Приемник оптических излучений

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в оптических системах передачи информации, датчиках оптических излучений малой интенсивности, измерителях оптических сигналов в физике высоких энергий и т.п. Технический результат - повышение быстродействия при работе с датчиками излучений в виде фотодиодов, имеющими значительную паразитную емкость. Приемник оптических излучений содержит датчик излучений (1), подключенный по переменному току ко входу устройства (2), связанному с инвертирующим входом первого (3) дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания (4), резистор обратной связи (5), включенный между выходом первого (3) дифференциального усилителя, соединенного с выходом устройства (6), и инвертирующим входом первого (3) дифференциального усилителя. Инвертирующий вход первого (3) дифференциального усилителя соединен с инвертирующим входом дополнительного дифференциального усилителя (7), неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания (4), неинвертирующий вход первого (3) дифференциального усилителя связан с общей шиной источников питания (4) через первый (8) дополнительный резистор и подключен к выходу дополнительного дифференциального усилителя (7) через второй (9) дополнительный резистор, причем между входом устройства (2) и выходом дополнительного дифференциального усилителя (7) включен третий (10) дополнительный резистор. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в оптических системах передачи информации, датчиках оптических излучений малой интенсивности, измерителях оптических сигналов в физике высоких энергий и т.п.

Оптическое излучение (ОИ) включает спектры ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных диапазонов. Оно может регистрироваться различными типами фотоприемников, среди которых наиболее часто применяются фотодиоды, реагирующие, как правило, на определенный спектр излучений. Рассматриваемое устройство относится к таким типам фотоприемников.

В задачах выделения оптических сигналов сегодня широко используются приемники оптических излучений (ПОИ) на основе фотодиодов со специальными элементами RC-коррекции, формирующими заданную амплитудно-частотную характеристику [1-26]. Однако классическое построение таких ПОИ сопровождается значительными потерями в быстродействии, которые связаны в основном с паразитными емкостями фотодиодных преобразователей [1-26] и резисторов обратных связей. В этой связи весьма актуальной является задача построения приемников различных оптических излучений (видимое излучение, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение), которые обеспечивают повышенное быстродействие в сравнении с ПОИ на основе классических архитектур.

Известны схемы ПОИ на основе операционных усилителей (ОУ) с отрицательной обратной связью, которые обеспечивают формирование заданного коэффициента преобразователя оптического сигнала в напряжение в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [1-26].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является приемник оптических излучений, представленный в патенте US 5.521.555 fig.1, fig.2. Он содержит датчик излучений 1, подключенный по переменному току ко входу устройства 2, связанному с инвертирующим входом первого 3 дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 4, резистор обратной связи 5, включенный между выходом первого 3 дифференциального усилителя, соединенного с выходом устройства 6, и инвертирующим входом первого 3 дифференциального усилителя.

Существенный недостаток известного ПОИ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокое быстродействие при импульсном изменении слабых излучений.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия ПОИ при работе с датчиками излучений в виде фотодиодов, имеющими значительную паразитную емкость.

Поставленная задача решается тем, что в приемнике оптических излучений фиг.1, содержащем датчик излучений 1, подключенный по переменному току ко входу устройства 2, связанному с инвертирующим входом первого 3 дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 4, резистор обратной связи 5, включенный между выходом первого 3 дифференциального усилителя, соединенного с выходом устройства 6, и инвертирующим входом первого 3 дифференциального усилителя, предусмотрены новые элементы и связи - инвертирующий вход первого 3 дифференциального усилителя соединен с инвертирующим входом дополнительного дифференциального усилителя 7, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 4, неинвертирующий вход первого 3 дифференциального усилителя связан с общей шиной источников питания 4 через первый 8 дополнительный резистор и подключен к выходу дополнительного дифференциального усилителя 7 через второй 9 дополнительный резистор, причем между входом устройства 2 и выходом дополнительного дифференциального усилителя 7 включен третий 10 дополнительный резистор.

Схема ПОИ-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.

На чертеже фиг.3 приведена эквивалентная схема ПОИ-прототипа фиг.1, которая использовалась при математическом и компьютерном моделировании его переходных процессов.

На чертеже фиг.4 показан переходных процесс в ПОИ-прототипе фиг.3 при импульсе тока фотодиода I_фмах=0,6 мкА и следующих параметрах элементов: R₅=R=168 кОм, С₁₃=С_к=0,26 пФ, R₁₂=R₀=350 кОм.

