Усилитель тока

Изобретение относится к радиотехнике, оптоэлектронике для усиления фототока. Технический результат заключается в повышении пороговой чувствительности. Усилитель тока содержит источник входного тока (1), первый и второй отражатели тока (ОТ) (2, 3), при этом выход первого ОТ (2) соединен с входом второго ОТ (3), общий вывод первого ОТ (2) соединен с первой шиной (4) источника питания (ИП), выход второго ОТ (3) соединен с входом первого ОТ (2), источник входного тока (1) включен между входами ОТ (2 и 3), а общий вывод второго ОТ (3) соединен со второй шиной (5) ИП через нагрузку усилителя. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, оптоэлектронике и может быть использовано для усиления фототока.

Известен усилитель, содержащий источник входного тока в виде фотодиода, включенного в базовую цепь транзистора, в коллекторную цепь которого включена нагрузка [1].

Недостатками известного устройства являются ограниченный коэффициент усиления по току и сравнительно высокий уровень шума, обусловленные спецификой согласования по постоянному току характеристик фотодиода и входных параметров транзистора.

Известен усилитель тока, содержащий источник входного тока, первый и второй отражатели тока, каждый из которых имеет вход, выход и общий вывод. Источник входного тока включен между первой шиной источника питания и входом первого отражателя тока, общий вывод которого связан с входом второго отражателя тока, выходы отражателей тока связаны с первой шиной источника питания, а общий вывод второго отражателя тока связан через сопротивление нагрузки усилителя со второй шиной источника питания [2].

Устройство допускает каскадирование отражателей тока по вышеописанной схеме включения, при этом каждый последующий отражатель тока удваивает выходной ток в нагрузке.

Недостатком известного усилителя является низкий коэффициент усиления (для двух отражателей тока коэффициент усиления К≤4). Кроме того, коэффициент усиления отражателей тока уменьшается при малых входных токах вследствие зависимости его от коэффициента усиления по току β транзисторов, уменьшающегося при малых токах.

Известен усилитель, содержащий первый и второй отражатели тока, при этом выход первого отражателя тока связан с входом второго отражателя, а выход второго отражателя тока связан с входом первого отражателя тока, общий вывод первого отражателя тока соединен с первой шиной источника питания, а общий вывод второго отражателя тока связан через сопротивление нагрузки усилителя с второй шиной источника питания. Между первой шиной источника питания и входом первого отражателя тока включен генератор входного напряжения [3].

Данное устройство является усилителем напряжения, а не тока.

Известен усилитель тока, содержащий источник входного тока, первый и второй отражатели тока, при этом выход первого отражателя тока связан с входом второго отражателя тока, общий вывод первого отражателя тока связан с первой шиной источника питания, общий вывод второго отражателя тока связан со второй шиной источника питания, а источник входного тока связан с входом второго отражателя тока.

Источник входного тока включен между первой шиной дополнительного источника питания и общим выводом третьего отражателя тока, вход которого через токозадающий элемент связан со второй шиной дополнительного источника питания, выход соединен с входом первого отражателя тока, а общий вывод - с выходом второго отражателя тока [4].

Данное устройство по назначению и совокупности существенных признаков наиболее близко к заявляемому устройству и принято за прототип.

Недостатком прототипа является низкая пороговая чувствительность схемы, так как для функционирования схемы входной ток должен превышать ток токозадающего элемента третьего отражателя тока, который для отражателей тока не может находиться в нано- и пикоамперном диапазоне. Кроме того, схема требует дополнительного источника питания.

Предлагаемое изобретение устраняет вышеперечисленные недостатки прототипа.

Для достижения этого технического результата усилитель тока содержит источник входного тока, первый и второй отражатели тока, при этом выход первого отражателя тока соединен с входом второго отражателя тока. Общий вывод первого отражателя тока соединен с первой шиной источника питания, а общий вывод второго отражателя тока связан с второй шиной источника питания. Источник входного тока связан с входом второго отражателя тока. В отличие от прототипа выход второго отражателя тока соединен с входом первого отражателя тока, источник входного тока включен между входами отражателей тока, а общий вывод второго отражателя тока связан с второй шиной источника питания через нагрузку усилителя.

Благодаря отличительным признакам предлагаемый усилитель позволяет усиливать сигналы нано- и пикоамперного диапазона и позволяет отказаться от дополнительного источника питания.

В качестве источника входного тока использован фотодиод.

Последнее позволяет получить высокочувствительный фотодиодный усилитель с большим динамическим диапазоном.

В качестве нагрузки использован источник постоянного тока.

Источник постоянного тока в этом случае является активной динамической нагрузкой для усилителя и позволяет получить высокий коэффициент усиления устройства.

Использование в качестве нагрузки логарифмического ограничителя напряжения позволяет расширить динамический диапазон входных токов (а следовательно, и оптической мощности на фотодиоде) без захода транзисторов отражателей тока схемы в область насыщения.

