ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОТОКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к фотометрии и может найти применение при разработке цифровых фотометрических приборов повышенной точности, а также в метрологическом обеспечении фотометров.

Известны измерители потока оптического излучения, содержащие фотодиод и преобразователь тока в напряжение, выполненный в виде операционного усилителя (ОУ) с резистивной цепью отрицательной обратной связи, включенной между его инвертирующим входом и выходом. Один из выводов фотодиода соединен с инвертирующим входом ОУ, а другой с шиной нулевого потенциала, соединенной с неинвертирующим входом ОУ [1]
В такого рода устройствах фотодиод работает практически в режиме короткого замыкания, благодаря чему зависимость выходного сигнала от потока излучения близка к линейной и не очень сильно изменяется при изменении температуры среды, в которой находится фотодиод.

Однако в некоторых случаях, например для метрологического обеспечения фотометров, желательно иметь более "идеальную" линейную зависимость выходного сигнала от потока излучения. Прогресса в этом направлении можно было бы достигнуть, обеспечив режим которого замыкания не фотодиода, а его p - n-перехода.

Между тем в известных устройствах такая возможность отсутствует ввиду падения напряжения в самом материале полупроводника (на сопротивлении, так сказать, базы фотодиода) и на невыпрямляющих контактах полупроводника с металлическими выводами фотодиода, так что, если при протекании тока напряжение между выводами фотодиода равно нулю, а значит, и сопротивление между ними равно нулю, сопротивление p n-перехода в режиме короткого замыкания "всего" фотодиода с неизбежностью оказывается отличным от нуля. Включение последовательно с фотодиодом источника напряжения дает возможность скомпенсировать сопротивление базы лишь при каком-либо одном значении потока излучения и не позволяет удержать p n-переход в режиме короткого замыкания при изменении величины потока.

Другим недостатком рассматриваемых устройств является их чувствительность к помехам, наводимым на инвертирующий вход ОУ, в особенности при дистанционных измерениях. Впрочем, ввиду весьма малого входного сопротивления ОУ, охваченного отрицательной обратной связью, эти наводки практически не влияют на режим работы фотодиода, и в этом одно из достоинств устройства. Но по этой же самой причине ОУ, охваченный отрицательной обратной связью, является идеальным сумматором токов, так что напряжение на выходе ОУ оказывается пропорциональным сумме тока, текущего через фотодиод, и тока, подводимого к инвертирующему входу ОУ от источника помех через импедансы паразитных связей. В свою очередь совокупность отмеченных обстоятельств создает определенные предпосылки для компенсации влияния помех посредством той или иной дифференциальной схемы включения. И, действительно, известен измеритель потока излучения, в котором реализована такая возможность и который является поэтому наиболее близким по технической сущности к заявленному [2]
Рассматриваемое устройство содержит цепочку, образованную последовательно соединенными фотодиодом и резистором, которая включена между входами первого и второго усилителей, охваченных обратной связью посредством двух других усилителей, имеющих по два токовых выхода, а также аналоговое арифметическое устройство, выполненное в виде токоразностного усилителя, причем входы первого и второго усилителей соединены с неинвертирующими выходами усилителей, образующих цепь обратной связи, а их выходы с входами последних, при этом входы токоразностного усилителя соединены с инвертирующими выходами усилителей, образующих цепи обратной связи.

Первый и второй усилители и провода, соединяющие их входы с концами цепочки фотодиод резистор, могут быть расположены вблизи друг от друга, так что наводки от источников помех, поступающие на входы усилителей, оказываются при этом синфазными и примерно равными по величине и на выходе токоразностного усилителя полностью или частично взаимно уничтожаются.

Резистор, включенный последовательно с фотодиодом, введен на всякий аварийный случай, чтобы уберечь фотодиод от возможных перегрузок. Однако в данном устройстве существенно ограничен диапазон режимов, в которых мог бы работать фотодиод. Так, например, при наличии резистора, последовательно соединенного с фотодиодом, режим короткого замыкания фотодиода не достигается в рассматриваемом устройстве вопреки утверждению его автора.

