Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения

Изобретение относится к системам оптической связи и может использоваться в оптических фотоприемниках, использующих лавинные фотодиоды. Технический результат заключается в обеспечении стабильной работы лавинного фотодиода в условиях открытых линий связи при интенсивной внешней засветке в широком диапазоне температур и питающих напряжений. Для этого введены второй источник постоянного напряжения, дополнительный идентичный лавинный фотодиод, включенный параллельно основному лавинному фотодиоду и работающий при той же температуре, что и основной, без освещения в режиме начала лавинного разряда, схема формирования постоянной разности напряжений между лавинными фотодиодами, и сигнальный трансформатор, первичная обмотка которого включена между анодом основного лавинного фотодиода и выходом схемы формирования напряжения смещения лавинного фотодиода, вторичная обмотка сигнального трансформатора является входом для подключения усилителя. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к оптоэлектронике, в частности к оптическим фотоприемникам, использующим лавинные фотодиоды.

Лавинные фотодиоды, используемые в оптических фотоприемниках, имеют сильную зависимость коэффициента усиления от напряжения смещения на них, температуры и выходного тока, в связи с чем возникает проблема сохранения высокой чувствительности этих приборов при изменениях температуры и интенсивной внешней засветке.

Известны устройства, в которых решается задача контроля напряжения смещения на лавинном фотодиоде при изменениях температуры и при изменениях светового потока, падающего на него (см. 1. патент Японии №4278738, М. кл. Н 04 В 9/00, H 01 L 31/107, H 01 L 31/10, H 03 F 3/08, опубл. 5.10.1992 г., 2. патент Японии №5075354, М. кл. H 03 F 3/08, H 01 L 23/58, H 01 L 31/10, H 01 L 31/107, опубл. 26.03.1993 г., 3. патент Японии №2002050784, М. кл. H 01 L 31/10, H 01 L 31/107, H 03 F 3/08, Н 04 В 10/28, Н 04 В 10/26, Н 04 В 10/14, опубл. 15.02.2002 г., 4. Европейский патент ЕР №1006591, М. кл. H 01 L 31/02, H 01 L 31/107, H 03 F 3/08, H 03 F 1/30, Н 04 В 10/04, опубл. 7.06.2000 г.).

В устройстве по патенту Японии №4278738 контроль напряжения смещения на лавинном фотодиоде осуществляется путем снижения напряжения, поступающего от стабилизированного источника питания. Для этого используется ограничивающая цепь, состоящая из диода Зенера и резистивного делителя напряжения, которая минимизирует напряжение смещения на лавинном фотодиоде при максимальном световом потоке, падающем на него.

В патенте Японии №5075354 используется специальное устройство, подключаемое к лавинному фотодиоду и содержащее источник постоянного напряжения, датчик температуры, операционный усилитель, резистивный делитель напряжения. Это устройство обеспечивает напряжение смещения на лавинном фотодиоде, изменяющееся в зависимости от изменения температуры.

В Европейском патенте ЕР №1006591 используется устройство, подключаемое к лавинному фотодиоду, которое формирует напряжение питания лавинного фотодиода в зависимости от интенсивности светового сигнала, падающего на него. Это устройство содержит датчик температуры, например, термистор, аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, блок памяти. При этом напряжение питания поступает на коллектор транзистора, база которого соединена с выходом упомянутого выше устройства, а эмиттер транзистора через резистор подключен к катоду лавинного фотодиода. Транзистор усиливает напряжение питания, поступающее на лавинный фотодиод, в зависимости от напряжения, поступающего на его базу с упомянутого выше устройства.

В патенте Японии №2002050784 используется контролирующая цепь обратной связи, характеристика которой такова, что если ток, протекающий через лавинный фотодиод, небольшой, электрический потенциал на катоде лавинного фотодиода остается постоянным. При увеличении светового потока, падающего на лавинный фотодиод, увеличивается ток через лавинный фотодиод, при этом возрастает сопротивление контролирующей цепи обратной связи, а напряжение на катоде лавинного фотодиода падает.

