Частотно-селективный фотопреобразователь оптического излучения



Частотно-селективный фотопреобразователь оптического излучения

 


Владельцы патента RU 2558282:

Государственное казенное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и касается частотно-селективного фотопреобразователя оптического излучения. Устройство включает в себя фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель, полевой транзистор, затвор которого подключен к обкладке первого конденсатора, источник управляющего напряжения, варикап и индуктивно-емкостной контур. Выход дифференциального усилителя через индуктивно-емкостной контур соединен с затвором полевого транзистора, исток которого через первый резистор подключен ко второй обкладке первого конденсатора и к катоду фотодиода, который через второй резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, который через второй конденсатор подключен к его выходу. Катод варикапа через третий резистор соединен с источником управляющего напряжения и через третий конденсатор подключен к затвору полевого транзистора, сток которого соединен с источником питания, а его исток является выходом устройства. Технический результат заключается в обеспечении высокой селективной чувствительности в узкой полосе частот при наличии большой постоянной освещенности или при наличии шумового излучения. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники, системам связи и может быть использовано для измерения переменного и импульсного оптического излучения в устройствах фотоэлектрического контроля и в приемниках световых сигналов, передаваемых по волоконно-оптическим линиям связи.

Известен фотопреобразователь оптического излучения (патент РФ №2038574 от 27.06.1995, МПК G01J 1/44), содержащий фотодиод, анод которого подключен к нулевой цепи источника питания, и дифференциальный усилитель с резистивно-емкостным звеном отрицательной обратной связи, выход которого является выходом устройства.

Наличие в этом устройстве звена отрицательной обратной связи позволяет при большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя немного уменьшить нелинейность фотопреобразователя при повышенном уровне внешней фоновой засветки и селективно увеличить его чувствительность к переменному излучению в узкой полосе частот, определяемой параметрами обратной связи.

Недостатками данного устройства являются ограничение динамического диапазона внешней засветки и низкая чувствительность к переменному оптическому сигналу при большой постоянной составляющей освещенности, например при наличии яркого искусственного или солнечного освещения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является фотопреобразователь оптического излучения (патент РФ №2193761 от 27.11.2002, МПК G01J 1/44), содержащий фотодиод, источник питания, первый резистор, дифференциальный усилитель и полевой транзистор, затвор которого подключен к одной обкладке первого конденсатора.

Недостатком такого устройства является низкая чувствительность к переменному оптическому сигналу при большой величине фоновой засветки, так как его работоспособность обеспечивается только при максимальном значении постоянного фототока IФП≤UMAX/2ROC, ограниченного максимальным выходным напряжением UMAX дифференциального усилителя, и обратно пропорционального сопротивлению ROC резистора в цепи отрицательной обратной связи. Вследствие этого при большой яркости внешней фоновой засветки фотодиода необходимо уменьшать сопротивление ROC в цепи обратной связи дифференциального усилителя. В то же время для повышения амплитуды его выходного сигнала UВЫХ=IФROC при контроле переменного оптического излучения и соответственного повышения чувствительности устройства требуется увеличивать сопротивление ROC в цепи обратной связи.

Наличие таких ограничений связано со свойствами полевого транзистора, который в данном устройстве применен в качестве регулируемого сопротивления, шунтирующего фотодиод при большом уровне постоянной засветки. При малом падении напряжения на фотодиоде и, соответственно, малом напряжении между стоком и истоком полевого транзистора управляющее напряжение, подаваемое на его затвор, открывает оба полупроводниковых перехода «затвор-сток» и «затвор-исток» полевого транзистора, через которые протекает ток затвора. При этом только половина выходного тока дифференциального усилителя, протекающего через резистор ROC на затвор полевого транзистора, затрачивается на компенсацию постоянного фототока IФП, а вторая половина этого тока через переход «затвор-исток» стекает к нулевой цепи источника питания. В итоге сопротивление ROC в цепи обратной связи дифференциального усилителя ограничивается на уровне десятков килом, что не позволяет обеспечить высокую чувствительность фотодатчика к переменному оптическому излучению.

Например, при значении постоянного фототока IФП=100 мкА и максимальном выходном напряжении дифференциального усилителя UMAX=10 В сопротивление в цепи его обратной связи должно быть ROC=UMAX/2IФП≤50 кОм, и при малом переменном фототоке IФП=1 мкА амплитуда переменного сигнала на выходе дифференциального усилителя составит лишь UВЫХ≤50 мВ.