Действительно, предположим, что первый и второй усилители охвачены отрицательной обратной связью. В этом случае входные сопротивления усилителей являются линейными и положительными. Рассмотрим замкнутую цепь, образованную последовательно соединенными фотодиодом, резистором и входными сопротивлениями усилителей. Сумма падений напряжения при любом токе в контуре должна быть равна нулю, т.к. должно выполняться соотношение
u_∂+I(R+R_вх1+R_вх2)=0,
u_∂ напряжение между выводами фотодиода;
R сопротивление резистора, последовательно соединенного с фотодиодом;
R_вх1 и R_вх2 входные сопротивления первого и второго усилителей, охваченных обратной связью;
I ток, текущий через фотодиод.

Из приведенного соотношения и из того факта, что R_вх1>0 и R_вх2>0, следует, что u_∂ ≠ 0, т.е. режим короткого замыкания фотодиода невозможен. По этой же причине невозможен и режим короткого замыкания p - n-перехода фотодиода, ибо сопротивление базы фотодиода также является положительным.

Однако в рассматриваемом устройстве может подразумеваться и положительная обратная связь усилителей, что не запрещено формулой изобретения [2] ибо первый и второй усилители могут быть и неинвертирующими. Тогда входные сопротивления усилителей оказываются линейными и отрицательными и появляется, казалось бы, возможность компенсации падения напряжения на резисторе. Но можно показать, что состояния, в которых фотодиод находился бы в режиме которого замыкания, в рассматриваемом устройстве являются неустойчивыми, а значит, и недостижимыми. Такими же неустойчивыми оказываются и все другие состояния, в которых ток через фотодиод течет в обратном направлении и которые представляют наибольший практический интерес.

Задача изобретения расширение диапазона возможных режимов работы фотодиода.

Для решения поставленной задачи в измеритель потока оптического излучения, содержащий последовательно соединенные фотодиод и резистор, два (инвертирующих) усилителя, охваченных обратной связью, причем вход первого усилителя соединен с выходом резистора, согласно изобретению введены регулируемый источник напряжения, фиксатор нуля и четыре резистора, обратная связь усилителей образована соответственно первым и вторым дополнительными резисторами, при этом вход фотодиода соединен с выходом регулируемого источника напряжения, первые выходы третьего и четвертого дополнительных резисторов соединены между собой и с входом второго усилителя, а их вторые выходы соединены соответственно с выходом регулируемого источника напряжения и выходом первого усилителя, выход второго усилителя соединен с входом фиксатора нуля.

На фиг. 1 изображена схема предложенного измерителя потока оптического излучения, на фиг. 2 семейство вольт-амперных характеристик p n-перехода фотодиода, соответствующих различным значениям потока излучения, а также нагрузочные прямые и прямые равных сопротивлений p n-перехода.

Измеритель потока оптического излучения содержит фотодиод 1 и соединенный последовательно с ним резистор 2, причем фотодиод 1, обведенный на фигуре пунктирной линией, в свою очередь представлен в виде последовательного соединения "идеального" диода 3, вольт-амперная характеристика которого совпадает с характеристикой p n-перехода, и резистора 4, характеризующего сопротивление базы фотодиода. Измеритель содержит также первый инвертирующий усилитель 5, охваченный отрицательной обратной связью через первый введенный резистор 6, включенный между выходом первого усилителя и его входом, к которому подключен также вывод 7 резистора 2, второй усилитель 8 с цепью обратной связи, образованной вторым введенным резистором 9, регулируемый источник напряжения 10, к выходу которого подключен вход 11 фотодиода 1. Кроме того, устройство содержит фиксатор нуля 12, а также третий 13 и четвертый 14 введенные резисторы, первые выходы которых соединены между собой и с входом второго усилителя 8, а их вторые выходы 15 и 16 соединены соответственно с выходом регулируемого источника напряжения 10 и выходом первого усилителя 5, выход 17 второго усилителя 8 соединен с входом фиксатора нуля 12. Второй усилитель 8, а также резисторы 9, 13 и 14 образуют сумматор 18, входами которого являются выходы 15 и 16 резисторов 13 и 14, а выход совпадает с выходом 17 усилителя 8.

