МИКРОМОЩНЫЙ ФОТОДАТЧИК С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ Российский патент 2015 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для преобразования интенсивности светового потока инфракрасного, видимого и ультрафиолетового оптического диапазонов, а также рентгеновского излучения в частоту импульсов.

Известен фотодатчик с преобразованием интенсивности потока светового излучения в частоту импульсов (Жарников С.Д., Игнатенко О.В., Кугейко М.М., Малевич И.А., Стальмаков И.В. Способ фотометрирования световых потоков и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2014574, МПК G01J 1/44. Опубл. 15.06.1994 г.), содержащий фотодиод, катод которого подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, к выходу которого подключены резисторы и конденсатор цепи обратной связи для обеспечения работы устройства в автогенераторном режиме.

Недостатками такого устройства является малый динамический диапазон входного излучения и низкая чувствительность, которые ограничиваются сопротивлениями применяемых резисторов, увеличение которых приводит к повышению чувствительности и к сужению диапазона преобразования оптического сигнала в частоту импульсов напряжения, а уменьшение сопротивлений ухудшает чувствительность фотодатчика. Еще одним недостатком данного устройства является большое энергопотребление от источников питания, которое затрачивается на заряд и разряд конденсатора в цепи обратной связи усилителя, а также для питания дифференциального усилителя, т.к. для увеличения скорости нарастания выходного сигнала и сокращения длительности фронтов выходных импульсов необходимо повышать его ток питания до единиц миллиампер.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению аналогом (прототипом) является фотодатчик с частотным выходом (Алоец А.М., Решетников В.А. Способ измерения световых потоков и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2207525, МПК G01J 1/44. Опубл. 27.06.2003 г.), содержащий фотодиод, катод которого подключен к входу логического инвертора, выход которого соединен с первым выводом резистора. Кроме того, для формирования частоты колебаний в схеме этого устройства используется времязадающий конденсатор и дополнительные логические инверторы.

Недостатками данного устройства является низкая чувствительность и ограниченный динамический диапазон преобразования оптического излучения, которые ограничиваются сопротивлением резистора. При этом для повышения чувствительности необходимо увеличивать его сопротивление, а для расширения динамического диапазона преобразования, наоборот, уменьшать номинал этого резистора. Кроме того, к недостаткам данного фотодатчика относится сравнительно большая потребляемая мощность, необходимая для перезаряда времязадающего конденсатора и затрачиваемая на переключение нескольких логических инверторов в процессе формирования выходных импульсов.

Задачей изобретения является создание микромощного фотодатчика с частотным выходом, позволяющего получить повышение чувствительности, расширение динамического диапазона преобразования излучения в частоту импульсов и уменьшение потребляемой мощности.

Эта задача решается тем, что в микромощный фотодатчик с частотным выходом, содержащий фотодиод, катод которого подключен к входу логического инвертора, выход которого соединен с первым выводом резистора, согласно изобретению дополнительно введен полевой транзистор, объединенные сток и исток которого подключены к второму выводу резистора, а затвор полевого транзистора подключен к входу логического инвертора, в качестве которого применен инвертирующий триггер Шмитта. При этом анод фотодиода соединен с нулевой цепью, а выход инвертирующего триггера Шмитта является выходом устройства.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, на которых показаны:

фиг. 1 - схема микромощного фотодатчика с частотным выходом;

фиг. 2 - временные диаграммы работы микромощного фотодатчика с частотным выходом.

Микромощный фотодатчик с частотным выходом содержит фотодиод 1, анод которого подключен к нулевой цепи, а катод - к входу триггера Шмитта 2 и к затвору полевого транзистора 3, объединенные исток и сток которого через резистор 4 соединены с выходом триггера Шмитта 2 и выходом устройства (фиг. 1).

Микромощный фотодатчик с частотным выходом работает следующим образом. В начальный момент времени емкость С₁ фотодиода 1 разряжена, поэтому напряжение на входе инвертирующего триггера Шмитта U₁≈0, поэтому его выходное напряжение примерно равно напряжению питания U_ВЫХ≈+U_ПИТ. Этим напряжением открывается полевой транзистор 3, выполняющий функцию диода, и емкость C₁ фотодиода 1 быстро заряжается током, протекающим через резистор 4 и открытый полевой транзистор 3, до напряжения срабатывания U_СРАБ триггера Шмитта 2. При выполнении условия U₁≥U_CPAБ триггер Шмитта 2 переключается в нулевое состояние, и его низким напряжением U_ВЫХ≈0 закрывается полевой транзистор 3.

