Оптоэлектронный усилитель Советский патент 1984 года по МПК H03F17/00 

Изобретение относится к аналоговой оптоэлектронной технике и может быть использовано в линейных системах передачи информации, бесконтакт ных датчиках процессов и объектов, развязывающих усилителях, оптоэлектронных трансформаторах. Известен- оптоэлектронный усилитель, содержащий фотодиод, выводы которого соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилителя Cl Недостатком устройства является существенная асимметрия схемы, что является причиной нелинейности пере даточной характеристики, Наиболее близким к предлакаемому устройству по технической сущности является оптоэлектронный усилитель, содержащий фотодиод, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с коллектором первого основного транзистора, а неинвертирующий вход - с коллектором второго основного транзистора п-р -п структуры, причем между коллекторами первого и второго основных транзисторов включен делитель напряжения 2 Недостатком известного оптоэлек- тронного усилителя является недоста точно высокая линейность передаточной характеристики.. Цель изобретения - повышение линейности передаточной характеристики и быстродействия. Поставленная цель достигается тем, что в оптоэлектронный усилител содержащий фотодиод, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с коллектором первого основного транзистора, а неинвертирующий вход - с коллектором второго основного транзистора п-р-п-структуры, причем мелоду коллекторами пер вого и второго основных транзисторо включен делитель напряжения, введен первый и второй дополнительные тран зисторы разной структуры в диодном включении,неинв ертирующий усилитель тока и резистор обратной связи, а первый основной транзистор выполнен р -.п -р-структуры, причем основной и дополнительные транзисторы одной структуры включены по схеме отражателя тока,, коллектор каждого дополнительного транзистора соединен с соответствующим выводом фотодиода, неинвертирующий усилитель тока включен между отводом делителя напряжения и базой первого основного транзистора р- п -р -структуры, а резистор обратной связи - между выходом операционного усилителя и базой второго основного транзистора п -р -п -структуры. На чертеже представлена принципи альная электрическая схема оптоэлек тронного усилителя. Оптоэлектровный усилитель содержит фотодиод 1, операционный усилитель 2, первый основной транзистор 3 р-- п - р -структуры, второй основной транзистор 4 (1 -р - п -структуры, первый дополнительный транзистор 5 р -, р -структуры в диодном включении, второй дополнительный транзистор б п -р -п -структуры в диод: ном включении, делитель 7 напряжения, неинвертирующий усилитель 8 тока, резистор 9 обратной связи. Оптоэлектронный усилитель работает следующим образом. Полагаем, что первый основной транзистор 3 и первый дополнительный транзистор 5 одного канала схемы и второй основной транзистор 4 и второй дополнительный транзистор 6 другого канала схемы обладают идентичными характеристиками, в частности одинаковы вольт-амперные характеристики эмиттерных переходов и идентичны коэффициенты усиления базового тока. Тс1ким образом, токи во входных цепях транзисторов 3-6 изменяются в гораздо меньшей степени (в 30 - 200 раз), чем фототок Эф фотодиода 1. Это приводит к тому, что резко расширяется динамический диапазон устройства по входному (оптическому) каналу, т.е. можно создавать, сигналы фототока J большой амплитуды, не нарушая линейности устройства. Весьма небольшим оказывается также изменение базовых потенциалов транзисторов 3 - 6, а следовательно, очень мало изменяется разность потенциалов на фотодиоде при его освещении, что практически исключает переходные процессы в цепи фотодиода., связанные с переразрядкой его барьерной емкости, Пегрвый основной транзистор 3, первый дополнительный транзистор 5, второй основной транзистор 4 и второй дополнительный транзистор 6 действуют как отражатели фототока. Коллекторные токи первого и второго основных транзисторов J и J | создают Hci резисторах делителя 7 напряжения (равного сопротивления) одинаковые сигнсшы напряжения, действующие в противофазе. Эти сигналы поступают на входы операционного усилителя 2 и эффективно усиливаются„ Хсфактеристики (реальных) транзисторов 3-6 могут заметЕО различаться. Из-за этого коллекторные токи первого и второго основных транзисторов 3 и 4 при колебаниях фототока изменяются неодинаково, что приводит к искажениям сигналов на входах операционного усилителя 2. Подобное различие коллекторньох токов С1,,л и Л. . можно в значительной | - к ч степени устранить введением отрицательной обратной связи по току с помощью неинвертирующего усилителя 8 тока. Если Э,;з 7 «4./ то разность

- J

ответвляется в низкоомную

КЗ

входную цепь неинвертирующего усилителя 8 тока, существенно усиливается и подается в виде сигнала тока встречно базовым токам первого основного транзистора Ogj и первого дополнительного транзистора Э, уменьшая их величину, а следовательно, и начальную разность токов Дкз 3., связанную с различием характеристик транзисторов 3-6. Если К4 ° изменяет направление и noBbDjjaeT уровень тока 3 g, а вместе с ним и уровень тока J.

Операционный усилитель 2 из-за нелинейности его передаточной характеристики может искажать форму входных сигналов. Для уменьшения нелинейных искажений сигналов, а также для повышения быстродействия устройства введен резистор 9 обратной связи, включенный между выходом операционного усилителя 2 и входной цепью второго основного транзистора, что позволяет не только уменьшать нелинейные искажения в цепи с операционным усилителем, но также эффективно

подавлять искажения сигналов, связанные с нелинейностью характеристик транзисторов 3 - б.

Таким образом, введение отражателей тока неинвертирующего усилителя 8 тока, а также рациональное вклю|чение резистора 9 - элемента общей отрицательной обратной связи, позволяет существенно повысить линей- ность передаточной характеристики Q и быстродействие устройства.

Эксперименташьные исследованияпоказывают, что предлагаемое устройство способно без заметных нелинейных искажений передавать информацию со скоростью 40 - 80 Мбит/с.

5

Прёдлагаемое устройство может весьма эффективно заменить импульсный трансформатор в узлах и системах вычислительной и измерительной техники, автоматики, связи, промышлен0ной, медицинской и ядерной электроники. Замена трансформаторов, оптоэлектронныш устройствами позволяет освободить производство от серии нетехнологичных операций и, таким 5 образом, повысить производительность труда. Отказ от металлоемких трансФорматоров обеспечит значите- Ъ|Ную экономию металла (меди и- стали).

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий фотодиод, операционный усилитель, инвертирукмций вход которого соединен с коллектором первого основного транзистора, а неинвертирукхций вход - с коллектором второго основного транзистора п-р-п структуры, причем между коллекторами первого и второго основных транзисторов включен делитель напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения линейности передаточной характеристики и быстродействия, в него введены первый и второй дополнительные транзисторы разной структуры в диодном включении, неинвертирующий усилитель тока и резистор обратной связи, а первый основной транзистор выполнен р - |л - р - структуры, причем основной и дополнительные транзисторы одной структуры включены по схеме отражателя тока, коллектор каждого дополнительного транзистора соединен с соответствующим, выводом фотодиода, неинвертиi рующий усилитель тока включен между отводом делителя напряжения и базой СЛ первого основного транзистора р-п -р структуры, а резистор обратной связи - между выходом операционного усилителя и базой второго основного транзистора п-р -п структуры.