Учитывая возможную дистанционность измерений, провода, соединяющие входы усилителей 5 и 8 с другими элементами схемы, обозначены на фигуре 1 в виде сплошных линий, чередующихся с пунктирными, что символизирует протяженность.

Инвертирующие усилители 5 и 8 должны обладать большим коэффициентом усиления. На фиг. 1 они изображены в виде операционных усилителей, неинвертирующие входы которых соединены с шиной нулевого потенциала. Регулируемый источник напряжения 10 может представлять собой, например, интегратор, выходное напряжение которого линейно изменяется со временем, а фиксатор нуля компаратор.

Работает устройство следующим образом.

Под действием светового потока в цепи фотодиода 1 возникает ток, который проходит и через резистор 6, обеспечивающий отрицательную обратную связь усилителя 5. Ввиду очень большого коэффициента передачи усилителя 5 напряжение на его входе почти не отличается от нуля. При этом цепочка фотодиод - резистор, включенная между контактами 11 и 7, находится под напряжением регулируемого источника 10, а на выходе усилителя 5 выделяется напряжение U₅, равное
u₅= -(I+Iп5

)R₆, (1)
где U₅ напряжение на выходе усилителя 5;
I ток, текущий через фотодиод 1;
Iп5 мгновенное значение тока помехи, поступающего через паразитные связи на вход усилителя 5;
R₆ сопротивление резистора 6.

Отметим, что напряжения и токи, фигурирующие в формуле (1), а также во всех последующих соотношениях, соответствуют условно выбранным положительным направлениям, обозначенным на фиг. 1 стрелками. Это же относится и к графической иллюстрации, приведенной на фиг. 2.

Напряжение с выхода источника 10 поступает также на первый вход 15 сумматора 18, а напряжение U₅ с выхода усилителя 5 на второй вход 16 сумматора 18. На выходе 17 сумматора 18 выделяется напряжение, равное

где U₁₇ напряжение на выходе 17 сумматора 18;
Iп8

мгновенное значение тока помехи, поступающего через паразитные связи на вход усилителя 8;
R₁₃, R₁₄ и R₉ сопротивление резисторов 13, 14 и 9;
U₁₀ напряжение на выходе регулируемого источника напряжения 10.

Из (2) и (1) следует, что

Будем считать, что все введенные резисторы имеют одинаковые сопротивления:
R₆=R₉=R₁₃=R₁₄≡R,
тогда

Если провода, соединяющие входы усилителей 5 и 8 с другими элементами схемы, имеют одинаковый диаметр и расположены вблизи друг от друга, то ток, текущий через паразитные связи от источника помехи, распределится между проводами, скорее всего, почти поровну, так что
.

Пренебрегая в выражении (3) величинами Iп8

и Iп5, которые в нем полностью или почти полностью взаимно компенсируют друг друга, получим
U₁₇=-(U₁₀-IR). (4)
Будем считать также, что U₁₀≅0, т.е. изменяется от нуля в сторону отрицательных значений.

Для дальнейшего описания работы устройства удобно рассмотреть динамику изменений сопротивления цепочки фотодиод резистор, определяемого как

где r сопротивление цепочки фотодиод резистор, т.е. двухполюсника, включенного между контактами 7 и 11.

Напомним, что напряжение на этой цепочке практически совпадает с величиной U₁₀.

Используя (5), получим на основании (4) следующее соотношение:

которое справедливо при r≠0.

Очевидно имеет место соотношение
r=R₃+R₄+R₂, (7)
где R₃ сопротивление p n-перехода 3 фотодиода 1;
R₄ сопротивление базы 4 фотодиода;
R₂ сопротивление резистора 2,
причем

где U₃ напряжение на p n-переходе.

Учитывая, что сопротивление R₃ p n-перехода может принимать как положительные, так и отрицательные значения, представим для удобства соотношение (7) в виде совокупности двух следующих соотношений:


где модуль величины R₃.

