Оптоэлектронный усилитель

 

Изобретение относится к аналоговой оггтоэлектронной технике и может быть использовано в измерительной технике, в частности в измерительных оптоэлектронных усилителях, а также в системах передачи информации. Цель изобретения - повышение линейности и точности преобразования светового сигнала в электрический путем компенсации нелинейности передаточной характеристики первого фотодиода. Устройство содержит первый и второй фотодиоды 1 и 2, первый и второй резисторы 3 и 4, неинвертирующий усилитель тока 5, первый и второй транзисторы б и 7, резисторы 8 и 9 делителя напряжения, операционный усилитель 10. Цель обеспечивается за счет встречно-параллельного включения первого и второго фотодиодов 1 и 2. Если одновременно воздействовать двумя световыми потоками на фотодиоды 1 и 2, то процесс преобразования сводится к вычитанию их фототоков, при равенстве световых потоков и идентичности характеристик фотодиодов 1 и 2 общая нагрузочная характеристика будет линейной. 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (54)5 Н 03 F 17/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР . (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ будет линейной. 2 ил. (21) 4854694/09 (22) 07.07.90 (46) 15,01.93. Бюл. М 2 (71) Научно-производственное объединение

"Интеграл" им, XXV съезда КПСС (72) Г.С.Жачкин, В.В.Пискарев, С.Г.Шматин, С,М.Дешко и И.И.Толкачев (56) Авторское свидетельство СССР

N 1084968, кл. Н 03 F 17/00, 1984. (54) ОПТОЭЛ ЕКТРОН Н ЫЙ УСИЛИТЕЛ Ь (57) Изобретение относится к аналоговой оптоэлектронной технике и может быть использовано в измерительной технике, в частности в измерительных оптоэлектронных усилителях, а также в системах передачи информации. Цель изобретения — повышение линейности и точности преобразования

„„Я „„1788569 А1 светового сигнала в электрический путем компенсации нелинейности передаточной характеристики первого фотодиода. Устройство содержит первый и второй фотодиоды

1 и 2, первый и второй резисторы 3 и 4, неинвертирующий усилитель тока 5, первый и второй транзисторы 6 и 7, резисторы 8 и 9 делителя напряжения, операционный усилитель 10. Цель обеспечивается за счет встречно-параллельного включения первого и второго фотодиодов 1 и 2. Если одновременно воздействовать двумя световыми потоками на фотодиоды 1 и 2, то процесс преобразования сводится к вычитанию их фототоков, при равенстве световых потоков и идентичности характеристик фотодиодов

1 и 2 общая нагрузочная характеристика

1788569

15

25

40

55

Изобретение относится к аналоговой оптоэлектронной технике и может быть использовано в измерительной технике, в частности, в измерительных оптоэлектронных усилителях, а также в системах передачи информации, бесконтактных датчиках процессов и объектов, в развязывающих усилителях.

Известен оптоэлектронный усилитель, содержащий фотодиод, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с коллектором первого основного транзистора р-и-р структуры, а неинвертирующий вход — с коллектором второго основного транзистора и-р-и структуры, причем между коллекторами первого и второго основных транзисторов включен делитель напряжения, первый и второй дополнительный транзистор разной структуры в диодном включении, неинвертирующий усилитель тока и резистор обратной связи; причем основной и дополнительный транзисторы одной структуры включены по схеме отражателя тока.

Недостатком данного устройства является высокая нелинейность преобразования световой энергии в электрическую- на начальном и конечном участках передаточной характеристики фотодиода и, как следствие, низкая точность и высокая нелинейность преобразования светового сигнала в электрический для оптоэлектронного усилителя в целом.

Целью изобретения является повышение линейности и точности преобразования светового сигнала в электрический путем компенсации нелинейности передаточной хаоактеристики фотодиода.

Указанная цель достигается тем, что в оптоэлектронный усилитель, содержащий первый фотодиод, первый и второй транзисторы противоположной структуры, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с коллектором первого транзистора, а неинвертирующий вход — с коллектором втором транзистора, делитель напряжения, включенный между коллекторами первого и второго транзисторов, а также неинвертирующий усилитель тока, включенный между отводом делителя напряжения и базой первого транзистора; причем между выходом операционного усилителя и базой второго транзистора включен резистор обратной связи, первый фотодиод включен между базами первого и второго транзисторов, эмиттеры которых подключены к соответствующим типам источника питания, введены второй фотодиод, включенный встречно-параллельно первому фотодиоду, и первый и второй резисторы, включенные между базами первого и второго транзисторов и общей шиной соответстве н но.