Выполнение логарифмического ограничителя напряжения из последовательно соединенных диодов Шоттки позволяет получить на выходе схемы уровни сигналов, достаточные для переключения цифровых логических устройств.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, представленными на Фиг.1÷5:

на Фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема усилителя;

на Фиг.2 представлено семейство статических вольт-амперных характеристик устройства;

на Фиг.3 представлено семейство статических вольт-амперных характеристик устройства в области малых входных и выходных токов;

на Фиг.4 изображена схема фотодиодного усилителя с источником постоянного тока в качестве его активной нагрузки.

на Фиг.5 изображена схема фотодиодного усилителя с логарифмическим ограничителем напряжения в качестве нагрузки, выполненным в виде последовательно соединенных диодов Шоттки.

Усилитель тока (Фиг.1) содержит источник 1 входного тока, первый и второй отражатели 2 и 3 тока, первую и вторую шины 4 и 5 источника питания и резистор нагрузки 6. Первый отражатель 2 вытекающего тока выполнен на транзисторах р-n-р структуры, а второй отражатель 3 втекающего тока - на транзисторах n-р-n.

Устройство работает следующим образом.

Входной ток источника 1 поступает во входные цепи отражателей тока 2 и 3 и усиливается с коэффициентом усиления по току

К_о=(1-Δ)/(1+Δ),

где К_о - коэффициент усиления по току отражателя тока, Δ=1/(β+1) - мера погрешности отражателя тока, а β - коэффициент усиления по току транзисторов T₁÷T₄.

Так как отражатель тока 2 выполняет одновременно наряду с усилением сигнала функцию положительной обратной связи по току, а отражатель тока 3 выполняет аналогичные функции, то усиление по "петле" обратной связи составит

К=2К_о/(1-(К_o)²)=(1-Δ²)/4Δ,

т.е. при β≈100, Δ≈0,01, К≈50.

Таким образом, ток в петле быстро нарастает и ограничителем его роста является сопротивление нагрузки или генератор постоянного тока (см. Фиг.1 и Фиг.4 соответственно). При этом выбор вольт-амперной характеристики, которую пересекает нагрузочная прямая, осуществляется под управлением тока входного источника сигнала (фотодиода).

Выходные вольт-амперные характеристики заявляемого устройства (Фиг.2, 3), полученные на действующем макете, имеют характерный S-образный вид, свойственный приборам с положительной петлей обратной связи по току, с двумя основными ветвями.

Ветви I - ветви очень малых выходных токов (большое положительное дифференциальное выходное сопротивление).

Ветви II - ветви с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

Работа усилителя проиллюстрирована ходом нагрузочных прямых:

прямой III при резистивной нагрузке R (Фиг.2);

прямой IV при нагрузке в виде источника тока (Фиг.3, 4).

Наилучшим вариантом исполнения устройства является исполнение в виде усилителя фототока с источником постоянного тока в цепи нагрузки (Фиг.4), который имеет преимущество перед известным техническим решением. Так действие фототока фактически удваивается, поскольку он поступает одновременно на входы отражателя тока 2 и отражателя тока 3, являющиеся дифференциальными токовыми входами устройства. При этом получается выигрыш в 3 дБ для минимальной детектируемой оптической мощности.

Фотодиодный усилитель (Фиг.5) имеет нелинейную нагрузку в виде диодов с логарифмической характеристикой ток-напряжение, что резко расширяет динамический диапазон усилителя.

Отметим также, что в схеме Фиг.4 фотодиод находится в обратно смещенном состоянии (так называемый "фотодиодный режим") и нагружен на низкие дифференциальные входные сопротивления отражателей тока - отсюда реализация высокого быстродействия и хорошая помехозащищенность от электромагнитных полей, несмотря на большой импеданс источника сигнала.

В зависимости от выбора нагрузочной прямой на семействе вольт-амперных характеристик (Фиг.2, 3) может быть реализована высокая линейность передаточной характеристики или, например, получен сверхширокий (80÷90 дБ) диапазон принимаемой оптической мощности без захода в область насыщения транзисторов схемы.

Использованные источники

1. Шевцов Е.А., Белкин М.Е. Фотоприемные устройства волоконно-оптических систем передачи. - М.: Радио и связь, 1992, с.153.

2. Патент ФРГ №3143159, кл. H 03 F 3/343, 1982. Опубл. 16.06.82.

3. Патент США №4267521, кл. 330-288, 1981.

4. А.с. СССР №1084959, кл. H 03 F 3/42.

1. Усилитель тока, содержащий источник входного тока, первый и второй отражатели тока, при этом выход первого отражателя тока связан с входом второго отражателя тока, общий вывод первого отражателя тока связан с первой шиной источника питания, общий вывод второго отражателя тока связан со второй шиной источника питания, а источник входного тока связан с входом второго отражателя тока, отличающийся тем, что выход второго отражателя тока связан со входом первого отражателя тока, источник входного тока включен между входами отражателей тока, а общий вывод второго отражателя тока связан со второй шиной источника питания через нагрузку усилителя.

2. Усилитель по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника входного тока использован фотодиод.

3. Усилитель по п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве нагрузки использован источник тока.

4. Усилитель по п.2, отличающийся тем, что в качестве нагрузки использован логарифмический ограничитель напряжения.

5. Усилитель по п.4, отличающийся тем, что логарифмический ограничитель напряжения выполнен из последовательно соединенных диодов Шоттки.