Если на светочувствительную поверхность фотодиода 1 подается поток Ф исследуемого оптического или рентгеновского излучения, то под его воздействием фотодиод 1 вырабатывает фототок I_Ф>0. Этот фототок разряжает собственную емкость C₁ фотодиода 1 по линейному закону, т.к. фотодиод 1 находится в закрытом состоянии из-за малого напряжения U_ВЫХ≈0, которое подается с выхода триггера Шмитта 2 через резистор 4 и полевой транзистор 3. Внутреннее сопротивление фотодиода 1 в закрытом состоянии составляет несколько гигаом, поэтому не влияет на линейность процесса разряда его емкости C₁. Кроме того, при разряде этой емкости полевой транзистор 3 в диодном включении также закрыт, поэтому его ток затвора, как и входной ток триггера Шмитта 2 на КМОП микросхеме пренебрежимо мал и не оказывает влияния на линейность процесса разряда емкости С₁ фотодиода 1 (фиг. 2).

Разряд внутренней емкости С₁ фотодиода 1 фототоком I_Ф продолжается до тех пор, пока его напряжение U₁ не сравняется с напряжением отпускания U_ОТП триггера Шмитта 2. При выполнении условия U₁≤U_ОТП триггер Шмитта 2 переключается в высокое состояние, и его выходным напряжением U_ВЫХ≈+U_ПИТ открывается полевой транзистор 3, а емкость С₁ фотодиода 1 быстро заряжается до напряжения срабатывания U_СРАБ триггера Шмитта 2 током, протекающим через резистор 4 и полевой транзистор 3. При выполнении условия U₁≥U_СРАБ триггер Шмитта 2 переключается в нулевое состояние, и его выходное напряжение становится низким U_ВЫХ≈0. Этим напряжением снова закрывается полевой транзистор 3, после чего начинается следующий цикл разряда емкости С₁ фототоком I_Ф фотодиода 1, т.е. процесс повторяется аналогичным образом.

Зона гистерезиса триггера Шмитта 2 зависит от его напряжения питания ΔU_Г=U_СРАБ-U_ОТП≈U_ПИТ/3, поэтому частота импульсов на его выходе прямо пропорциональна измеряемому фототоку I_Ф и зависит от зоны гистерезиса триггера Шмитта 2, сопротивления R₄ резистора 4 и сопротивления R₃ открытого канала полевого транзистора 3:

f_ВЫХ≈I_Ф(R₃+R₄)/2ΔU_Гt_РАЗ.

Время разряда t_РАЗ емкости С₁ фотодиода 1 в пределах зоны гистерезиса нелинейно зависит от измеряемого фототока I_Ф и определяется выражением

t_РАЗ=(R₃+R₄)С₁·[ln2+ln(1+I_Фt_РАЗ/С₁ΔU_Г)].

Линейное преобразование фототока I_Ф в частоту импульсов обеспечивается при большом токе разряда I_РАЗ=2ΔU_Г/(R₃+R₄)>>I_Ф емкости C₁, с учетом которого время ее разряда составляет

t_РАЗ≈(R₃+R₄)С₁·ln2≈0,7(R₃+R₄)С₁,

а частота выходных импульсов фотодатчика определяется выражением

f_ВЫХ≈0,7I_Ф/ΔU_ГС₁.

Высокая чувствительность предлагаемого устройства к потоку излучения Ф при одновременном расширении диапазона преобразования обеспечивается за счет разделения цепей заряда и разряда емкости С₁ фотодиода 1 посредством применения в цепи обратной связи полевого транзистора 3, выполняющего функцию высококачественного диода с малым обратным током. Разрешающая способность предлагаемого фотодатчика ограничивается снизу обратным током I_ОБР≈(10…20) нА закрытого фотодиода 1, входным током I_ВХ≤1 нА триггера Шмитта 2 и током затвора I_З≤1 нА полевого транзистора 3. Максимальное значение фототока в этом устройстве ограничивается только сопротивлением R₄ резистора 4 и определяется выражением

I_Ф.МАХ≤(U_ПИТ-U_СРАБ-U₃)/R₄.