Используемые в известных аналогах средства для стабилизации напряжения смещения на лавинном фотодиоде при изменениях температуры и изменениях интенсивности светового потока в условиях открытых оптических линий связи обеспечивают эту стабилизацию в ограниченных пределах и с недостаточной точностью, поскольку не учитывают наличие дополнительной паразитной внешней засветки, возможность изменения температуры в широких пределах, в которых температурные характеристики лавинного фотодиода являются нелинейными и существенно отличаются от температурных характеристик компенсирующих элементов.

В качестве прототипа выбрано устройство по Европейскому патенту ЕР №1006591.

Задачей изобретения является обеспечение стабильной работы лавинного фотодиода в условиях открытых оптических линий связи при изменениях интенсивности внешней засветки в широком диапазоне температур и питающих напряжений.

Решение поставленной задачи обеспечивается в предлагаемом устройстве включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения, содержащем источник постоянного напряжения, схему формирования напряжения смещения лавинного фотодиода, включенную между источником постоянного напряжения и основным лавинным фотодиодом, отличающемся тем, что в него введены сигнальный трансформатор, первичная обмотка которого включена последовательно с лавинным фотодиодом, а вторичная обмотка является входом для подключения усилителя, дополнительный идентичный лавинный фотодиод, работающий при той же температуре, без освещения в режиме начала лавинного разряда, и схема формирования постоянной разности напряжений между основным и дополнительным лавинными фотодиодами.

При этом для обеспечения работы дополнительного лавинного фотодиода в начале лавинного разряда устройство дополнительно содержит резистор, включенный между источником постоянного напряжения и дополнительным лавинным фотодиодом, а также транзистор, переход база-эмиттер которого включен последовательно с дополнительным лавинным фотодиодом, а его коллектор подключен к точке соединения резистора и дополнительного лавинного фотодиода.

Схема формирования постоянной разности напряжений между основным и дополнительным лавинными фотодиодами может содержать, например, транзистор, эмиттер которого заземлен через параллельную RC-цепь и соединен с концом первичной обмотки сигнального трансформатора, начало которой подключено к основному лавинному фотодиоду, коллектор транзистора подключен к дополнительному независимому стабилизированному источнику постоянного напряжения, а база - подключена к средней точке делителя напряжения от упомянутого источника.

Введение в предлагаемое устройство дополнительного лавинного фотодиода, работающего при той же температуре, без освещения в режиме начала лавинного разряда, обеспечивает получение требуемого значения напряжения смещения на основном лавинном фотодиоде, поскольку характеристики дополнительного лавинного фотодиода идентичны характеристикам основного лавинного фотодиода, в то время как в известных устройствах характеристики компенсирующих элементов отличаются от характеристик лавинного фотодиода.

При этом создание постоянной разности напряжений между основным и дополнительным лавинными фотодиодами обеспечивает получение стабильного коэффициента усиления основного лавинного фотодиода.

А включение сигнального трансформатора последовательно с лавинным фотодиодом устраняет зависимость коэффициента усиления основного фотодиода от паразитной внешней засветки.

Пример построения схемы предлагаемого устройства включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения приведен на чертеже.

Устройство содержит резистор R1, подключенный одним концом к первому источнику постоянного напряжения U1, а вторым концом - к катоду дополнительного лавинного фотодиода ЛФД2, анод которого соединен с резистором R2, второй конец которого заземлен, и базой транзистора Т1, коллектор которого подключен к точке соединения катодов основного и дополнительного лавинных фотодиодов с резистором R1, а эмиттер транзистора Т1 заземлен. Анод основного лавинного фотодиода ЛФД1 подключен к началу первичной обмотки сигнального трансформатора Тр, конец которой подключен к эмиттеру транзистора Т2, и заземлен через параллельную RC-цепь, включающую резистор R3 и конденсатор С, база транзистора Т2 подключена к средней точке переменного резистора R4, являющегося делителем напряжения U2, поступающего от второго источника постоянного напряжения к одному концу резистора R4, а второй конец резистора R4 заземлен. Вторичная обмотка сигнального трансформатора Тр является входом для подключения усилителя. Транзистор Т2 с резистивным делителем напряжения, подключенным к источнику постоянного напряжения U2, образуют схему формирования постоянной разности напряжений между основным ЛФД1 и дополнительным ЛФД2 лавинными фотодиодами.

