Усилитель фототока

 

Использование: в приемных устройствах оптических систем связи. Сущность изобретения: для повышения чувствительности в усилитель фототока, содержащий фотодиод 1, входной двухкаскадный усилитель с параллельной обратной связью по напражению, выходной формирующий каскад, выполненный на триггере Шмитта, введены элементы автосмещения фотодиода 1 на транзисторах (Т) 7 - 9 и резисторах (Р) 16, 17, каскад на Т5, 6, прямосмещенном диоде 10 и Р14, параллельная RC-цепь между эмиттером Т2 и базой Т6. При наличии оптического сигнала через фотодиод 1 протекает ток, который усиливается Т8 и Т9, токи которых складываются и образуют базовый ток Т7. Сигнальный ток коллектора Т7 образует ток смещения на Р12, потенциал на базе Т2 уменьшается и уменьшается коллекторный ток Т2, что приводит к уменьшению падения напряжения на Р16, 17. Напряжение смещения усилителя тока на Т7 - 9 увеличивается с таким расчетом, чтобы скомпенсировать увеличение падений напряжения на эмиттерных переходах Т7 - 9 и сохранить постоянной величину отрицательного смещения фотодиода 1 и потенциалов его выводов относительно шин питания и монтажа устройства. 1 ил.

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в приемных устройствах оптических систем связи.

Известен усилитель фототока, содержащий фотодиод, входной двухкаскадный усилитель с параллельной обратной связью по напряжению, выполненный на первом, втором и третьем транзисторах, первом, втором и третьем резисторах, а также выходной формирующий каскад, выполненный на триггере Шмитта, при этом коллектор первого транзистора соединен с первым выводом первого резистора и базой второго транзистора, коллектор которого соединен с первой шиной питания, а эмиттер подключен к коллектору и базе третьего транзистора и через второй резистор к базе первого транзистора, эмиттер третьего транзистора через третий резистор соединен с второй шиной питания.

В данном усилителе из условия обеспечения его максимально возможного динамического диапазона начальный ток базы первого транзистора выбирают значительно больше сигнального тока фотодиода, что определяет преобладание дробовых шумов усилителя, а также влечет за собой преобладание его тепловых шумов, что существенно ограничивает предельную чувствительность анализируемого усилителя фототока. Причем рассматриваемый усилитель фототока является усилителем напряжения, которое возникает при протекании фототока через резистор смещения, при этом изменяется и само смещение фотодиода. Изменение потенциала на выводах фотодиода приводит как к процессу перезаряда паразитных емкостей во входной цепи усилителя, так и к процессу перезаряда барьерной емкости собственно фотодиода, которая при увеличении фототока (уменьшении напряжения обратного смещения) увеличивается и наоборот. Все это происходит во входной цепи усилителя, поэтому частотная коррекция слабых сигналов, маскируемых собственными шумами усилителя, не может быть осуществлена в последующих каскадах. Этим и ограничиваются потенциальные возможности данного усилителя.

Технический результат заявленного технического решения выражается в повышении чувствительности усилителя фототока при осуществлении изобретения.

Повышение чувствительности усилителя фототока достигается тем, что в усилитель фототока, содержащий фотодиод, входной двухкаскадный усилитель с параллельной обратной связью по напряжению, выполненный на первом, втором и третьем транзисторах, первом, втором и третьем резисторах, а также выходной формирующий каскад, выполненный на триггер Шмитта, при этом коллектор первого транзистора соединен с первым выводом первого резистора и базой второго транзистора, коллектор которого соединен с первой шиной питания, а эмиттер подключен к коллектору и базе третьего транзистора и через второй резистор к базе первого транзистора, эмиттер третьего транзистора через третий резистор соединен с второй шиной питания, введены четвертый, пятый, шестой и седьмой транзисторы, а также восьмой транзистор, имеющий другую структуру, четвертый, пятый, шестой и седьмой резисторы, прямосмещенный диод и параллельная RC-цепь, при этом база четвертого транзистора соединена с базой третьего транзистора, коллектор с первой шиной питания, а эмиттер через прямосмещенный диод с входом выходного формирующего каскада и коллектором пятого транзистора, база которого через параллельную RC-цепь подключена к эмиттеру первого транзистора, а эмиттер через четвертый резистор подключен к второй шине питания, эмиттер шестого транзистора через пятый резистор подключен к эмиттеру первого транзистора, а через шестой резистор к второй шине питания, база шестого транзистора соединена с эмиттером седьмого и коллектором восьмого транзисторов, между базами которых включен фотодиод, причем эмиттер восьмого и коллектор седьмого транзисторов соединены с вторым выводом первого резистора и через седьмой резистор с первой шиной питания.

На чертеже представлена принципиальная электрическая схема усилителя фототока.

Усилитель фототока содержит фотодиод 1, первый 2, второй 3, третий 4, четвертый 5, пятый 6, шестой 7, седьмой 8 и восьмой 9 транзисторы, прямосмещенный диод 10, первый 11, второй 12, третий 13, четвертый 14, пятый 15, шестой 16 и седьмой 17 резисторы параллельную RC-цепь 18 и выходной формирующий каскад 19 на транзисторах 20, 21, 22 и на резисторах 23, 24, 25.