Аналогичные ограничения по чувствительности и влиянию световой засветки справедливы при использовании известного устройства для фотоэлектрического преобразования световых сигналов в современных системах связи, при функционировании которых по волоконно-оптическим линиям связи кроме информационных сигналов передается поток постоянного излучения для контроля целостности таких каналов связи.

Задачей изобретения является создание частотно-селективного фотопреобразователя оптического излучения, позволяющего обеспечить высокую селективную чувствительности к переменному или импульсному световому сигналу в узкой полосе частот при наличии большой постоянной освещенности или при наличии шумового излучения.

Эта задача решается тем, что в частотно-селективный фотопреобразователь оптического излучения, содержащий фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель первый резистор и полевой транзистор, затвор которого подключен к одной обкладке первого конденсатора, дополнительно введены второй и третий резисторы, второй и третий конденсаторы, источник управляющего напряжения, варикап и параллельный индуктивно-емкостной контур. При этом выход дифференциального усилителя через параллельный индуктивно-емкостной контур соединен с затвором полевого транзистора, исток которого через первый резистор подключен к второй обкладке первого конденсатора и к катоду фотодиода, который через второй резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя. Инвертирующий вход дифференциального усилителя через второй конденсатор подключен к его выходу. Неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с нулевой шиной, к которой подключены анод фотодиода и анод варикапа. Кроме того, катод варикапа через третий резистор соединен с источником управляющего напряжения, а также через третий конденсатор подключен к затвору полевого транзистора, сток которого соединен с источником питания, а исток полевого транзистора соединен с выходом устройства.

Схема предлагаемого частотно-селективного фотопреобразователя оптического излучения приведена на фиг.1.

Частотно-селективный фотопреобразователь оптического излучения содержит фотодиод 1, первый резистор 2, полевой транзистор 3, первый конденсатор 4, второй резистор 5, дифференциальный усилитель 6, второй конденсатор 7, третий резистор 8, варикап 9, третий конденсатор 10, параллельный индуктивно-емкостной контур 11 на основе конденсатора 12 и катушки индуктивности 13, клемму 14 источника питания и клемму 15 источника управляющего напряжения.

Анод фотодиода 1 подключен к нулевой цепи, а его катод через первый резистор 2 соединен с истоком полевого транзистора 3. К затвору полевого транзистора 3 через первый конденсатор 4 подключен катод фотодиода 1, который через второй резистор 5 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 6, неинвертирующий вход которого подключен к нулевой цепи. Второй конденсатор 7 включен между инвертирующим входом и выходом дифференциального усилителя 6, который через параллельный колебательный контур 11 подключен к затвору полевого транзистора 3, сток которого соединен с клеммой 14 источника питания. Анод варикапа 9 подключен к нулевой цепи, а его катод через третий резистор 8 соединен с клеммой 15 источника управляющего напряжения и через третий конденсатор 10 подключен к затвору полевого транзистора 3, исток которого является выходом устройства.

Частотно-селективный фотопреобразователь оптического излучения работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда световой поток Ф=0, фотодиод 1 не вырабатывает фототока (IФП=0). Поэтому постоянное выходное напряжение дифференциального усилителя 6, подаваемое на затвор полевого транзистора 3 по цепи отрицательной обратной связи через катушку индуктивности 13 параллельного индуктивно-емкостного контура 11, уменьшает его ток стока до минимального уровня IC→0.

При наличии внешней фоновой засветки фотодиод 1 формирует постоянный фототок IФП, который приводит к появлению отрицательного напряжения U1<0 на катоде фотодиода 1. Это напряжение интегрируется инвертирующим интегратором на основе дифференциального усилителя 6 с резистором 5 на входе и с конденсатором 7 в цепи обратной связи. В результате интегрирования выходное напряжение дифференциального усилителя 6 нарастает во времени по линейному закону:

U6(t)=U1·t/R5C7.

Повышение этого напряжения приводит к увеличению тока стока полевого транзистора 3, который зависит от его напряжения отсечки UОТС и сопротивления R2 первого резистора 2 и определяется выражением

IСП≈(U6+UОТС)/R2.

Полевой транзистор 3 с первым резистором 5 в цепи истока представляет собой управляемый генератор постоянного тока IСП который регулируется выходным напряжением U6 дифференциального усилителя 6 вплоть до момента равенства тока стока IC полевого транзистора 3 с постоянным фототоком IСП фотодиода 1, т.е. до выполнения условия IСП≈IФП. Медленные изменения величины внешней фоновой засветки приводят к соответствующему регулированию постоянного тока стока IСП полевого транзистора 3, который компенсирует изменения постоянного фототока IФП. Поэтому падение напряжения на фотодиоде 1 пренебрежимо мало (U≈0) даже при внешней засветке, превышающей переменный световой поток в сотни раз.

