ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2024 года по МПК G01J1/44 H01L31/02 

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и может быть использовано в фотоприемной части систем наведения, систем дальнометрии, передачи информации в различных приемниках импульсных сигналов лазерного излучения инфракрасного диапазона, и т.п., где необходима защита от фоновых засветок и электромагнитных наводок.

У всех систем подобного типа есть фотоприемная часть, которая, в основном, и определяет свойства, а иногда и стоимость изделия. В качестве фотоприемника используются фотоумножители, p-i-n-диоды, лавинные диоды и прочие дискретные фотоэлементы.

Все эти устройства имеют ряд общих недостатков: в основном большое напряжение питания, а также структуры этих элементов высокоомны, и внешние вывода являются активными контурами, это приводит к низкой помехозащищенности в условиях сильных электромагнитных полей, что требует дополнительной экранировки и, как следствие, увеличения массогабаритных характеристик. И, наконец, каждый фотоприемник имеет свою «обвязку» из дополнительных элементов, например, лавинный фотодиод - систему поддержания постоянной температуры (холодильник Пельтье), систему жестко стабилизированного напряжения, у p-i-n-фотодиодов большое напряжение смещения и т.п. Зачастую фотоприемники имеют фоточувствительную площадку в виде четырехугольника и если по условиям применения изделие, в котором используется фотоприемное устройство, вращается вокруг своей оси, то при этом возникают помехи, которые могут приводить к ошибкам регистрируемой информации (см. Оптические системы связи, автор Дж. Гауэр, Москва, изд-во «Радио и связь», 1989, с. 340 - 345, с. 422 -424).

Наиболее близким аналогом-прототипом является фотоприемное устройство, описанное в патенте №RU2083958, от 25.04.1995, МПК: GO1J 1/44. Описанное в этом патенте фотоприемное устройство содержит фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода и неинвертирующим выходом предварительного усилителя, а второй вывод с входом предварительного усилителя, инвертирующий выход которого соединен с входом усилителя напряжения, причем выход усилителя напряжения соединен с неинвертирующим входом обнаружительного компаратора, инвертирующий вход которого соединен с источником опорного напряжения, дополнительно введены амплитудный детектор, дифференцирующий усилитель, линия задержки, корректирующее звено и измерительный компаратор, причем амплитудный детектор соединен с точкой соединения входа предварительного усилителя и фотодиода, вход дифференцирующего усилителя соединен с точкой соединения инвертирующего выхода предварительного усилителя и входа усилителя напряжения, а выход с входом линии задержки и входом корректирующего звена, причем один выход корректирующего звена соединен с выходом линии задержки и неинвертирующим входом измерительного компаратора, а другой выход с инвертирующим входом измерительного компаратора соединен с инвертирующим выходом обнаружительного компаратора. Описанное в этом патенте фотоприемное устройство собрано на печатной плате, предварительный усилитель, амплитудный детектор, фотодиод с источником питания, усилитель напряжения и линия задержки выполнены в виде двух гибридных микросхем.

Недостатком является то, что устройство выполнено на дискретных элементах, и поэтому имеет низкую помехозащищенность в условиях сильных электромагнитных полей, что требует дополнительной экранировки и, как следствие, увеличения массогабаритных характеристик.

Интегральные фотоприемные устройства (ИФПУ) появились в конце 70-х начале 80-х годов прошлого столетия. Вначале это были простые Дарлингтон фототранзисторы с одним корректирующим резистором. С развитием интегральной микроэлектроники однокристальные фотоприемники также заметно эволюционировали. И первые из них как раз и делались с целью уйти от электромагнитных наводок, это позволило отказаться от внешнего экранирования и существенному, иногда на несколько порядков, снижению массогабаритных характеристик.

В последующем были проведены расчеты шумовых и сигнальных характеристик устройства, учитывая технологические параметры изготовления, поэтому были проведены корректировки конструкции внутренних элементов на новых изделиях. Получилось, что в полосе частот 10 МГц пороговая мощность не превышает несколько десятков нановатт и это притом, что чувствительность данного интегрального фотоприемного устройства (ИФПУ) превышала 2⋅10⁶ В/Вт. Сделать что-то подобное на дискретных элементах без сложного экрана просто невозможно.

