Фотоприемное устройство

 

Изобретение относится к фотоэлектронным приборам для измерения и обнаружения излучения, а именно к фотоприемным устройствам для фотометрических систем, и может быть использовано для построения высокочувствительных фотометрических приборов с широким диапазоном линейного преобразования излучения в электрический ток. Цель изобретения - расширение динамического диапазона и обеспечение регулировки коэффициента преобразования. Для этого в фотоприемное устройство, содержащее дифференциальный усилитель, между входами которого включен фотодиод, введены согласованная пара транзисторов, делитель и источник термозависимого напряжения, находящийся в термической связи с согласованной парой транзисторов. При этом ток фотодиода, включенного в режиме короткого замыкания, посредством дифференциального усилителя с коэффициентом усиления, регулируемым от 1 до 10<SP POS="POST">6</SP>, преобразуется в выходной ток, изменяющийся в диапазоне от пяти до семи порядков. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 G 01 J 1/44

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4360123/24-25 (22) 27„11.87 (46) 07.07.89. Бюл. М 25 (72) А.В.Чурбаков, Н ° Р.Тевс и Д.Г.Григоруца (53) 621.381(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1032332, кл. С О1 J 1/44, 1982.

Аксененко М.Д, и др. Микроэлектронные фотоприемные устройства.

М.: Энергоатомиздат, 1984, с.83. (54) ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к фотоэлектронным приборам для измерения и обнаружения излучения, а именно к фотоприемным устройствам для фотометрических систем, и может быть использовано для построения высокочувствительных фотометрических приборов с широким диапазоном линейного преИзобретение относится к фотоэлектронным приборам для измерения и обнаружения излучения, а именно к фотоприемным устройствам для фотометрических систем, и может быть использовано для построения высокочувствительных фотометрических приборов с широким диапазоном линейного преобразования излучения н электрический ток.

Цель изобретения — расширение динамического диапазона и обеспечение регулировки коэффициента преобразования фотоприемного устройства.

На чертеже представлена принципиальная схема фотоприемного устройства, „„Я0„„1492226 A 1 образования излучения в электрический ток. Цель изобретения — расширение динамического диапазона и обеспечение регулировки коэффициента преобразования. Для этого в фотоприемное устройство, содержащее дифференциальный усилитель, между входами которого включен фотодиод, введены согласованная пара транзисторов, делитель и источник термозависимого напряжения, находящийся в термической связи с согласованной парой транзисторов. При этом ток фотодиода, включенного в режиме короткого замыкания, посредством дифференциального усилителя с коэффициентом усиления, 6 регулируемым от 1 до 10, преобразуется в выходной ток, изменяющийся в диапазоне от пяти до семи порядков. 1 ил.

Устройство содержит дифференциальный усилитель 1, между входами которого включен фотодиод 2, согласованную пару 3 транзисторов, делитель 4 и источник 5 термозависимого напряжения, термически связанный с согласованной парой 3 транзисторов, базы которых объединены и соединены с выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя 1, коллектор первого транзистора 6 согласованной пары 3 соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя I, а его эмиттер соединен через делитель 4 с выходом источника 5 термоэависимого напряжения, эмиттер второго транзистора 7 согласованной пары

1492226

3 соединен с общей шиной 8, а его коллектор является выходом устройства.

Источник 5 термозависимого напряжения может быть выполнен, например, в виде согласованной пары 9 транзисторов, операционного усилителя 10, двух резисторов ll и 12 и реэистивного делителя 13, через который выход операционного усилителя 10, являющийся выходом источника 5 термозависимого напряжения, соединен с эмиттером одного транзистора 14 согласованной пары 9 транзисторов, коллектор которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя

10 и с выводом первого резистора 11, а его база соединена с неинвертирующим входом операционного усилителя

10, с выводом второго резистора 12 и с коллектором второго транзистора 15 согласованной пары 9, эмиттер которого соединен с общей шиной 8 и с резистивным делителем 13 вторые выводы Резисторов 11 и 12 соединены с

Ф шиной питания, а согласованные пары

3 и 9 транзисторов устройства связаны термически.

Источник термозависимого напряжения может быть выполнен также и по другой схеме, например с термодатчиком. Обязательным условием является термическая связь указанного источника с согласованной парой 3 транзисторов.

Изобретение основано на использовании известной функциональной связи разности падений напряжения на эмиттерных переходах согласованной пары транзисторов 5 U с коллекторными токами этих транзисторов 1, и 1„

Где (, — температурный потенциал, В данной схеме источника термозависимого напряжения коллекторные токи I << и Т<, согласованной пары транзисторов 14 и 15 соответственно равны: !