На чертеже фиг.5 приведена эквивалентная схема ПОИ для моделирования и аналитического описания свойств предлагаемой схемы фиг.2.

На чертеже фиг.6 представлены переходные процессы ПОИ фиг.5 для установившегося значения U_вых=U_п=100 мВ при входном импульсе фототока I_ф=0,6 мкА и разных значений паразитной емкости фотодиода 1 (С₀=0,5 пФ, С₀=1 пФ, С₀=1,5 пФ).

Приемник оптических излучений фиг.2 содержит датчик излучений 1, подключенный по переменному току ко входу устройства 2, связанному с инвертирующим входом первого 3 дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 4, резистор обратной связи 5, включенный между выходом первого 3 дифференциального усилителя, соединенного с выходом устройства 6, и инвертирующим входом первого 3 дифференциального усилителя. Инвертирующий вход первого 3 дифференциального усилителя соединен с инвертирующим входом дополнительного дифференциального усилителя 7, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 4, неинвертирующий вход первого 3 дифференциального усилителя связан с общей шиной источников питания 4 через первый 8 дополнительный резистор и подключен к выходу дополнительного дифференциального усилителя 7 через второй 9 дополнительный резистор, причем между входом устройства 2 и выходом дополнительного дифференциального усилителя 7 включен третий 10 дополнительный резистор.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между входом устройства 2 и общей шиной источников питания 4 включен четвертый 11 дополнительный резистор.

Кроме этого, на чертеже фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, неинвертирующий вход дополнительного дифференциального усилителя 7 связан с общей шиной источников питания 4 через пятый 12 дополнительный резистор.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.4 формулы изобретения, параллельно резистору обратной связи 5 включен корректирующий конденсатор 13.

Рассмотрим работу эквивалентной схемы ПОИ-прототипа фиг.3.

В схеме фиг.3 вследствие действия глубокой отрицательной обратной связи напряжение на датчике излучений 1 (фотодиоде) при любом световом потоке практически равно нулю. Именно это исключает в нем ток утечки и ток термогенерации, что в конечном итоге благоприятно сказывается на основных качественных показателях такого класса фотоприемных устройств.

Из эквивалентной схемы фиг.3 можно определить передаточную функцию ПОИ

$$F(p)=\frac{U_{П}(p)}{I_{Ф}}=\frac{-R{\omega }_p^2}{p^2+p{d}_p{\omega }_p+{\omega }_p^2},\left(1\right)$$

где U_п(p)=U_вых(p) - выходное напряжение ПОИ в операторной форме;

d_P и ω_р - затухание и частота полюса ПОИ;

I_ф - величина импульсного входного фототока ПОИ.

Если в режиме преобразования светового потока в выходное напряжение U_п(p) пренебречь влиянием внутреннего дифференциального сопротивления датчика 1 ПОИ и влиянием статического коэффициента передачи по напряжению операционного усилителя (ОУ), то

$$d_p=\sqrt{\frac{1}{ПR(C_0+Cк)}}+\sqrt{\frac{ПR{C}_K^2}{C_0+C_K}},{\omega }_p=\sqrt{\frac{П}{R\left(C_{К}+C_0\right)}},(2)$$ ,

где П=2πf₁ - площадь усиления операционного усилителя ОУ.

Из соотношения (1) следует, что в установившемся режиме выходное напряжение схемы фиг.3 (при чувствительности U_п к изменению R: $$S_R^{Uп}=1$$ )

$$U_{вых}=U_{П}=-R{I}_{ф}=-F_{и}{I}_{ф}\left(3\right)$$

не только не зависит от паразитных параметров датчика излучений (фотодиода) 1, но также не зависит от частоты единичного усиления ОУ. Таким образом, фотоприемники непрерывного действия фиг.3 (фиг.1) могут обеспечить практически любую крутизну характеристики передачи «вход-выход».

Приведенные выше соотношения показывают, что влияние паразитных параметров схемы С₀, С_к=С₁₃ существенно сказывается на длительности и характере переходного процесса ПОИ фиг.1:

$$h(t)=\frac{1}{{\omega }_p\sqrt{1-d_p^2/4}}\cdot e^{-\frac{d_p}{2}{\omega }_{p}t}\cdot \sin {\omega }_p\sqrt{1-d_p^2/4}\cdot t.\left(4\right)$$

Параметрически оптимальные параметры такого устройства характеризуются следующими величинами:

$$d_{popt}=\sqrt{2}\text{, }{t}_{З}=\frac{N}{{\omega }_p}\text{, }\frac{\Delta h{\left(t\right)}_{\max }}{h}=5\%.(5)$$ .