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. При подаче напряжений U1 и U2 от источников постоянного напряжения дополнительный лавинный фотодиод ЛФД2 совместно с транзистором Т1 обеспечивает параметрическую стабилизацию напряжения U1 на уровне напряжения начала лавинного разряда ЛФД2 при любых температурах корпусов лавинных фотодиодов ЛФД2 и ЛФД1, соединенных теплопроводящим радиатором, и независимо от наличия паразитной внешней засветки, поскольку лавинный диод ЛФД2 работает без освещения. При этом напряжение на эмиттере транзистора Т2 создает постоянную разность напряжений между лавинными фотодиодами ЛФД1 и ЛФД2, обеспечивая постоянство коэффициента усиления основного лавинного фотодиода ЛФД1.

Пример реализации предлагаемого устройства можно пояснить следующим образом.

В качестве основного и дополнительного лавинных фотодиодов ЛФД1 и ЛФД2 могут использоваться, например, лавинные фотодиоды типа КРД0001Е08 (см. Каталог Японской фирмы HAMAMATSU “PHOTODIODES”, Oct. 1999T, Printed in Japan, стр. 38).

В качестве транзистора Т1 может быть использован, например, транзистор типа КТ3153А, а в качестве транзистора Т2 - транзистор типа КТ604Б (см. Справочник “Полупроводниковые приборы. Транзисторы биполярные КТ370...КТ374, КТ502...КТ681”, изд. РНИИ “Электростандарт”, Санкт-Петербург, 1993 г.).

В качестве сигнального трансформатора может использоваться. например, трансформатор типа ТG 110-5050N1 (см. Каталог фирмы Halo Electronics, изд. 2001 г.).

1. Устройство включения лавинного фотодиода в приемнике оптического излучения, содержащее источник постоянного напряжения, соединенный с основным лавинным фотодиодом посредством схемы формирования напряжения смещения лавинного фотодиода, отличающееся тем, что в него введены второй источник постоянного напряжения, дополнительный идентичный лавинный фотодиод, включенный параллельно основному лавинному фотодиоду и работающий при той же температуре, что и основной, без освещения в режиме начала лавинного разряда, схема формирования постоянной разности напряжений между лавинными фотодиодами и сигнальный трансформатор, первичная обмотка которого включена между анодом основного лавинного фотодиода и выходом схемы формирования напряжения смещения лавинного фотодиода, вторичная обмотка сигнального трансформатора является входом для подключения усилителя, при этом второй источник постоянного напряжения через схему формирования постоянной разности напряжений между лавинными фотодиодами соединен со схемой формирования напряжения смещения лавинного фотодиода.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для обеспечения работы дополнительного лавинного фотодиода в начале лавинного разряда оно дополнительно содержит резистор, включенный между источником постоянного напряжения и катодом дополнительного лавинного фотодиода, а также транзистор, переход база - эмиттер которого включен последовательно с дополнительным лавинным фотодиодом, а коллектор подключен к точке соединения резистора и катода дополнительного лавинного фотодиода.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что схема формирования постоянной разности напряжений между лавинными фотодиодами содержит транзистор, эмиттер которого заземлен через параллельную RC-цепь, коллектор подключен к дополнительному источнику постоянного напряжения, а база подключена к средней точке делителя напряжения дополнительного источника постоянного напряжения.