При появлении переменного или импульсного потока Ф светового излучения фотодиод 1 преобразует его в переменный фототок IФ, а на катоде фотодиода 1 появляется переменное или импульсное напряжение, которое через первый конденсатор 4 поступает на затвор полевого транзистора 3 и на параллельный индуктивно-емкостной контур 11. При частоте переменного или импульсного оптического сигнала fФ, примерно равной резонансной частоте fp индуктивно-емкостного контура 11, его резонансное сопротивление бесконечно велико (R11→∞). Вследствие этого обеспечивается одновременное появление переменного или импульсного напряжения одинаковой амплитуды как на катоде фотодиода 1, так и на затворе полевого транзистора 3, а разность напряжений между ними остается постоянной, поэтому переменный ток через первый резистор 2 не протекает. В итоге на истоке полевого транзистора 3 и на выходе устройства появляется переменное или импульсное напряжение UВЫХ=IФ·R5, пропорциональное переменной составляющей фототока IФ и зависящее только от сопротивления R5 второго резистора 5, а номинал R2 первого резистора 2 не оказывает практического влияния на его амплитуду.

Если частота переменного или импульсного излучения находится за пределами полосы пропускания индуктивно-емкостного контура 11, то его эквивалентное сопротивление становится очень малым (R11→0) и шунтирует второй резистор 5. Поэтому переменное напряжение U1 на фотодиоде 1 значительно уменьшается, так как переменный фототок IФ протекает через первый конденсатор 4 и малое сопротивление R11 индуктивно-емкостного контура 11 на выход дифференциального усилителя 6, который также имеет очень малое выходное сопротивление RВЫХ6→0. В этом случае амплитуда переменного выходного напряжения устройства определяется выражением UВЫХ≈IФ·(R11+UВЫХ6) и пренебрежимо мала при выполнении условия R5>>R11+RВЫХ6. Таким образом, при использовании в предлагаемом устройстве индуктивно-емкостного контура 11 с большой добротностью Q>100 обеспечивается преобразование оптического излучения только в узкой частотной полосе с подавлением постоянного уровня внешней засветки и оптических сигналов, передаваемых на других частотах.

Для регулировки и точной настройки резонансной частоты индуктивно-емкостного контура 11 в схеме устройства применен варикап 9, емкость C9 которого регулируется напряжением UУПР, подаваемым через третий резистор 8 от источника управляющего напряжения 15. В этом случае частота резонанса индуктивно-емкостного контура 11 изменяется обратно пропорционально емкости C9 варикапа, которая уменьшается при увеличении напряжения UУПР на выходе источника управляющего напряжения 15.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает высокую селективную чувствительности к переменному или импульсному световому сигналу в узкой полосе частот при наличии большой постоянной освещенности или при наличии шумового излучения.

Высокая чувствительность устройства к переменному или импульсному излучению резонансной частоты обеспечивается за счет применения первого конденсатора 4 в цепи положительной обратной связи полевого транзистора 3 по переменному току и использования параллельного индуктивно-емкостного контура 11 в цепи отрицательной обратной связи. Применение конденсатора 4 позволяет разделить компенсацию постоянного фототока IФП, обусловленного влиянием внешней фоновой засветки, с усилением переменного излучения в полосе пропускания индуктивно-емкостного контура 11. Влияние внешней фоновой засветки ослабляется в схеме за счет применения интегратора на дифференциальном усилителе 6 с вторым резистором 8 и вторым конденсатором 7 в цепи отрицательной обратной связи по постоянному току. Поэтому влияние постоянного фототока IФП от внешней фоновой засветки на работу фотопреобразователя при большом коэффициенте усиления K6≥105 дифференциального усилителя 6 ослабляется примерно в K≥105 раз.

Повышение чувствительности к переменному оптическому излучению в предлагаемом устройстве обеспечивается за счет работы полевого транзистора 3 в активном режиме с малым током затвора (IЗ≤1 нА), поэтому его входное сопротивление не влияет на амплитуду выходного сигнала на частоте резонанса индуктивно-емкостного контура 11. Кроме того, применение дифференциального усилителя 6 на МОП транзисторах с низким входным током IВХ6<1 нА позволяет использовать в схеме высокоомный второй резистор 5 с сопротивлением R5≥1 МОм. В то же время можно использовать первый резистор 2 в цепи истока полевого транзистора 3 с сопротивлением R5≈(1…10) кОм, чтобы компенсировать влияние внешней засветки в широком диапазоне.

