ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2005 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике, в частности к конструированию приемников светового излучения, и 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 является основным узлом приемного тракта оптических систем связи. В числе основных требований, предъявляемых к фотоприемным устройствам, 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 фотоприемного устройства, а также в условиях модуляции входного светового потока, связанного, например, с вращением или нутацией ракеты в полете. Фотоприемное устройство должно обеспечивать работоспособность при приеме импульсных лазерных сигналов в большом динамическом диапазоне лазерных мощностей как обнаруживать лазерные импульсы (весьма) малой мощности, так и сохранять работоспособность при облучении его импульсами до единиц Вт.

Из уровня техники известно фотоприемное устройство (патент РФ №1679212, МПК G 01 J 1/44, 1991 г.), в котором обнаружение лазерных импульсов осуществляется компаратором, который сравнивает 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 известного фотоприемного устройства при такой их реализации является то, что значительно (в 5 - 10 раз) снижается чувствительность фотоприемного устройства к обнаруживаемому лазерному излучению при работе в темновых условиях, то есть при отсутствии внешней засветки, так как пороговое опорное напряжение выбрано не оптимально, оно велико. Другим недостатком фотоприемного устройства является относительно небольшой коэффициент усилия, схема усилителя реализована на одном операционном усилителе.

Известен также фотоэлектрический преобразователь (авторское свидетельство СССР №1589073, МПК G 01 J 1/44, 1988 г.). В указанном преобразователе для повышения сопротивления эквивалентной нагрузки использована следящая положительная обратная связь. Недостатком является сложность схемной реализации источников смешения, выводы которых не имеют связи с землей.

Наиболее близким по технической сущности является фотоэлектронное устройство (авторское свидетельство СССР №1259114, МПК G 01 J 1/44, 1986 г. (прототип)), содержащее транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером, фотоприемник в коллекторной цепи, стабилитрон. При этом стабилитрон соединен одним выводом с коллектором транзистора, а другим выводом - с базой транзистора и через резистор подключен к его эмиттеру. Кроме того, устройство содержит конденсатор, шунтирующий эмиттерный переход транзистора, источник питания и дроссель, включенный между точкой соединения стабилитрона с резистором и точкой соединения базы транзистора с конденсатором.

Однако в прототипе включение транзистора с общим эмиттером не обладает максимально возможным дифференциальным сопротивлением коллекторного перехода, а цепь управления транзистором, включенная параллельно транзистору, уменьшает сопротивление эквивалентной нагрузки, что в конечном итоге уменьшает чувствительность и сужает динамический диапазон.

Технический результат направлен на повышение чувствительности и расширение динамического диапазона фотоприемного устройства.

Технический результат достигается тем, что фотоприемное устройство, содержит конденсатор, первый транзистор, фотодиод и источник питания, причем фотодиод включен в коллекторную цепь первого транзистора, а конденсатор подключен к базе первого транзистора, кроме того, в него введены неинвертирующий усилитель, нелинейный полосовой фильтр, второй транзистор, первый, второй и третий резисторы, разделительный конденсатор, второй вывод которого является одновременно выходом фотоприемного устройства, при этом катод фотодиода соединен с входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом нелинейного полосового фильтра, с базой второго транзистора, со вторым резистором и с разделительным конденсатором, а второй вывод второго резистора соединен с базой первого транзистора, в эмиттерную цепь которого включен первый резистор, соединенный с источником питания, и с эмиттером второго транзистора, а выход нелинейного полосового фильтра через третий резистор соединен с катодом фотодиода и с коллектором второго транзистора.

Отличительными признаками от прототипа является то, что в фотоприемное устройство введены неинвертирующий усилитель, нелинейный полосовой фильтр, второй транзистор, первый, второй и третий резисторы, разделительный конденсатор, второй вывод которого является одновременно выходом фотоприемного устройства, при этом катод фотодиода соединен с входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом нелинейного полосового фильтра, с базой второго транзистора, со вторым резистором и с разделительным конденсатором, а второй вывод второго резистора соединен с базой первого транзистора, в эмиттерную цепь которого включен первый резистор, соединенный с источником питания, и с эмиттером второго транзистора, а выход нелинейного полосового фильтра через третий резистор соединен с катодом фотодиода и с коллектором второго транзистора.

На чертеже представлена принципиальная схема устройства.

Фотоприемное устройство содержит конденсатор С1, первый транзистор VT1, фотодиод 1 и источник питания, причем фотодиод 1 включен в коллекторную цепь первого транзистора VT1, а конденсатор С1 подключен к базе первого транзистора VT1. Кроме того, в фотоприемное устройство введены неинвертирующий усилитель 2, нелинейный полосовой фильтр 3, второй транзистор VT2, первый R1, второй R2 и третий R3 резисторы, разделительный конденсатор С2, второй вывод которого является одновременно выходом фотоприемного устройства.

Катод фотодиода 1 соединен с входом неинвертирующего усилителя 2, выход которого соединен с входом нелинейного полосового фильтра 3, с базой второго транзистора VT2, со вторым резистором R2 и с разделительным конденсатором С2. Второй вывод второго резистора R2 соединен с базой первого транзистора VT1, в эмиттерную цепь которого включен первый резистор R1, соединенный с источником питания, и с эмиттером второго транзистора VT2.

Выход нелинейного полосового фильтра 3 через третий резистор R3 соединен с катодом фотодиода 1 и с коллектором второго транзистора VT2.

Первый транзистор VT1 и первый резистор R1 образуют схему источника тока, применяемую в качестве активной нагрузки (см. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986, с. 102).