где N≈З; t₃ - время задержки включения (выхода на режим).

В этом случае максимальная чувствительность ПОИ

$$S_{C_0}^{h(t)}\max =-3\sqrt{2}\frac{C_0}{C_0+C_K},\left(6\right)$$

которая в основном определяется соотношением емкости датчика излучений (фотодиода) 1 и корректирующей емкости C_К.

Аналогично можно найти чувствительность ПОИ

$$S_{C_{к}}^{h(t)}\max =-3\sqrt{2}\frac{C_{К}R\Pi }{1+C_{К}R\Pi },\left(7\right)$$

Эта величина определяет (при заданной крутизне переходной характеристики) значение затухания полюса.

В этой связи для реализации высокого динамического диапазона в ПОИ фиг.1 необходимо использовать прецизионные ОУ. Рассмотренная схема позволяет использовать стандартные типы фотодиодов и ОУ. Например, если применить прецизионный ОУ с частотой единичного усиления 49 МГц и типовые фотодиоды, то для I_ф=0,6 мкА переходные характеристики будут иметь вид, приведенный на чертеже фиг.4. Характеристики получены моделированием схемы фиг.3 в среде SPICE при использовании моделей 3 уровня. При этом считалось, что для существующих технологических погрешностей изготовления фотодиодов точность получения паразитной емкости С₀ составляет 50%.

Рассмотрим далее работу заявляемого приемника фиг.2 на основе анализа его эквивалентной схемы фиг.5.

Для уменьшения влияния паразитных параметров датчика излучений (фотодиода) 1 и активных элементов ПОИ в схему введены специальные компенсирующие обратные связи в соответствии с формулой изобретения.

Если не учитывать слагаемое, обратно пропорциональное произведению площадей усиления ОУ 7 и 3, то передаточная функция ПОИ в обозначениях элементов на чертеже фиг.5

$$F(p)=R\frac{p{a}_1+{\omega }_p^2}{p^2+p{d}_p{\omega }_p+{\omega }_p^2},\left(8\right)$$

где

$$\begin{array}{l}{\omega }_p=\sqrt{\frac{{П}_1{\beta }_2\ae }{{\tau }_{К}}},a_1=\frac{{\beta }_2}{{\tau }_{К}},{\text{ F}}_{\text{è}}=\text{R }\text{,}\\ d_p=\sqrt{\frac{{П}_1\ae }{{\beta }_2{\tau }_{К}}}\cdot \left[t_{К}+\frac{{\beta }_1}{{П}_1\ae }+\frac{{\beta }_2}{\ae }\frac{1}{{П}_1}\right],\\ {\tau }_{К}=C_{К}R,{\beta }_2=\frac{1/R}{1/R+1/R_1+1/R_2}\text{, }{\beta }_1=\frac{1/R_1}{1/R+1/R_1+1/R_2},(9)\\ \text{æ}=\frac{{\text{R}}_{\text{4}}}{{\text{R}}_{\text{3}}+{\text{R}}_{\text{4}}}.\end{array}$$

Следовательно, коэффициент преобразования оптического излучения (инфракрасного, ультрафиолетового или видимого), связанного с фототоком I_ф, в выходное напряжение ПОИ определяется сопротивлением резистора R.

Таким образом, параметры передаточной функции ПОИ фиг.2 (фиг.5) не зависят от емкости датчика излучений (фотодиода) 1, что в конечном итоге и подтверждает эффективность собственной компенсации. Однако, если в схеме ПОИ необходимо обеспечить максимальное быстродействие, то указанное выше условие не выполняется и рассматриваемое устройство описывается передаточной функцией третьего порядка

где

$$b_2=\frac{{П}_2{\tau }_{К}+1}{{П}_1{П}_2{\beta }_2\ae }\text{, }{b}_1=\frac{{П}_1{П}_2\ae {\tau }_{\text{К}}+{П}_1{\beta }_1+{П}_2{\beta }_2}{{П}_1{П}_2{\beta }_2\ae }.(11)$$

Введя нормированный оператор

$$S=\frac{p}{{\omega }_H}\text{, }{\omega }_H=\sqrt[3]{\frac{{П}_1{П}_2{\beta }_2\ae }{{\tau }_0}},(12)$$