11 и 11 Э6<4 . 11 !< Uris

I I (2) <4 R !5 где U > — напряжение питания;

R <, и R<< — сопротивления резисторов 11 и 12 соответств енно, где Ц- — температурный потенциал пары 9 транзисторов 14 и 15, кото20 рое, как видно, от напряжения питания не зависит ° Если выбрать коллекторный ток транзистора 14 значительно меньшим, чем ток через резистивный делитель 13, то выходное напряжение U операционного усилителя 10, т ° е. и сто чника 5 термоз ависимо го напряжения, 11 5

+to R

К! R

Это напряжение через делитель 4 подается на эмиттер транзистора 6 и

er î потенциал U фиксируется на уров35 не

4 5 (5) где К вЂ” коэффициент деления делителя 4.

В процессе работы устройства при

40 засветке фотодиода 2 через коллекторный и эмиттерный переходы транзистора 6 течет ток I< фотодиода 2. Дифференциальный усилитель 1 включен в режиме повторителя напряжения, в ре45 зультате чего и фотодиод 2, и коллекторный переход транзистора 6 работают при нулевом напряжении смещения, что при использовании дифференциального усилителя с большим вход50 ным сопротивлением, например типа

К 1409УД1, 744Д1А и др., позволяет регистрировать фототоки на уровне

10 А (соответствует освещенности

10 — 10 лк).

55 Для согласованной пары 3 транзисторов можно записать следующее выражение:

=(в 1п — — >

3. вы< (6) 11 в6 и Ц 6< — падения напряжения эмиттерных переходах транзисторов 14 и 15 соответ5 ственно.

Ug6 4 Uв6 6 TBK KBK потенциалы коллекторов указанных транзисторов выравниваются эа счет воздействия операционного усилителя 10 через pelp эистивный делитель 13 на эмиттер транзистора 14.

В результате подстановки в (1) выражений (2) получают, что на эмиттере транзистора 14 выделяется напряже15 ние

1492226 где 1 — темпера гурный потенциал пары 3 транзисторов 6 и 7; выходной ток фотоприем ьЬ ного устройства.

Подставляя в (6) выражения (4) и (5), получают

Ц вЂ” — 1п -- = (1п — -- (7)

R(< I 8ык

К,э иэ которого следует, что при (Ц э (т.е. при одинаковой температуре согласованных пар 3 и 9 транзисторов, для чего требуется их термическая связь)

1 (- — ) э, I (8)

R< к

Вых

Для обеспечения термической связи пар транзисторов их необходимо выполнять или в одном кристалле, или устанавливать на одной подложке с высокой термопроводимостью.

Таким образом, как видно иэ выражения (8), в предлагаемом фотоприемном устройстве можно в широких пределах регулировать коэффициент усиления фототока за счет изменения коэффициента деления К4 делителя 4. Регулировку коэффициента усиления можно также обеспечить за счет регулирования коэффициента К1 и сопротивлений резисторов 11 и 12. Однако в данной схеме источника термоэависимого напряжения при изменении К,, R и и К», меняются режимы работы элементов, что может влиять на точность устройства в целом. Поэтому регулировку усиления при использовании данного источника 5 удобно проводить, изменяя К4.

Изменение напряжения Uä от 0 до

360 мВ позволяет регулировать коэффициент усиления от 1 до 10 и и более.

Расширение динамического диапазо на по выходному сигналу достигается тем, что в качестве выходного сигнала используется не напряжение, максимальное значение которого огра10 ничено напряжением питания, а ток, ограниченный снизу и сверху только возможностями транзистора. Например, транзисторная пара 129HTl позволяет формировать на выходе ток

15 10 — 10 А, т.е. динамический ди2 апазон расширяется до семи порядков.

Формула изобретения

20 Фотоприемное устройство, содер жащее дифференциальный усилитель, l между входами которого включен фотодиод, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения динамического диапазона и обеспечения регулировки коэффициента преобразования, в него введены согласованная пара транзисторов, делитель и источник термозависимого напряжения, термически

30 связанный с согласованной парой транзисторов, базы которых соединены с выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя, коллектор первого транзистора соединен с неин35 вертирующим входом дифференциального усилителя, его эмиттер соединен через делитель с выходом источника термозависимого напряжения, эмиттер второго транзистора соединен с общей шиной, 40 а его коллектор является выходом устройства.

1492226

Составитель А.Ястребов

Редактор О.Юрковецкая Техред Л.Олийнык Корректор Т.Малец

Заказ 3867/44 Тираж 466 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101