В качестве управляемого ограничителя в фотоприемном устройстве использована схема двустороннего ограничителя, в котором один из диодов заменен на транзистор, база которого является управляющим входом. В результате обеспечивается дополнительная стабилизация амплитуды ограниченных импульсов на выходе схемы при приеме импульсных сигналов большой амплитуды (см. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986, с.75, рис.1.85).

В качестве неинвертирующего усилителя 2 использована схема с операционным усилителем (см. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986, с.159, рис.3.7).

В качестве нелинейного полосового фильтра 3 использована схема, содержащая диодный ограничитель и мост Винна, в котором осуществляется перестройка полосы пропускания за счет использования варикапа (см. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986, с.274, рис.4.25).

Использованный в устройстве эффект увеличения сопротивления нагрузки для частот, соответствующих спектру полезного сигнала, описан в (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. Том 1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1986, с.135).

Работает фотоприемное устройство следующим образом.

Выделим первый режим работы.

При воздействии солнечной засветки постоянная составляющая тока фотодиода 1 замыкается на положительный вывод источника питания через первый транзистор VT1 и первый резистор R1, которые образуют схему источника тока.

При изменении солнечной засветки постоянная составляющая тока, создаваемая источником тока, изменяется посредством следящей отрицательной обратной связи, поступающей с выхода неинвертирующего усилителя 2 на базу первого транзистора VT1 через фильтр низких частот, образованный вторым резистором R2 и конденсатором С1.

При отсутствии постоянной засветки, когда ток фотодиода 1 мал (темновой ток), начальный рабочий ток источника тока замыкается через третий резистор R3. В результате независимо от солнечной засветки обеспечиваются активный режим работы первого транзистора VT1 и высокое дифференциальное выходное сопротивление источника тока.

Выделим второй режим работы.

При воздействии на фотодиод 1 импульсных сигналов малой амплитуды возникает напряжение сигнала ΔUc=ΔIcR_ДИФФ, амплитуда которого пропорциональна дифференциальному сопротивлению R_ДИФФ всех цепей, подключенных параллельно к катоду фотодиода

1/R_ДИФФ=1/R_ИТ+1/R_VT2+1/R_УC+1/R_ФД+1/R_ЭКВ,

где R_ИТ - выходное дифференциальное сопротивление источника тока;

R_VT2 - входное сопротивление второго транзистора VT2;

R_УС - входное сопротивление неинвертирующего усилителя 2;

R_ФД - дифференциальное сопротивление фотодиода 1;

R_ЭКВ - эквивалентное сопротивление третьего резистора R3.

С целью повышения чувствительности в предлагаемом фотоприемном устройстве обеспечивается предельное увеличение величины R_ДИФФ: R_ИТ - велико, так как первый транзистор VT1 включен по схеме с общей базой; R_VT2 - также велико, так как при приеме малых сигналов второй транзистор VT2 закрыт; R_УС - может быть высоким за счет использования на входе неинвертирующего усилителя полевого транзистора; R_ЭКВ - увеличивается действием следящей положительной обратной связи, поступающей с выхода неинвертирующего усилителя 2 через нелинейный полосовой фильтр 3 и третий резистор R3 на вход неинвертирующего усилителя 2.

Выделим третий режим работы.

С целью расширения динамического диапазона и сохранения работоспособности при воздействии на фотодиод 1 импульсных сигналов большой амплитуды в предлагаемом фотоприемном устройстве происходит уменьшение эквивалентных сопротивлений R_VT2 и R_ЭКВ.

Под действием управляющих сигналов с выхода неинвертирующего усилителя 2 на базу второго транзистора VT2 второй транзистор VT2 открывается и выполняет функции управляемого ограничителя.

Действие следящей положительной обратной связи при приеме импульсных сигналов большой амплитуды ограничивается, в результате эквивалентное сопротивление третьего резистора R3 уменьшается.

В результате при воздействии импульсных сигналов большой амплитуды работоспособность фотоприемного устройства сохраняется.

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. Технический результат направлен на повышение чувствительности и расширения динамического диапазона фотоприемного устройства. Технический результат достигается тем, что фотоприемное устройство содержит конденсатор, первый транзистор, фотодиод и источник питания, причем фотодиод включен в коллекторную цепь первого транзистора, а конденсатор подключен к базе первого транзистора, кроме того, в него введены неинвертирующий усилитель, нелинейный полосовой фильтр, второй транзистор, первый, второй и третий резисторы, разделительный конденсатор, второй вывод которого является одновременно выходом фотоприемного устройства, при этом катод фотодиода соединен с входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом нелинейного полосового фильтра, с базой второго транзистора, со вторым резистором и с разделительным конденсатором, а второй вывод второго резистора соединен с базой первого транзистора, в эмиттерную цепь которого включен первый резистор, соединенный с источником питания, и с эмиттером второго транзистора, а выход нелинейного полосового фильтра через третий резистор соединен с катодом фотодиода и с коллектором второго транзистора. 1 ил.

Фотоприемное устройство, содержащее конденсатор, первый транзистор, фотодиод и источник питания, причем фотодиод включен в коллекторную цепь первого транзистора, а конденсатор подключен к базе первого транзистора, отличающееся тем, что в него введены неинвертирующий усилитель, нелинейный полосовой фильтр, второй транзистор, первый, второй и третий резисторы, разделительный конденсатор, второй вывод которого является одновременно выходом фотоприемного устройства, при этом катод фотодиода соединен с входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом нелинейного полосового фильтра, с базой второго транзистора, со вторым резистором и с разделительным конденсатором, второй выход второго резистора соединен с базой первого транзистора, в эмиттерную цепь которого включен первый резистор, соединенный с источником питания и с эмиттером второго транзистора, а выход нелинейного полосового фильтра через третий резистор соединен с катодом фотодиода и с коллектором второго транзистора.