ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2004 года по МПК H01L27/14 G01J1/44 

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике, в частности к конструированию приемников светового излучения. Наиболее эффективно может быть использовано при создании атмосферных оптических линий связи, в частности при создании лазерных систем телеориентации движущихся объектов, например управляемых ракет.

Фотоприемное устройство (ФПУ) является основным узлом приемного тракта оптических систем связи. В числе основных требований, предъявляемых к ФПУ, являются требования к высокой чувствительности при обнаружении лазерных импульсных сигналов как в условиях отсутствия световой засветки (темновые условия), так и при прямой солнечной засветке входной апертуры ФПУ, а также в условиях модуляции входного светового потока, связанного, например, с вращением или нутацией ракеты в полете. ФПУ ракет имеют, как правило, большую площадь входного зрачка, например 10 см². Мощность светового потока на площадке фотодиода при облученности от Солнца на поверхности Земли равна 60 мВт/см²·мкм и при коэффициенте пропускании входной оптики ФПУ, равном 0,7, и полосе пропускания входного фильтра ФПУ, равной 100 нм, составит 42 мВт. ФПУ должно также обеспечивать работоспособность при приеме импульсных лазерных сигналов в большом динамическом диапазоне лазерных мощностей (до 10⁸). ФПУ должно обнаруживать лазерные импульсы до 10^-8 Вт в темновых условиях и обеспечивать работоспособность при облучении его лазерными импульсами до единиц Вт.

Известны ФПУ (патенты РФ №1538059, приоритет 29.05.87 и №1388733, приоритет 23.09.85, МПК: G 01 J 1/44), в которых обнаружение лазерных импульсов осуществляется компараторами, которые сравнивают усиленные импульсные сигналы, после преобразования фотодиодом лазерных импульсов в электрические сигналы с фиксированным опорным напряжением. При этом, очевидно, нужно выбирать опорное напряжение с учетом максимальной внешней засветки, так как уровень шумов на выходе усилителя возрастает при увеличении внешней засветки.

Существенным недостатком рассматриваемых ФПУ при такой их реализации является то, что значительно (в 5-10 раз) снижается чувствительность ФПУ к обнаруживаемому лазерному излучению при работе в темновых условиях, то есть при отсутствии внешней засветки, так как пороговое опорное напряжение выбрано неоптимально, оно велико. Другим недостатком ФПУ является относительно небольшой коэффициент усиления, схема усилителя реализована на одном операционном усилителе.

В качестве прототипа выбрано ФПУ (патент РФ №2083958, приоритет 25.04.95, МПК: G 01 J 1/44), часть которого, ответственная за обнаружение лазерных импульсов, содержит фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода, а второй - с входом предварительного усилителя, выход которого соединен с входом усилителя напряжения, выход усилителя напряжения соединен с неинвертирующим входом обнаружительного компаратора, инвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, и амплитудный детектор (амплитудный ограничитель), соединенный с точкой соединения входа предварительного усилителя и фотодиода. ФПУ обладает высокой чувствительностью и значительным динамическим диапазоном принимаемых лазерных импульсов.

Недостатком прототипа является то, что в условиях мощной световой засветки, в частности при прямой солнечной засветке ФПУ, снижается чувствительность к обнаруживаемому лазерному излучению. Это связано с тем, что амплитудный детектор, выполняющий функции ограничения входного сигнала за счет уменьшения сопротивления нагрузки при превышении входных амплитуд свыше 0,5 В, также реагирует на мощную световую засветку, снижая тем самым сопротивление нагрузки для лазерного излучения. Так как уровень шумов на выходе усилителя при интенсивной внешней засветке определяется не сопротивлением нагрузки, а протекающим через нее током, то выбор постоянного порогового напряжения, как и у аналогов, не является оптимальным. ФПУ также не может работать при максимальных уровнях входного лазерного излучения, характерных для лазерных систем телеориентации управляемых ракет, что связано с недостаточным диапазоном ослабления амплитудным детектором (амплитудным ограничителем) входных сигналов. Типичный диапазон выбора коэффициента усиления в ФПУ, используемых в системах телеориентации, составляет (4-8)·10³, поэтому ограничение входного сигнала на уровне долей вольта приводит к перегрузкам усилителя напряжения, появлению переколебаний и, как следствие, к появлению ложных (помеховых) выходных импульсов, нарушающих работу системы управления.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретения, заключается в обеспечении оптимальной чувствительности ФПУ при заданной внешней освещенности и работоспособности ФПУ при мощных лазерных сигналах.

Для достижения указанного технического результата в ФПУ, содержащее фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода, а второй соединен с сопротивлением нагрузки, амплитудным ограничителем и входом предварительного усилителя, усилитель напряжения, выход которого соединен с первым входом обнаружительного компаратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, введены управляемый делитель, резистивный делитель и последовательно соединенные детектор сигнала и интегратор таким образом, что управляемый делитель включен между выходом предварительного усилителя и входом усилителя напряжения, выход которого соединен с входом детектора сигнала, выход интегратора соединен с входом управления управляемого делителя, вход резистивного делителя соединен со вторым выходом фотодиода, а его выход - с первым входом обнаружительного компаратора.

