Усилитель фототока

 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в оптико-электронной технике для усиления сигналов фотодатчиков при малых мощностях светового потока. Цель изобретения - повышение точности коэффициента передачи. Цель достигается за счет введения первого и второго резисторов 12, 13. фильтра 4 нижних частот и повторителя напряжения 7, а также резистора 9 обратной связи. 1 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК а1)з Н 03 F 17/00

ГОСУДАРСТBE ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ.И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4882798/09 (22) 14.11.90 (46) 30.08.92. Бюл. М 32 (71) Специальное конструкторское бюро микроэлектроники в приборостроении (72) О.С.Андреев, В.А.Калынюк, Е.А.Гришин и B.Н.Каминский (56) Авторское свидетельство СССР

М 1422362, кл. Н 03 F 17/00. 1987. (54) УСИЛИТЕЛЬ ФОТОТОКА.... Ж„, 1758831 А1 (57) Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в оптико-электронной технике для усиления сигналов фотодатчиков при малых мощностях светового потока. Цель изобретения — повышение точности коэффициента передачи.

Цель достигаетея за счет введения первого и второго резисторов 12, 13, фильтра 4 нижних частот и повторителя напряжения 7, а также резистора 9 обратной связи. 1 ил.

1758831

50

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в оптико-электронной технике для усиления сигналов фотодатчиков "p» малых мощностях светового потока, Для построения усилителя фототокэ обычно используется операционный усилитель, между инвертирующим входом (являющимся входом увтройства) и выходом которого включается резистор обратной связи, определяющий коэффициент усиления устройства. Такая схема обеспечивает усиление и преобразование фототока в напряжение при сохранении нулевого напряжения на фотодатчике, включенном между входом и общей шиной устройства. Недостатком этого устройства является низкая точность. Напряжение смешения операционного усилителя и темновой ток фотодатчика ограничивают величину резистора обратной связи, что снижает коэффициент усиления устройства и ухудшает отношение сигнал-шум.

Известны схемы усилителей фототока, в которых фотодатчик находится подсмеща1ощим напряжением, Зто увеличивает его чувствительность, но одновременно повышаются шумы и уровень темнового тока, что ухудшает точность устройства. Кроме того, малое значение коэффициента усиления устройства ограничивает диапазон входных сигналов. Известны усилители фототока с дополнительным усилительным каскадом.

В этом устройстве динамический диапазон входных сигналов расширен благодаря применению системы автоматического регулирования усиления, Недостатком такого устройства является низкая точность. Резистор обратной связи охватывает только входной предусилитель устройства. Низкий коэффициент усиления по петле обратной связи не позволяет обеспечить стабильность параметров устройства на больших значениях коэффициента усиления, а использование в предусилителе биполярных транзисторов делает невозможным его охлаждение для снижения шумов и темнового тока фотодатчика. Ближайшее к и редложенному устройство содержит предварительный усилительный каскад на полевом транзисторе, в истоковую цепь которого включается фотодиод. Со стоковой нагрузки полевого транзистора сигнал через резистивно-емкостный фильтр поступает на выходной усилительный каскад, построенный на операционном усилителе, охваченном отрицательной обратной связью через резистивный делитель напряжения, Недостатком известного устройства является низкая точность вследствие отсутствия стабилизации рабочей точки и влияния нелинейности характеристики преобразования фотодатчика из-за изменения на нем напряжения в процессе работы устройства.

Кроме того, величина достижимого коэффициента усиления ограничена напряжением смещения операционного усилителя, которое усиливается одновременно с полезным сигналом.

Целью изобретения является повышение точности коэффициента передачи устройства и расширение динамического диапазона входных сигналов.