получим

$$\begin{array}{l}F(S)=F_{и}\frac{BS+1}{S^3+A_2{S}^2+A_{1}S+1},\\ B=a_1{\omega }_H,A_2=b_2{\omega }_H^2,\left(13\right)\\ {\text{A}}_{\text{1}}={\text{b}}_{\text{1}}{\omega }_H.\end{array}$$

Следовательно, при оптимальном выборе параметров B, A₂, A₁ длительность переходного процесса определяется частотой настройки схемы. Параметрическая оптимизация схемы фиг.2 (фиг.5) дает следующие результаты:

$$B=\mathrm{0,875}{A}_1\text{, }{A}_1=\mathrm{6,35,}{A}_2=\mathrm{5,1.}\left(14\right)$$

Поэтому выбор параметров ее элементов осуществляется из следующих выражений

$$\begin{array}{l}\frac{1}{\ae }=\sqrt{B^3{C}_{0}RП}\text{; }\frac{R}{R_2}=\frac{A_2}{\frac{1}{B}\frac{C_K}{C_0+C_K}+B\sqrt{\frac{\ae }{\left({\text{C}}_{\text{0}}+{\text{C}}_{\text{K}}\right)RП}}};\\ \text{ (15)}\\ \frac{R}{R_1}=\frac{A_1}{B}-1-\frac{ПC_K{R}^2\ae }{R_2}.\end{array}$$

Результаты моделирования принципиальной схемы фиг.5 при использовании типовых ОУ в системе SPICE (модели третьего уровня) приведены на рис.6 и показывают, что длительность переходных процессов в заявляемом ПОУ на порядок на порядок меньше, чем в схеме фиг.3 и в значительной степени зависит от технологической погрешности емкости С₀(ΔС₀/С₀±50%). Поэтому время задержки ПОИ должно определяться в наихудшем случае исходя из допустимой погрешности измерения светового потока (ΔU_п/U_п).

Представленные на чертежах фиг.4, фиг.6 результаты моделирования предлагаемого приемника оптических излучений подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.

Таким образом, предлагаемые схемотехнические решения ПОИ характеризуется более высоким быстродействием.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 6.832.054, fig.4

2. Патент DE 2720614

3. Патент US 5.455.705

4. Патент US 5.257.285, fig.3

5. Патент US 5.008.524

6. Патент US 5.311.353

7. Патент US 5.202.553

8. Патентная заявка US 2002/0122233, fig.1

9. Патент US 6.639.473, fig.1

10. Патент СА 1285325

11. Патентная заявка US 2006/0067713

12. Патент US 6.803.825,

13. Патент US 6.956.439

14. Патентная заявка US 2003/0107439

15. Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств / В.Б. Топильский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. - С.106, рис.2.63, С.125, рис.3.11.

16. Патент US №5.386.109 fig.2

17. Патент US №4.868.896 fig.4

18. Патент US №5.565.672 fig.2

19. Патент US №6.462.327 fig.1, fig.4a

20. Патент US №5.773.815 fig.1

21. Патент US №5.007.106 fig.5

22. Патент US №6.862.322 fig.3В

23. Патент US №5.477.370 fig.2

24. Патент US №4.724.315

25. Патент US №6.307.660 fig.1

26. Патент US №6.525.858 fig.3

1. Приемник оптических излучений, содержащий датчик излучений (1), подключенный по переменному току к входу устройства (2), связанному с инвертирующим входом первого (3) дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания (4), резистор обратной связи (5), включенный между выходом первого (3) дифференциального усилителя, соединенного с выходом устройства (6), и инвертирующим входом первого (3) дифференциального усилителя, отличающийся тем, что инвертирующий вход первого (3) дифференциального усилителя соединен с инвертирующим входом дополнительного дифференциального усилителя (7), неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания (4), неинвертирующий вход первого (3) дифференциального усилителя связан с общей шиной источников питания (4) через первый (8) дополнительный резистор и подключен к выходу дополнительного дифференциального усилителя (7) через второй (9) дополнительный резистор, причем между входом устройства (2) и выходом дополнительного дифференциального усилителя (7) включен третий (10) дополнительный резистор.

2. Приемник оптических излучений по п.1, отличающийся тем, что между входом устройства (2) и общей шиной источников питания (4) включен четвертый (11) дополнительный резистор.

3. Приемник оптических излучений по п.1, отличающийся тем, что неинвертирующий вход дополнительного дифференциального усилителя (7) связан с общей шиной источников питания (4) через пятый (12) дополнительный резистор.

4. Приемник оптических излучений по п.1, отличающийся тем, что параллельно резистору обратной связи (5) включен корректирующий конденсатор (13).