Введение управляемого делителя, резистивного делителя и последовательно соединенных детектора сигнала и интегратора осуществляется таким образом, что управляемый делитель включен между выходом предварительного усилителя и входом усилителя напряжения, выход которого соединен с входом детектора сигнала, выход интегратора соединен с входом управления управляемого делителя, вход резистивного делителя соединен с вторым выходом фотодиода, а его выход - с первым входом обнаружительного компаратора, что позволило обеспечить оптимальную чувствительность ФПУ при заданной внешней освещенности и работоспособность ФПУ при мощных лазерных сигналах.

На чертеже представлена блок-схема заявляемого ФПУ.

ФПУ содержит фотодиод 1, сопротивление нагрузки 2, амплитудный ограничитель 3, предварительный усилитель 4, управляемый делитель 5, усилитель напряжения 6, детектор сигнала 7, интегратор 8, резистивный делитель 9, обнаружительный компаратор 10.

ФПУ работает следующим образом. При попадании на фотодиод 1 лазерного импульса импульс фототока выделяется на сопротивлении нагрузки 2 в виде импульса напряжения отрицательной полярности. Усиленный предварительным усилителем 4 импульсный сигнал проходит управляемый делитель 5, усиливается усилителем напряжения 6 и далее поступает на детектор сигнала 7 и первый (неинвертирующий) вход обнаружительного компаратора 10.

При малых уровнях лазерного излучения и малых уровнях внешней освещенности уровень шума на выходе усилителя напряжения 6 определяется в основном шумами предварительного усилителя 4 и произведением коэффициентов усиления предварительного усилителя 4 и усилителя напряжения 6, а так как уровень импульсного сигнала мал, то на выходе интегратора напряжение мало и коэффициент передачи управляемого делителя равен единице, т.е. он полностью открыт. На второй (инвертирующий) вход обнаружительного компаратора 10 поступает опорное напряжение, величина которого выбирается в интервале шести - девяти уровней дисперсии шумовой дорожки на выходе усилителя напряжения 6 при условии слабой внешней освещенности, что обеспечивает низкую вероятность ложной тревоги при отсутствии полезного сигнала. При превышении лазерным импульсным сигналом опорного напряжения обнаружительный компаратор 10 формирует нормированный по амплитуде выходной сигнал.

При освещении ФПУ световым потоком на сопротивлении нагрузки появляется постоянное напряжение, величина которого пропорциональна падающему световому потоку. Уровень шума на выходе усилителя напряжения 6 при этом возрастает и он в первом приближении пропорционален корню квадратному от величины тока, протекающего через сопротивление нагрузки 2. Так как напряжение, выделяемое на сопротивлении нагрузки, отрицательное и оно через резистивный делитель 9 поступает на первый вход обнаружительного компаратора, то оно увеличивает величину порога компаратора. Коэффициент ослабления резистивного делителя 9 выбирается при максимальном световом потоке таким образом, чтобы при отсутствии входных лазерных импульсов на выходе обнаружительного компаратора 10 отсутствовали ложные импульсы или чтобы, как отмечено выше, суммарное пороговое напряжение составляло шесть - девять уровней дисперсии шумовой дорожки на выходе усилителя напряжения 6 при условии максимальной внешней освещенности.

Следует отметить, что при малых уровнях освещенности, вследствие квадратичной зависимости уровня выходных шумов от входной освещенности, величина порогового напряжения может превышать на 10 - 15% оптимальное значение.

Следует отметить также, что напряжение, выделяемое на сопротивлении нагрузки от входного светового потока, поступает на обнаружительный компаратор без фазовых сдвигов, поэтому предложенное ФПУ работает и в условиях модуляции входного светового потока.

При больших уровнях входных лазерных импульсов на выходе усилителя напряжения 6 формируются большие уровни сигнала и детектор сигнала 7 запоминает величину импульсных сигналов на емкости детектора. Далее напряжение, зафиксированное в детекторе сигнала 7, поступает на интегратор 8, имеющий постоянную времени больше периода повторения входных лазерных импульсов, где выделяется постоянная составляющая, которая в виде медленно изменяющегося постоянного напряжения поступает на управляющий вход управляемого делителя 5, вызывая уменьшение сигнала на входе усилителя напряжения 6, защищая его тем самым от перегрузки и появления паразитных выбросов выходного напряжения. Параметры интегратора и управляемого делителя выбираются таким образом, чтобы обеспечить ослабление выходных сигналов предварительного усилителя 4 до нужной величины при максимально возможных уровнях входных лазерных импульсов. При реализации управляемого делителя на транзисторе реально получить коэффициент ослабления несколько сот. При больших уровнях входных лазерных импульсов, при которых величина электрических импульсов на сопротивлении нагрузки превышает напряжение открывания амплитудного ограничителя, происходит ограничение импульсов на входе предварительного усилителя 4.