Удобно также воспользоваться графической иллюстрацией семейства вольт-амперных характеристик p n-перехода 3 фотодиода 1, которые, как известно, имеют вид

где I_o ток насыщения;
I_ф фототок, т.е. составляющая тока фотодиода, обусловленная воздействием потока излучения;
q заряд электрона;
K постоянная Больцмана;
T температура фотодиода.

Величина I_o>0 и зависит от температуры, а величина I_ф≥0 и определяется соотношением
I_ф=mΦ, (12)
где Φ поток оптического излучения;
m коэффициент пропорциональности, практически не зависящий от величины F.

Выберем на графике, изображенном на фиг. 2, какую-либо кривую, например ту, которая соответствует потоку излучения F, равному F₃. По формуле (12) ей будет соответствовать фототок
I_ф=mΦ₃
В исходном состоянии U₁₀=0 и, как следует из формулы (4), напряжение U₁₇ на выходе сумматора отлично от нуля и равно IR. Нагрузочная прямая ON₀, соответствующая сопротивлению, равному (R₂+R₄), пересекает указанную кривую в т. N₀. При этом r=0, так как U₁₀=0, а I≠0, поэтому нагрузочная прямая ON₀ совпадает с прямой, характеризующей сопротивление p n-перехода. Очевидно, что это сопротивление отрицательно и равно по модулю величине R₂+R₄ в соответствии с соотношением (9).

В процессе роста величины нагрузочная прямая, перемещаясь влево и оставаясь параллельной самой себе, займет, например, положение O₁N₁ и пересечет кривую Φ₃ в т. N₁. Сопротивлению же p - n-перехода будет уже соответствовать прямая ON₁. Сопротивление это все еще остается отрицательным, но его модуль принимает значение меньшее, чем (R₂+R₄) и чем больше величина , тем меньшее значение по модулю имеет сопротивление R₃ p n-перехода, пока рабочая точка его вольт-амперной характеристики остается в так называемом генераторном режиме, т.е. пока сопротивление R₃ отрицательно. Когда нагрузочная прямая займет положение O₂N₂ и пересечет кривую Φ₃ в точке N₂, лежащей также и на оси токов, сопротивление p n-перехода обращается в ноль, а величина r принимает значение, равное (R₂+R₄). Итак, в генераторном режиме с ростом величина уменьшается от значения (R₂+R₄) до нуля, а величина r, наоборот, возрастает от нуля до значения (R₂+R₄) за счет уменьшения , что видно из соотношения (9).

При дальнейшем увеличении рабочая точка вольт-амперной характеристики переходит в область так называемого фотодиодного режима и занимает последовательно положения N₃, N₄ и т.д. а сопротивлениям p - n-перехода соответствуют прямые ON₃,ON₄ и т.д. Эти сопротивления уже являются положительными и, очевидно, растут по мере продвижения рабочей точки влево, т.е. по мере роста величины . При этом согласно соотношению (10) сопротивление цепочки фотодиод резистор продолжает все увеличиваться, но уже за счет увеличения .

Таким образом, при увеличении выходного напряжения регулируемого источника напряжения 10 сопротивление r цепочки фотодиод резистор, начиная с нуля, все время увеличивается и не стремится при этом к какому-либо пределу. Но в один прекрасный момент сопротивление r примет значение, равное R. В этом (и только в этом) случае, как следует из формулы (6), напряжение U₁₇ на выходе сумматора 18 обращается в ноль и срабатывает фиксатор нуля 12, например компаратор. Из формулы (4) следует, что значение величины U₁₀, которое она принимает в момент срабатывания фиксатора нуля, пропорционально току I, текущему через фотодиод:
uф10

=RI (13)
где uф10 значение напряжения регулируемого источника 10, при котором напряжение на выходе сумматора 18 обращается в ноль.

Сопротивление r в момент срабатывания фиксатора нуля принимает строго определенное значение, равное R при любом потоке излучения. Это значит, что и сопротивление p n-перехода в этот момент также не зависит от величины потока излучения и определяется только параметрами схемы устройства. Действительно, так как r=R, то на основании (7)
R₂+R₄+R₃=R, (14)
следовательно
R₃=R-(R₂+R₄).