Для создания интегральных ФПУ работающих с входными импульсами длительностью от 50 до 500 не при напряжениях питания от 9 до 15 В обычно используется технология и конструктивные решения для создания активных элементов (транзисторов) с единичным усилением в диапазоне частот от 150 до 200 МГц. При таком диапазоне схема стабильно работает на частотах до 5 МГц (при правильном топологическом и технологическом проектировании). Для создания фотоприемного устройства, которое должно работать при напряжении питания 5 В и при достаточно сильной фоновой засветке, разработана технология и конструкция активных элементов, у которых единичное усиление должно находиться в частотном диапазоне от 500 до 600 МГц. При пяти вольтовом питании нет возможности отсечь на источнике питания, как постоянную составляющую, так и переменную, вызванную вращением и девиацией изделия применения.

С этой целью в преобразователь фотоприемного устройства введен фильтр низких частот, который отсекает паразитную составляющую в сигнале.

Технический результат изобретения, заключается в повышении надежности фотоприемного устройства, увеличении срока его службы, существенном снижении массо-габаритных характеристик, а самое главное в снижении влияния электромагнитных наводок и повышении защищенности от постоянной и модулированной солнечной засветки на входе системы, особенно при вращении и девиации, а также в обеспечении максимально возможной импульсной вольтовой чувствительности и минимизации отношения сигнал/шум.

Указанный технический результат достигается тем, что в фотоприемном устройстве, содержащем фотоприемный элемент (фотодиод), схему преобразования фототока в напряжение и его усиление, фильтр низких частот, резистор обратной связи и схему усиления с низкоомным выходом, с которого сигнал передается на оконечную систему конвертирования и обработки данных, все фотоприемное устройство выполнено в интегральном исполнении на кристалле в виде квадрата со стороной 2,5 мм, а фоточувствительная площадка фотоприемного элемента (фотодиода) выполнена в виде шестнадцатиугольника по форме, близкой к окружности.

Авторами были спроектированы, изготовлены и испытаны изделия, которые без потери характеристик могут выдерживать солнечную освещенность в десятки тысяч люкс с ее флуктуацией до 3 кГц без светофильтра, что позволяет работать с излучателями разных длин волн, при этом напряжение питания фотоприемного устройства всего 5В. В настоящее время по быстродействию ИФПУ способны работать на уровне 20 не со скважностью 5 и с информацией на уровне 12,5 Мбит/с, с питающими напряжениями от 5 до 15 В, при температурах от минус 60°С до плюс 85°С.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена блок-схема фотоприемного устройства, на фиг.2 представлена электрическая схема фотоприемного устройства.

Блок-схема фотоприемного устройства состоит из

- ФД - фотоприемного элемента (фотодиода);

- А1 - схемы преобразования фототока в напряжение;

- ФНЧ - фильтра низких частот;

- R_OC - резистора обратной связи;

- А2 - схемы усиления с низкоомным выходом, с которого сигнал передается на вход внешнего устройства;

- C_P - внешнего разделительного конденсатора. Фотоприемное устройство работает следующим образом: оптический

входной сигнал попадает на фотоприемный элемент (фотодиод), и преобразуется в электрический сигнал схемой А1 с фильтром ФНЧ, который усиливается схемой усиления А2, с которой сигнал передается на вход внешнего

Функции преобразователя оптического сигнала в фототок и его усиление выполняют элементы FD и Q1. Повторитель Q1, R1 предназначен для снижения уровня шума и согласования выходного сопротивления фотодиода FD и последующих цепей, устройства (см. фиг.2)

Предусилитель фотоприемника (А1 на блок-схеме 1) выполнен по варианту модифицированной "токовой двойки" для обеспечения наилучшего соотношения сигнал/шум. Первый усилительный каскад Q2, Q3, R2 выполнен в каско дном варианте для исключения влияния емкости Миллера и улучшения частотных характеристик обработки сигнала. Элементы Q4, Q6, R7 служат повторителями. Коэффициент преобразования предусилителя определяется величиной сопротивления отрицательной обратной связи (резистор R4). Следует отметить, что схема должна работать при минимальном напряжении питания от 5 В, что при работе с заданными уровнями фоновой засветки и преобразовательном элементе R4 с сопротивлением свыше 10 кОм приводит к насыщению и отказу работоспособности схемы. Поэтому для компенсации токов фотодиода вызываемых паразитными фоновыми засветками введена цепь R6, C1, Q5, D4, R3 (ФНЧ на блок-схеме), являющаяся фильтром нижних частот 1-го порядка. Элементы R6 и С1 задают уровень частоты, начиная с которой идет компенсация низкочастотной составляющей, ограничение постоянной составляющей определяется величиной сопротивления R3.