Например, при выборе полевого транзистора 3 с напряжением отсечки UОТС=1,0 В и резисторов 2 и 5 с сопротивлениями R2=10 кОм и R5=1 МОм выходное напряжение фотодатчика составит UВЫХ=1 В при переменном фототоке IФ=1 мкА. В этом случае при напряжении питания UПИТ=5 В и выходном напряжении дифференциального усилителя U6≤3 В можно обеспечить компенсацию постоянного фототока от влияния внешней фоновой засветки, составляющего IФП≈(U6+UОТС)/R2≤400 мкА.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на его соответствие условию патентоспособности «новизна».

Отличительные признаки изобретения - введение дополнительных конденсаторов и резисторов для разделения цепей отрицательной обратной связи по постоянному току и положительной обратной связи по переменному току, а также использование полевого транзистора в качестве управляемого генератора тока с подключением выхода устройства к истоку полевого транзистора и применение параллельного индуктивно-емкостного контура для усиления излучения только в узкой полосе частот, регулируемой с помощью варикапа - в аналогах не встречаются. Результаты поиска известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Кроме того, предлагаемое изобретение имеет широкие функциональные возможности, так как по выходному напряжению дифференциального усилителя можно судить об уровне внешней засветки, а по амплитуде выходного сигнала контролировать качество или целостность волоконно-оптических линий связи.

Промышленная применимость изобретения обусловлена тем, что оно может быть осуществлено с помощью современной элементной базы с достижением указанного в изобретении назначения. Так можно использовать фотодиод ФД24К, микромощный дифференциальный усилитель типа К140УД12, полевой транзистор типа КП303, варикап типа К109В, резисторы типов С2-23 и конденсаторы типа К10-17.

Таким образом, при аналогичных параметрах светового потока предлагаемый частотно-селективный фотопреобразователь оптического излучения в задаваемой полосе частот обеспечивает более чем десятикратный выигрыш по чувствительности с расширением в сотни раз относительного диапазона внешней засветки по сравнению с прототипом, что подтверждает возможность решения поставленной задачи.

Частотно-селективный фотопреобразователь оптического излучения, содержащий фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель, первый резистор и полевой транзистор, затвор которого подключен к одной обкладке первого конденсатора, отличающийся тем, что в него введены второй и третий резисторы, второй и третий конденсаторы, источник управляющего напряжения, варикап и параллельный индуктивно-емкостной контур, через который выход дифференциального усилителя соединен с затвором полевого транзистора, исток которого через первый резистор подключен к второй обкладке первого конденсатора и к катоду фотодиода, который через второй резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, который через второй конденсатор подключен к его выходу, а неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с нулевой шиной, к которой подключены анод фотодиода и анод варикапа, катод которого через третий резистор соединен с источником управляющего напряжения и через третий конденсатор подключен к затвору полевого транзистора, сток которого соединен с источником питания, а его исток является выходом устройства.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для выделения одиночных импульсов на фоне низкочастотного шума. Устройство содержит датчик, первый и второй операционные усилители (ОУ1, ОУ2), первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой резисторы, первый, второй, третий, четвертый и пятый конденсаторы, первый и второй выпрямители, ограничитель, шину смещения.

Изобретение относится к светоизмерительной технике и касается устройства для преобразования яркости цветного излучения в коды. Устройство содержит корпус, микрообъектив, полупрозрачные микрозеркала, усилители импульсов, блок индикации и дисковые фотоприемные устройства.
Изобретение относится к технике фотометрии и предназначено для повышения точности измерения электрических характеристик фотодиода. Способ заключается в том, что исследуемую электрическую характеристику измеряют в выбранной последовательности точек, осуществляя контроль температуры с использованием датчика температуры в процессе измерений.

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и подобных устройств для измерения временных интервалов между оптическими импульсами.

Изобретение относится к технике приема импульсного оптического излучения, преимущественно к приемникам импульсных лазерных дальномеров и подобных устройств для измерения временных интервалов между оптическими импульсами.

Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано в оптико-электронных приборах с фотодиодными преобразователями излучений. .

Пирометр // 2462693
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам бесконтактного измерения температуры поверхности нагретых тел путем регистрации теплового излучения.