Для этого в усилитель фототока, содержащий предварительный усилительный каскад. вход которого является входом усилителя фототока, выходной операционный усилитель, резистивный делитель напряжения, один вывод которого соединен с выходом операционного усилителя, являющимся выходом усилителя фототока, и фильтр, введены первый резистор, включенный между входом предварительного усилительного каскада и неинвертирующим входом выходного операционного усилителя, второй резистор, один вывод которого подключен к неинвертирующему входу выходного операционного усилителя, а другой — является входом для подачи опорного напряжения, повторитель напряжения, включенный между неинвертирующим входом выходного операционного усилителя и другим выводом резистивного делителя напряжения, резистор обратной связи, включенный между отводом резистивного делителя напряжения и входом предварительного усилительного каскада. При этом фильтр выполнен в виде фильтра нижних частот и включен между выходом и неинвертирующим входом выходного операционного усилителя. Предварительный усилительный каскад может быть выполнен на первом и втором последовательно соединенных относительно источника питания полевых транзисторах, затвор первого из которых является входом предварительного усилительного каскада, сток соединен с об åÀ шиной, а исток — является выходом предварительного усилительного каскада.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит предварительный усилительный каскад 1, вход которого является входом Вх устройства, выходной операционный усилитель 2, выход которого является выходом Вых устройства, первый и второй резисторы 3 и 4, включенные последовательно между выходом каскада 1 и

1758831

25

Kp = 1 + R6/Х7, (2) входом 14п для подачи опорного напряжения, резистивно-емкостный фильтр 5 из последовательно соединенных резистора 6 и конденсатора 7, повторитель напряжения 8, резистивный делитель напряжения 9 и резистор обратной связи 10. При этом предварительный усилительный каскад строится по крайней мере на двух полевых транзлсторах 11,12, образующих каскад с общим истоком и динамической нагрузкой, а резлстивный делитель напряжения выполнен на резисторах 13,14, включенных последовательно между выходами повторителя 8 и операционного усилителя 2. Входной сигнал поступает от фотодиода ФД.

Устройство работает следующим образом. Фотодатчик, например фотодиод ФД, подключается к входу Вх усилителя. Генерируемый фотодиодом ФД ток приводит к поя влению на входе Вх устройства определенного напряжения, которое усиливается предварительным усилительным каскадом 1 и с его выхода поступает на первый резистор 3, соединенный последовательно со вторым резистором 4, на который поступает опорное напряжение 0оп. С точки соединения резисторов 3 и 4 на неинвертирующий вход выходного опера ционного усилителя 2 поступает напряжение, равное

Ивх2 =- (Овых1В4+ UonR3)/(R3+ R ij, (1) rpe Овых; — выходное напряжение предварительного усилителя 1; R3 и R4 — "-начения сопротивления резисторов 3 и 4 соответственно.

Это напряжение усиливается усилителем 2, Усилитель 2 охвачен отрицательной обратной связью через реэистивно-емкостный фильтр 5. Поэтому его коэффициент усиления Ку2 определяется глубиной отрицательной обратной связи и равен единице плюс отношение импендансов резисторов 6 (йб) и конденсатора 7 (Х7), входящих в состав фильтр 4:

Усиленный сигнал выделяется на выходе устройства, Все устройство также охвачено отрицательной обратной связью через реэистивный делитель напряжения 9 и резистор обратной связи 10. Такая обратная связь препятствует изменению напряжения на входе устройства. Поэтому на выходе резистивного делителя напряжения 9 устанавливается такое напряжение, при котором ток фотодиода практически не приводит к изменению напряжения на входе Вхустрой30

55 ства относительно его нулевого (при отсутствии сигнала) уровня. Для этого весь ток фотодиода ФД должен протекать через резистор обратной связи 10, а выходное напряжение делителя 9 (живых.р.дз) должно равняться падению напряжения GT тока фотодиода ФД (фл} на сопротивлении резистора 10 (R10) 0выхр.д.9 = ф.д. 10 (3) При этом, если опорный вывод делителя

9 заэемлен, то напряжение на выходе устройства Вых должно превышать выходное напряжение делителя 9 в чи.,ло раэ, обратное его коэффициенту деления (Кд.д), Однако, в предложенном устройстве на опорный вывод делителя 9 поступает через повторитель напряжения 8 часть выходного напряжения устройства, снимаемая с конденсатора 7 фильтра 5, Можно показать, что в этом случае выходное напряжение устройства равно с учетом (3):

0вых = -!ф,д.й10(Е6 7)l(R5 Кд9 + Х7), (4) где для схемы, представленной на рисунке, Кдя = R12/(R1 +R13); R12, й13 — сопротивления резисторов 12,13, входящих в состав делителя 9.