Усилитель (А2 на блок-схеме) спроектирован по варианту "расширенная токовая двойка" с инвертирующим усилителем и низкоомным выходом. Такая схема выбрана из соображения минимума элементов и наличия всего двух полюсов усиления, чтобы снизить вероятность самовозбуждения в одном из режимов работы. Расширяющей цепью служат элементы Q9, R12, которые позволяют усилительной цепи Q8, R11 расширить динамический диапазон работы с отрицательными импульсами. Цепь Q10, R15, R16 инвертирует и окончательно усиливает сигнал, который поступает на повторитель Q11, R18, а через него на внешние устройства. Резисторы R13 и R14 служат для сглаживания амплитудочастотной характеристики усилителя и питания цепи Q8, R11. Выводы 5, 6 и 7 могут служить для корректировки амплитудочастотной характеристики и исследовательских целей.

Таким образом, электронная схема позволяет компенсировать низкочастотную составляющую и снизить вероятность возбуждения в одном из режимов работы фотодиода. Достигаемый технический результат заключается в возможности работы фотоприемного устройства при достаточно сильной фоновой засветке, что повышает надежность, а самое главное в снижении влияния электромагнитных наводок и повышении защищенности от постоянной и модулированной солнечной засветки на входе системы, особенно при вращении и девиации, а также в обеспечении максимально возможной импульсной вольтовой чувствительности и минимизации отношения сигнал/шум.

Данное изобретение позволяет заменить множество дискретных компонентов в составе фотоприемного устройства, т.е. вместо дискретных фотодиода, предварительного усилителя, амплитудного детектора, источника питания, применяется одно интегральное фотоприемное устройство, которое защищено от фоновых засветок и электромагнитных наводок и имеет низковольтное напряжение питания.

Заявляемое фотоприемное устройство может быть изготовлено методами серийного производства. Работоспособность заявленного фотоприемного устройства подтверждена экспериментально, конструкция фотоприемного устройства изготовлена и опробована.

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике и касается фотоприемного устройства. Фотоприемное устройство выполнено в виде интегральной микросхемы и содержит фотодиод, соединенный с входом схемы преобразования фототока в напряжение А1 и схему усиления А2. Фоточувствительная площадка фотодиода выполнена в виде шестнадцатиугольника по форме близкой к окружности. Схема преобразования фототока в напряжение А1 выполнена по варианту модифицированной «токовой двойки» и дополнена параллельно соединенными фильтром низких частот и резистором обратной связи. Схема усиления А2 выполнена по типу «расширенная токовая двойка» с инвертирующим усилителем и низкоомным выходом. Выход схемы преобразования фототока в напряжение А1 и один из выходов схемы усиления А2, соединены с внешним разделительным конденсатором, а второй выход ее соединяется с внешним устройством. Технический результат заключается в снижении влияния электромагнитных наводок и повышении защищенности от постоянной и модулированной солнечной засветки на входе системы, повышении импульсной вольтовой чувствительности, улучшении соотношения сигнал/шум, повышении надежности устройства, увеличении срока его службы, снижении массогабаритных характеристик. 2 ил.

Фотоприемное устройство, содержащее фотодиод, соединенный с входом схемы преобразования фототока в напряжение А1, и схему усиления А2, при этом фотоприемное устройство выполнено в виде интегральной микросхемы, отличающееся тем, что фоточувствительная площадка фотодиода выполнена в виде шестнадцатиугольника по форме, близкой к окружности, схема преобразования фототока в напряжение А1 выполнена по варианту модифицированной «токовой двойки» и дополнена параллельно соединенными фильтром низких частот и резистором обратной связи, при этом схема усиления А2 выполнена по типу «расширенная токовая двойка» с инвертирующим усилителем и низкоомным выходом, выход схемы преобразования фототока в напряжение А1 и один из выходов схемы усиления А2 соединены с внешним разделительным конденсатором, а второй выход ее соединяется с внешним устройством, причем вся структура исполнена на кристалле в виде квадрата со стороной не более 2,5 мм.