Например, при напряжении питания U_ПИТ=5 В и пороге срабатывания U_СРАБ=3 В триггера Шмитта, падении напряжения U₃≈0,5 В на открытом канале полевого транзистора 3 и сопротивлении R₄=1 кОм резистора 4 максимальное значение фототока составляет I_Ф.МАХ≤1,5 мА. При минимальном значении I_Ф.MIN≥30 нА фототока диапазон преобразования превышает четыре порядка: D=I_Ф.МАХ/I_Ф.МIN≈1,5·10^-3/30·10^-9=50000.

Уменьшение потребляемой мощности в предлагаемом устройстве по сравнению с аналогами и прототипом обеспечивается за счет применения одного логического КМОП элемента типа «Триггер Шмита» вместо нескольких логических инверторов, а также за счет использования собственной емкости фотодиода в качестве времязадающего элемента. Это позволило исключить ток перезаряда дополнительного конденсатора, применяемого в известных устройствах для формирования колебаний в генераторах с положительной обратной связью. Вследствие этого ток питания предлагаемого фотодатчика зависит, в основном, от значения измеряемого фототока I_Ф и не превышает единиц микроампер при контроле слабых потоков Ф оптического и рентгеновского излучения.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения (применение полевого транзистора в качестве диода с малым обратным током, использование собственной емкости фотодиода в качестве времязадающего элемента и триггера Шмитта в качестве инвертора), отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».

Отличительные признаки изобретения: применение полевого транзистора в диодном включении для разделения цепей заряда и разряда емкости фотодиода, использование этой емкости в качестве времязадающего звена 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».

Промышленная применимость изобретения обусловлена тем, что оно может быть осуществлено с помощью современной элементной базы, с достижением указанного в изобретении назначения. В частности, для преобразования светового потока в фототек можно использовать фотодиод типа ФД253, для формирования тока разряда - полевой транзистор КП303Е с током стока I_C≤0,1 нА, резистор 4 типа С2-29В с сопротивлением R₄=1 кОм и инвертирующий триггер Шмитта на микросхеме типа К561ТЛ2 или КР1554ТЛ2.

Для оценки энергопотребления предлагаемого фотодатчика проведено его экспериментальное исследование, в результате которого установлено, что при питающем напряжении U_ПИТ=+5 В ток потребления фотодатчика изменяется от минимального значения I_ПИТ.MIN=4 мкА при затемнении светочувствительного окна фотодиода до максимального уровня I_ПИТ.MAX=112 мкА при возрастании фототока до значения I_Ф=100 мкА. Предварительно была измерена собственная емкость закрытого фотодиода типа ФД253, которая составила С₁=985 пФ. В результате установлено, что при изменении фототока в диапазоне I_Ф=(0,02…100) мкА частота выходных импульсов изменяется от начального значения f_{ВЫХ НАЧ}=9 Гц до f_{ВЫХ MAX}=43 кГц, что также подтверждает высокую чувствительность предлагаемого устройства к измеряемому излучению.

Таким образом, при такой совокупности существенных признаков предлагаемый микромощный фотодатчик с частотным выходом позволяет значительно повысить чувствительность к оптическому излучению, расширить диапазон преобразования и уменьшить среднее энергопотребление при минимальных аппаратурных затратах, что позволяет его использовать в устройствах фотоэлектрического контроля различного функционального назначения.

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.

Микромощный фотодатчик с частотным выходом, содержащий фотодиод, катод которого подключен к входу логического инвертора, выход которого соединен с первым выводом резистора, отличающийся тем, что в него дополнительно введен полевой транзистор, объединенные сток и исток которого подключены к второму выводу резистора, а затвор полевого транзистора подключен к входу логического инвертора, в качестве которого применен инвертирующий триггер Шмитта, причем анод фотодиода соединен с нулевой цепью, а выход инвертирующего триггера Шмитта является выходом устройства.