Обычно фотодатчик инициируется изменяющимся световым потоком с низкой частотой модуляции. При отсутствии сигнала фотодиод вырабатывает постоянный темновой ток, Сопротивленле конденсатора 7 постоянному току очень велико. Коэффициент усиления усилителя 2, как следует из (2), в этом случае равен единице, При этом напряжения на опорном и входном выводах делителя 9 становятся равными и, независимо от его коэффициента деления, выходное напряжение делителя 9 будет равно напряжению на выходе устройства Вых. Следовательно, при Х7-, Ue x = -(фд. R10 и коэффициент усиления устройства при достаточно большом усилении усилителя 1 равен Ку = R10. При этом для рабочей области выходных напряжений входного предварительного усилителя 1 его входное напояжение близко к нулю. Это позволяет, как следует из вы ражения (1), устанавлирать необходимое для оптимальной работы устройства напряжение на выходе усилителя 1 подбором опорного напряжения 00>.

При появлении переменного сигнального тока импеданс конденсатора 7 падает и, как следует из (4), коэффициент усиления устройства возрастает соответственно установленному коэффициенту деления делителя, т.е. при Х7- О, Куй10/Кдд. Таким образом, схема обеспечивает возмо>кность достижения значительного коэффициента усиления при небольшом постоянном уровне выходного напряжения, равном напряжению смещения усилителя с учетом темнового тока фотодисда. Кроме того, при достаточно большом значении коэффициента усиления предварительного усилительного каскада 1 шумы схемы определяются в основном его шумами и шумами фотодатчика. Построение этого каскада на полевых транзисторах с р-и переходом 11, 12, сохраняющих работоспособность при сверхнизких температурах, позволяет снизить уровень шумов, охлаждая предварительный усилитель и фотодатчик до температуры жидкого азота (77 К).

Формула изобретения

1. Усилитель фототока, содержащий предварительный усилительный каскад, вход которого является входом усилителя

5 фототока. выходной операционный усилитель, реэистивный делитель напряжения, один вывод которого соединен с выходом выходного операционного усилителя и является выходом усилителя фототска, и фильтр, с

10 т л и ч а ю- шийся тем, что, с целью повышения точности коэффициента передачи, между выходом предварительного усилительного каскада и неинвертирующим входом выходного операционного усилите15 ля включен первый резистор, точка соединения которого с неинвертирующим входсм операционного усилителя подключена к одному выводу введенного второго резистора, другой вывод которого является входом для

20 подачи опорного напряжения между неинвертирующим входом выходного операционного усилителя и другим выводом резистивного делителя напряжения введен повторитель напряжения, между отводом

25 резистивного делителя напряжения и входом предваритепьнсгс усилительного каскада введен резистор обратной связи, при этом фильтр выполнен в виде фильтра нижних частот и включен между выходом и не30 инвертирующим входом выходного операционного усилителя.

2. Усилитель по п.1, отл и ча ю шийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона входных сигналов, предвари35 тельный усилительный каскад выполнен по крайней мере на первом и втором последовательно соединенных относительно источника питания полевых транзисторах, при этом затвор первого полевого транзистора

40 является входом предварительного усилительного каскада, сток которого соединен с общей шиной, а исток — с истоком и затвором второго полевого транзистора, сток которсгс соединен с шиной питания, а исток

45 является выходом предварительного усилительного каскада, Новые элементы и связи обеспечивают существенные преимущества предложенного решения перед известными. Большое значение коэффициента усиления разомкнутого устройства обеспечивает широкий диапазон и высокую точность установки заданного обратной связью коэффициента усиления и линейность амплитудной харакTGpMcTMKN устройства. При этом обеспечивается оптимальный режим работы входного каскада, возможность его охлаждения для снижения шумов и расширения динамического диапазона входных сигналов. В то же время исключается усиление смещение предварительного усилительного каскада и темнового тока фотодатчика.

Высокие точность коэффициента усиления и линейность амплитудной характеристики устройства, широкий диапазон входных сигналов и низкая чувствительность к параметрам датчика и составных узлов устройства расширяют область применения усилителя фототока. что, с учетом простоты его реализации, приведет к значительному экономическому эффекту от его внедрения в практику.

Составитель О.Андреев

Техред M,Ìoðãåíòàë Корректор M.Ìàêñèìèøèíåö

Редактор Ю.Середа

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

Заказ 3010 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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