же, K;»)(<» I<(») <)< ll< т»)а ll ) E»(. .ò()Р второЙ Tp<»E»»E»c т()») 1») аб«T(l(» E< тра»»зисторном режим(» н <)тл»»(»»»< от из— вестного, в котор()м <)дин транзистор работает н диодном режиме, что снижает то(<ноет»<ьи характ;рцстики устрой— ства из-за в.)нянин базового тока), но гок через его коллекторный переход задается источником опорного тока 6.

Потенциалы коллектора и базы второго транзистора 3 выравниваются с помощью первого дифференциального усилителя 5, который через резистор 8 осуществляет регулирование потенциала эмиттера второго транзистора 3.

Разность падений напряжений на эмиттерных переходах двух согласованных транзисторов равна

1т т

<»ц= 1п

6 где k — постоянная Больцмана; т — температура, К элементарный заряд.

При этом можно заметить, что это напряжение равно падению напряжения на терморезисторе 9, т.е. ВЫХ

8 9 где U»»6(»(— выходное напряжение первого дифференциального ус»»л»»теля 5.

Если выбрать К ) К, то получим, что

К8 kT 1ф

»» е 1п — — 1 < К)»

5b<)(Ц,9 6 8, Выбирая в качестве терморезистора

9 резистор с положительным температурным коэффициентом <0,33// 0 можно обеспечить температурную компенсацию и получить строго логарифмическую связь выходного напряжения. от светового потока, так как фотодиод обладает линейной люкс-амперней характеристикой в диапазоне до

10-11 декад, т.е. I4,--S ф,,где S интегральная чувствительность, ф— световой поток.

Изобретение позволяет повысить точность, термостабильность и расширить динамический диапазон, так как из выходного сигнала первого дифференциального усилителя 5 удалось исключить дрейф его собственного напряжения смещения, которое сказывается

1170291

Составитель С.Голубев

Редактор О.Колесникова Техред С,йовжий Корректор А.Тяско

Заказ 4696/38 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по,пелам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 только на величине выходного тока источника опорного тока 6 и то только под знаком логарифма. Влияние это пренебрежимо мало, так как источник опорного тока 6 обладает высоким дифференциальным выходным сопротивлением.

Погрешность преобразования фотодиодом 1 светового потока в ток уменьшается за счет включения дополнительного резистора 10.

Динамический диапазон значительно расширяется (в 10-100 раз), так как два логарифмирующих транзистора

2 и 3 работают в одинаковых режимах при одинаковых коллекторных потенциалах.

При изготовлении макета устройства на корпусных элементах серии

159НТ13 и транзисторах 129НТ1В с применением операционных усилителей

744УД1А температурная погрешность устройства составила 0,05X/ С.

При использовании фотодиода ФД7К и сопротивлении дополнительного резистора 300.0м погрешность преобра10 зования по сравнению с известным устройством снижается в три раза. При специально подобранном фотодиоде и соответствующем сопротивлении дополнительного резистора удается умень15 шить погрешность примерно на порядок.

Предлагаемое .устройство обеспечивает логарифмирование в диапазоне до восьми декад, что на два порядка выше динамического диапазона извест20 ных фотоприемных устройств,