Усилитель фототока работает следующим образом.

Малое сопротивление перехода эмиттер-база и большое сопротивление коллекторного перехода восьмого транзистора 9, с одной стороны, большое сопротивление коллекторного перехода и малое сопротивление перехода база-эмиттер седьмого транзистора 8, с другой стороны, образуют два делителя напряжений, с которых к фотодиоду 1 прикладывается обратное смещение.

При отсутствии оптического сигнала через фотодиод 1 протекает темновой ток, который при правильно подобранных седьмом 8 и восьмом 9 транзисторах компенсируется обратными токами их коллекторных переходов. Седьмой и восьмой транзисторы оказываются закрытыми, а базовый и соответственно коллекторный токи шестого транзистора 7 минимальны. Через седьмой 17, первый 11, пятый 15 и шестой 16 резисторы протекает достаточно большой исходной большой исходный рабочий ток первого транзистора 2. Потенциал с соответствующих выводов седьмого 17 и шестого 16 резисторов через эмиттерные переходы шестого 7, седьмого 8 и восьмого 9 транзисторов, подается на фотодиод 1, задавая величину отрицательного смещения. Одновременно относительно низкий потенциал с коллектора первого транзистора 2 поступает на базу второго транзистора 3 и задает относительно небольшой ток этого транзистора. Третий транзистор 4 совместно с третьим резистором 13 пропускает основную часть эмиттерного тока второго транзистора 3 и небольшой разностный ток поступает на базу четвертого транзистора 5. Потенциал, который образуется на эмиттере второго транзистора 3, используется для задания через второй резистор 12 рабочей точки первого транзистора 2 в области больших токов. Одновременно второй резистор 12 является нагрузкой шестого транзистора 7, минимальный ток которого практически не оказывает влияния на задание исходной рабочей точки первого транзистора 2. Эмиттерный ток первого транзистора 2 создает на пятом 15 и шестом 16 резисторах исходный потенциал, который через резистор параллельной RC-цепи 18 подается на базу пятого транзистора 6. Сопротивление этого резистора выбирается таким, чтобы исходный ток пятого транзистора 6 находился в области средних-больших токов, при этом на коллекторе этого транзистора устанавливается низкий потенциал. Прямосмещенный диод 10 служит для создания дополнительного смещения на эмиттере четвертого транзистора 5. Низкий потенциал с коллектора пятого транзистора 6 подается на базу транзистора 20 выходного формирующего каскада 19 и определяет его минимальный ток. Высокий потенциал с коллектора транзистора 20 через составной эмиттерный повторитель на транзисторах 6,7 передается на выход усилителя фототока. Большая часть эмиттерного тока транзистора 21, протекая по цепи, образованной резисторами 25, 24, образует на резисторe 24 пороговый потенциал, запирающий эмиттерный переход транзистора 20, в результате чего на его коллекторе и соответственно на выходе усилителя фототока устанавливается максимально возможный потенциал (исходное устойчивое состояние).

При наличии оптического сигнала через фотодиод 1 начинает протекать фототок, который усиливается седьмым 8 и восьмым 9 транзисторами. Каждый транзистором фототок усиливается примерно в h₂₁ раз. Далее сигнальные токи этих транзисторов складываются и образуют базовый ток шестого транзистора 7, который усиливается этим транзистором еще в h₂₁раз. Сигнальный ток коллектора шестого транзистора 7 (I_K7 ≈ 2h₂₁²I_S, где I_S сигнальный ток фотодиода 1) образует ток смещения на втором резисторе 12, в результате чего потенциал на базе первого транзистора 2 уменьшается, соответственно уменьшается и выходной ток этого транзистора. Уменьшение рабочего тока первого транзистора 2 приводит к уменьшению падения напряжения на седьмом 17 и шестом 16 резисторах 17, 16, соответственно напряжение, подаваемое на усилитель тока, выполненный на шестом 7, седьмом 8 и восьмом 9 транзисторах, увеличивается с таким расчетом, чтобы скомпенсировать увеличение падений напряжения на эмиттерных переходах шестого 7, седьмого 8 и восьмого 9 транзисторов и сохранить величину отрицательного смещения фотодиода 1.

Сумма падений напряжений на соответствующих элементах цепи подачи смещения на фотодиод 1 U₁₇ + U_ЭБ9 + U_фД + U_ЭБ8 + U_БЭ7+ U₁₆ E.