В зависимости от подключения сопротивления нагрузки к катоду, как на приведенном чертеже, или аноду фотодиода, напряжение питания фотодиода должно быть либо отрицательным, либо положительным. Отметим, что если напряжение питания фотодиода и опорное напряжение выбраны одинаковой полярности, то для правильной работы ФПУ выход резистивного делителя 9 должен быть соединен с входом обнаружительного компаратора 10, к которому подключен источник опорного напряжения. Источник опорного напряжения в этом случае должен быть подключен через резистор, так как на этом входе обнаружительного компаратора будут суммироваться два напряжения.

Величина опорного напряжения, выбираемого в качестве “темнового” порога, на практике составляет несколько десятков мВ. Величина порогового напряжения при прямой солнечной засветке ФПУ увеличивается в 5-20 раз и достигает сотен мВ, при этом напряжение, выделяемое на сопротивлении нагрузки 2, может достигать 0,8-0,9 величины напряжения питания фотодиода. В изготовленном образце ФПУ при напряжении питания фотодиода, равном 12 В, и прямой солнечной засветке на сопротивлении нагрузки, равном 2 кОм, падало напряжение 8 В. Поэтому коэффициент ослабления резистивного делителя 9 велик и составляет величину 40-100 раз.

В качестве фотодиода 1 может быть использован, например, фотодиод типа ФД - 342А, охранное кольцо (ОК) которого соединено с общей шиной. Предварительный усилитель 4 может быть реализован на основе малошумящего операционного усилителя типа 140УД26, охваченного нелинейной обратной связью, как представлено на чертеже. Такая обратная связь снижает коэффициент усиления при превышении амплитудой выходного сигнала напряжения открывания шунтирующих диодов. В качестве амплитудного ограничителя 3 могут быть использованы два встречно включенных диода, в качестве которых целесообразно использовать быстродействующие диоды Шоттки. Амплитудный ограничитель разделен от сопротивления нагрузки 2 емкостью С1, что устраняет влияние, как у прототипа, внешней засветки на величину сопротивления нагрузки. Управляемый делитель 5 может быть реализован, как представлено на чертеже, резистором R5 и любым р-n-р транзистором. Реализация остальных элементов ФПУ стандартная.

Экспериментальные испытания показали одинаковую чувствительность образцов в “темновых” условиях и лучшую чувствительность предложенного образца при прямой солнечной засветке.

Испытания предложенного образца в условиях модуляции внешней освещенности показали его эффективность, т.к. на выходе ФПУ не наблюдались ложные импульсы от помех. Отсутствовали ложные импульсы и при подаче на вход ФПУ лазерных импульсов мощностью свыше единиц Вт.

Таким образом, дополнительное введение в ФПУ управляемого делителя, детектора сигнала, интегратора и резистивного делителя и соединение их определенным образом позволило обеспечить высокую чувствительность ФПУ как при прямой солнечной засветке, так и в условиях ее модуляции при большом диапазоне изменения уровня входных лазерных импульсов.

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике, в частности к конструированию приемников светового излучения. Технический результат: обеспечение оптимальной чувствительности фотоприемного устройства (ФПУ) при заданной внешней освещенности и обеспечение работоспособности ФПУ при мощных лазерных сигналах. Сущность: ФПУ содержит фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода, а второй соединен с сопротивлением нагрузки, амплитудным ограничителем и входом предварительного усилителя, усилитель напряжения, выход которого соединен с первым входом обнаружительного компаратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения. В ФПУ дополнительно введены управляемый делитель, резистивный делитель и последовательно соединенные детектор сигнала и интегратор. Управляемый делитель включен между выходом предварительного усилителя и входом усилителя напряжения, выход которого соединен с входом детектора сигнала, выход интегратора соединен с входом управления управляемого делителя, вход резистивного делителя соединен со вторым выходом фотодиода, а его выход - с первым входом обнаружительного компаратора. 1 ил.

Фотоприемное устройство, содержащее фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода, а второй соединен с сопротивлением нагрузки, амплитудным ограничителем и входом предварительного усилителя, усилитель напряжения, выход которого соединен с первым входом обнаружительного компаратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, отличающееся тем, что в него введены управляемый делитель, резистивный делитель и последовательно соединенные детектор сигнала и интегратор таким образом, что управляемый делитель включен между выходом предварительного усилителя и входом усилителя напряжения, вход детектора сигнала соединен с выходом усилителя напряжения, выход интегратора соединен с входом управления управляемого делителя, вход резистивного делителя соединен со вторым выходом фотодиода, а его выход - с первым входом обнаружительного компаратора.