На фиг, 1 представлена принципиальная электрическая схема оптоэлектронного усилителя; на фиг. 2 — вольт-амперные характеристики (BAX) фотодиода 1 (кривая 1—

1) и фотодиода 2 (кривая 2-2), При идентичности фотодиодов ВАХ1 и ВАХ2 совмещаются при повороте на 180 BAX одного фотодиода.

Оптоэлектронный усилитель содержит фотодиоды 1 и 2, два активных резистора 3 и 4 нагрузки, неинвертирующий усилитель 5 тока, транзисторы 6 и 7 противоположной структуры, резисторы 8 и 9 делителя напряжения, операционный усилитель 10, резистор 11 обратной связи, Инвертирующий вход операционного усилителя соединен с коллектором первого транзистора, а неинвертирующий вход — с коллектором второго транзистора противоположной структуры, причем между коллекторами транзисторов включен делитель напряжения, между отводом которого и базой первого транзисторавключен неинвертирующий усилитель тока.

Между выходом операционного усилителя и базой второго транзистора включен резистор обратной связи, Два включенных встречно-параллельно фотодиода и два активных резистора нагрузки, включенные симметрично между фотодиодами и общим проводом, соединены с базами транзисторов.

Оптоэлектронный усилитель работает следующим образом. Полагаем, что транзисторы обладают идентичными характеристиками, в частности, у них одинаковые вольт-амперные характеристики эмиттерных переходов и коэффициенты усиления базового тока.

Поскольку токи во входных цепях транзисторов будут изменяться в меньших пределах, чем фототок 1, 2, то фототок является преобладающим. Зависимость фототока от напряжения, как показано на фиг. 2, является нелинейной функцией.

При работе только с одним из фотодио,дов с увеличением светового потока рабочая точка смещается по характеристике в сторону большей нелинейности, что приводит к увеличению нелинейных искажений (точка А для первого фотодиода или точка  — для второго фотодиода), Для снижения нелинейных искажений необходимо работать одновременно с двумя фотодиодами. При одновременном воздействии двумя световыми потоками

1788569

Ф и Ф на фотодиоды процесс преобразования сводится к вычитанию фототока (и Ið При равенстве световых потоков

Ф и Ф "и идентичности характеристик фотодиодов общая нагрузочная характеристика будет линейной, а снимаемое напряжение будет определяться выражением u = R Si Ро где — R — активный резистор нагрузки, Si — токовая чувствительность фотодиода, P — мощность светового потока, падающего на фотодиод.

Эти сигналы поступают на вход операционного усилителя и усиливаются.

Таким образом, создание линейной нагрузочной характеристики за счет встречнопараллельного включения фотодиодов и активных (линейных) резисторов значительно уменьшают нелинейные искажения и повышают точность преобразования световой энергии в электрическую..При необходимости, изменением интенсивности световых потоков, падающих на фотодиоды, можно изменить траекторию рабочей точки..Так, например, если потоки Ф1 и Ф во времени периодичны по интенсивности и имеют определенный сдвиг по фазе (например, 90 ), то в этом случае траектория рабочей точки примет форму эллипса, большая ось которого совпадает с линией нагрузки 3-3), В данном случае характеристика преобразования и усиления фотосигналов сохраняет линейность во всем динамическом диапазоне, а крутизна (S =ЛU/ËÔ) в v7 раз выше характеристики преобразования при работе с одним фотодиодом, что подтверждается экспериментально, Достигаемая линейность преобразования светового сигнала в электрический по- зволяет исключить специальные схемы и методы линеаризации передаточной харак5 теристики сквозного измерительного канала, что позволяет сократить объем необходимого аналогового оборудования и цифровых схем за счет исключения алгоритмов и программ линеариэации характери10 стик.

Формула изобретения

Оптоэлектронный усилитель, содержащий первый фотодиод, первый и второй транзисторы противоположной структуры, 15 операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с коллектором первого транзистора, а неинвертирующий вход — с коллектором второго транзистора, делитель напряжения, включенный между кол20 лекторами первого и второго транзисторов, а также неинвертирующий усилитель тока, включенный между отводом делителя напряжения и базой первого транзистора, причем между выходом операционного ycul5 лителя и базой второго транзистора включен резистор обратной связи, первый фотодиод включен между базами первого и второго транзисторов, эмиттеры которых подключены к соответствующим шинам ис30 точника питания, отличающийся тем, что, с целью повышения линейности и точности преобразования светового сигнала в электрический путем компенсации нелинейности передаточной характеристики

35 первого фотодиода. введен второй фотодиод, включенный встречно-параллельно первому фотодиоду, и первый и второй резисторы, включенные между базами первого и второго транзисторов и общей шиной

40 соответственно.

1788569

Составитель И,Толкачев

Техред М.Моргентал Корректор В,Петраш

Редактор

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

Заказ 76 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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