При этом рабочая точка при различных величинах потока излучения переходит с одной кривой на другую вдоль прямой равных сопротивлений.

Это означает также, что подбором величины R или R₂ можно сообщить фотодиоду 1 тот или иной режим работы. Например, при R=R₂ из соотношения (14) следует, что в момент срабатывания фиксатора нуля R₃+R₄=0, и фотодиод 1 оказывается, очевидно, в режиме короткого замыкания. Рабочая точка p n-перехода при этом перемещается с изменением потока излучения вдоль, например, прямой ON₁, которая соответствует сопротивлению R₃ p n-перехода, равному (-R₄). Если же выполняется, например, соотношение R=R₂+R₄, то R₃=0, что соответствует режиму короткого замыкания самого p n-перехода, а рабочая точка перемещается вдоль прямой ON₂, совпадающей с осью токов.

Наконец, при R>(R₂+R₄) R₃>0 и фотодиод работает в так называемом фотодиодном режиме, а рабочая точка перемещается, например, вдоль прямой ON₃. Как уже было отмечено ранее, режим короткого замыкания p n-перехода является недостижимым для устройств [1] и [2] как и любой другой режим, при котором сопротивление R₃ p n-перехода превышает значение (-R₄) и не зависит при этом от потока излучения. Между тем в режиме короткого замыкания p n-перехода достигается практически идеальная линейная зависимость между потоком излучения и током фотодиода. Действительно, при U₃=0 формула (11) с учетом (12) принимает вид
I= -mΦ.

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает расширение диапазона возможных режимов работы фотодиода по сравнению с известными устройствами [1] и [2] При этом оно превосходит устройство [1] и в эффективности подавления помех и, по крайней мере, не уступает в этом отношении устройству [2]
Процесс измерения может быть автоматизирован известными приемами. Например, если напряжение источника 10 линейно изменяется со временем, то величина uф10

оказывается пропорциональной промежутку времени между началом своего изменения и моментом срабатывания компаратора 12. С помощью генератора импульсов и счетчика импульсов указанный промежуток времени может быть измерен, а результат представлен в цифровой форме.

Изобретение относится к фотометрии и обеспечивает расширение диапазона возможных режимов работы фотодиода. Оно найдет применение при разработке цифровых фотометрических приборов повышенной точности, а также в метрологическом обеспечении фотометров. Устройство содержит последовательно соединенные фотодиод 1 и резистор 2, два инвертирующих усилителя 5 и 8, охваченных обратной связью, причем вход первого усилителя соединен с выходом резистора 2, а также регулируемый источник напряжения 10, фиксатор нуля 12 и четыре дополнительных резистора 6, 9, 13, 14, обратная связь усилителей образована соответственно первым и вторым дополнительными резисторами 6 и 9, включенными между входом и выходом усилителей, при этом другой вывод цепочки фотодиод - резистор соединен с выходом регулируемого источника напряжения, первые выходы третьего и четвертого дополнительных резисторов соединены между собой и с входом второго усилителя, а их вторые выходы соединены соответственно с выходом регистрируемого источника напряжения и выходом первого усилителя, выход второго усилителя соединен с входом фиксатора нуля. 2 ил.

1 Измеритель потока оптического излучения, содержащий последовательно соединенные фотодиод и резистор, два инвертирующих усилителя, охваченных обратной связью, причем вход первого усилителя соединен с выходом резистора, отличающийся тем, что в него введены регулируемый источник напряжения, фиксатор нуля и четыре резистора, обратная связь усилителей образована соответственно первым и вторым дополнительными резисторами, при этом вход фотодиода соединен с выходом регулируемого источника напряжения, первые выходы третьего и четвертого дополнительных резисторов соединены между собой и с входом второго усилителя, а их вторые выходы соединены соответственно с выходом регулируемого источника напряжения и выходом первого усилителя, выход второго усилителя соединен с входом фиксатора нуля.