Стрелки указывают на изменения абсолютной величины падения напряжения на элементах цепи при увеличении фототока. При этом величина сопротивления седьмого резистора 17 выбирается так, чтобы Δ U₁₇ ≈Δ U_ЭБ9(Δ I_K2R₁₇ ≈Δ I_фД, r_ЭБ9), а величина сопротивления шестого резистора 16 выбирается так, чтобы Δ U₁₆≈Δ U_ЭБ8 + U_БЭ7 ( Δ I_K2R₁₆ ≈Δ I_фД˙r_БЭ8 + 2h₂₁ Δ I_фД ˙r_БЭ7 при условии I_K7 << I_K2). Тогда напряжение смещения на фотодиоде 1 при увеличении сигнального фототока остается постоянным. Возможная несбалансированность связана лишь с нелинейностью сопротивления эмиттерных переходов транзисторов при больших перепадах сигнального тока.

Одновременно со стабилизацией смещения фотодиода 1 достигается и стабилизация потенциалов выводов фотодиода 1 относительно шин питания и монтажа устройства.

Далее уменьшение рабочего тока первого транзистора 2 приводит к повышению потенциала на базе второго транзистора 3 и увеличивает его ток. Приращение этого тока приводит к увеличению рабочих токов третьего 4 и четвертого 5 транзисторов и повышению потенциала на соответствующем выводе второго резистора 12. При этом частично компенсируется падение потенциала на базе первого транзистора 2. Последнее обеспечивает работу усилителя фототока в более широком динамическом диапазоне входного сигнала.

Одновременно уменьшение рабочего тока первого транзистора 2 приводит к уменьшению потенциала на его эмиттере и соответственно к уменьшению рабочего тока пятого транзистора 6.

Ток рассогласования, который образуется в результате увеличения рабочего тока четвертого транзистора 5 и уменьшения рабочего тока пятого транзистора 6, открыват транзистор 20 выходного формирующего каскада 19. Появление коллекторного тока этого транзистора увеличивает падение напряжения на резисторе 23. Уменьшение потенциала на коллекторе транзистора 20 приводит к соответствующему уменьшению потенциала на выходе составного эмиттерного повторителя на транзисторах 21,22. Таким образом, увеличение сигнального тока фотодиода 1 вызывает падение потенциала на выходе выходного формирующего каскада 19.

Параллельная RC-цепь 18 обеспечивает коррекцию частотной характеристики усилителя фототока в области верхних частот.

Таким образом, введение предварительного усилителя тока, выполненного на шестом 7, седьмом 8 и восьмом 9 транзисторах, с коэффициентом усиления тока М ≈ 2h₂₁² и минимальным коэффициентом собственных шумов F (работа с минимальными рабочими токами, отсутствие в цепи передачи сигнального тока пассивных элементов) позволяет снизить влияние собственных шумов исходного трансимпедансного усилителя на величину отношения сигнал/шум и существенно повысить чувствительность усилителя фототока.

Введение авторегулировки смещения фотодиода 1 за счет обратной связи по напряжению с седьмого 17 и шестого 16 резисторов с развязкой на шестом транзисторе 7 цепей подачи смещения и передачи сигнального тока на вход исходного трансимпедансного усилителя позволяет в первом приближении стабилизировать смещение фотодиода 1, уменьшить перезаряд его барьерной и паразитных емкостей, уменьшить приращение диффузионной составляющей тока p-n-перехода фотодиода, возникающей при колебаниях внешнего смещения фотодиода и направленной против приращения сигнального фототока, и тем самым повышает потенциальную чувствительность и быстродействие усилителя фототока.

Введение остальных элементов обусловлено необходимостью задания соответствующих режимов работы и согласования основных элементов, а также повышения общего коэффициента усиления усилителя фототока.

Формула изобретения

УСИЛИТЕЛЬ ФОТОТОКА, содержащий фотодиод, входной двухкаскадный усилитель с параллельной обратной связью по напряжению, выполненный на первом, втором и третьем транзисторах, первом, втором и третьем резисторах, а также выходной формирующий каскад, выполненный на триггере Шмитта, при этом коллектор первого транзистора соединен с первым выводом первого резистора и базой второго транзистора, коллектор которого соединен с первой шиной питания, а эмиттер подключен к коллектору и базе третьего транзистора и через второй резистор к базе первого транзистора, эмиттер третьего транзистора через третий резистор соединен с второй шиной питания, отличающийся тем, что в него введены четвертый седьмой транзисторы, а также восьмой транзистор, имеющий другую структуру, четвертый седьмой резисторы, прямосмещенный диод и параллельная RC-цепь, при этом база четвертого транзистора соединена с базой третьего транзистора, коллектор с первой шиной питания, а эмиттер через прямосмещенный диод с входом выходного формирующего каскада и коллектором пятого транзистора, база которого через параллельную RC-цепь подключена к эмиттеру первого транзистора, а эмиттер через четвертый резистор подключен к второй шине питания, эмиттер шестого транзистора через пятый резистор подключен к эмиттеру первого транзистора, а через шестой резистор к второй шине питания, база шестого транзистора соединена с эмиттером седьмого и коллектором восьмого транзисторов, между базами которых включен фотодиод, причем эмиттер восьмого и коллектор седьмого транзисторов соединены с вторым выводом первого резистора и через седьмой резистор с первой шиной питания.

РИСУНКИ

Рисунок 1