Изобретение относится к фотометрии и может быть использовано в оптико-электронных приборах с фотодиодными преобразователями излучений. .

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. .

Изобретение относится к измерительной технике и физике и может быть использовано для контроля одиночных импульсов. .

Использование: для преобразования интенсивности светового потока инфракрасного, видимого и ультрафиолетового оптического диапазонов, а также рентгеновского излучения в частоту импульсов. Сущность изобретения заключается в том, что микромощный фотодатчик с частотным выходом содержит фотодиод, катод которого подключен к входу логического инвертора, выход которого соединен с первым выводом резистора, полевой транзистор, затвор которого подключен к второму выходу резистора, а сток и исток полевого транзистора подключены к входу логического инвертора, в качестве которого применен инвертирующий триггер Шмитта, анод фотодиода соединен с нулевой цепью, а выход триггера Шмитта является выходом устройства. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности, расширения динамического диапазона преобразования излучения в частоту импульсов и уменьшения потребляемой мощности. 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для контроля переменного и импульсного оптического излучения. Фотодатчик переменного оптического излучения содержит фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель и полевой транзистор, затвор которого подключен к одной обкладке первого конденсатора и через первый резистор соединен с выходом дифференциального усилителя, при этом в него введены второй, третий резисторы и второй конденсатор, который включен между выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с нулевой шиной и анодом фотодиода, катод которого подключен ко второй обкладке первого конденсатора, через второй резистор соединен с истоком полевого транзистора и через третий резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, причем сток полевого транзистора подключен к источнику питания, а исток полевого транзистора является выходом устройства. Технический результат - повышение чувствительности фотодатчика к переменному оптическому сигналу в условиях большой постоянной освещенности и изменения уровня внешней засветки в широком диапазоне. 1 ил.

Изобретение относится к области приема оптических сигналов и касается однофотонного приемника для пространственно-временного поиска оптических импульсных сигналов. Приемник включает в себя диссектор с фокусирующе-отклоняющей системой и динодной умножительной системой, блок питания динодов с регулируемым потенциалом, блок управления, блок развертки, импульсный усилитель, импульсный дискриминатор, формирователи импульсов, генераторы тактовых и синхроимпульсов, реле и логические элементы. Кроме того, приемник содержит приемный телескоп с блоком управления и светофильтр. Технический результат заключается в увеличении вероятности правильного обнаружения сигнала, снижении времени поиска и уменьшении временной неопределенности приема импульсных сигналов. 15 ил.

Изобретение относится к способам коррекции собственной температурной зависимости кремниевых фотопреобразователей (ФЭП) и может быть использовано при тепловакуумных испытаниях (ТВИ) космического аппарата (КА) или его составных частей с использованием имитатора солнечного излучения. В предложенном способе коррекции собственной температурной зависимости кремниевых ФЭП нелинейная температурная зависимость конкретного ФЭП определяется непосредственно перед тепловакуумными испытаниями путем измерения показаний температуры и освещенности ФЭП на разных уровнях освещенности, построением и аппроксимацией графиков полученных данных, анализом угловых коэффициентов зависимостей с последующим построением и решением трансцендентного уравнения. Получены следующие результаты: коррекция собственной температурной зависимости кремниевых ФЭП осуществляется аналитическим способом, исключая при этом ввод в вакуумную камеру дополнительных термостабилизирующих устройств. При этом в процессе ТВИ корректируются отклонения в показаниях ФЭП от реально установленной освещенности в пределах ±12%. Технический результат - упрощение способа коррекции собственной температурной зависимости кремниевых ФЭП. 3 ил.

Изобретение относится к области оптических измерений и касается фотоприемного устройства. Фотоприемное устройство содержит последовательно соединенные лавинный фотодиод, усилитель и фильтр, а также компаратор, дискриминатор длительности импульсов, регулируемый источник питания, блок оценки сигналов, источник опорного напряжения, высокочастотный генератор и блок синхронизации. Кроме того, устройство включает в себя последовательно соединенные дополнительный усилитель и детектор. При этом выход детектора соединен с первым входом компаратора, вход дополнительного усилителя соединен с фильтром. В качестве фильтра используется полосовой фильтр с полосой пропускания около середины рабочей полосы частот усилителя. Технический результат заключается в увеличении отношения сигнал/шум при регулировании коэффициента умножения лавинного фотодиода непосредственно по принимаемому оптическому сигналу. 2 ил., 1 табл.
Наверх