Фотоэлектрический усилитель Советский патент 1984 года по МПК H03F17/00 

Изобретение относится к технике преобразования световой энергии в электрическую и предназначено для использования в качестве приемнопередающего устройства систем контр ля, дальномеров, навигационной орие тации, измерителей перемещения и т Предлагаемый фотоэлектрический усилитель может найти применение в измерительной технике, фотометрии, автоматике, амплитудных анализаторах, при работах, связанных с испол зованием воздействия изменяющихся световых потоков. Известен фотоэлектрический усили тель, содержащий фотодиод с нагрузкой, включенные последовательно в о но из плеч моста, который запитан от регулирующего элемента, управляе мого со стороны выхода усилителя постоянного тока Г 1DОднако д-анный фотоэлектрический усилитель обладает недостаточно высокой точностью коэффициента переда Наиболее близким по технической сущности к предложенному является фотоэлектрический усилитель, содерж щий операционный усилитель, между инвертирующим и неинвертирующим входами которого включен первый фотодиод 2 .. Известньй фотоэлектрический усилитель обладает высоким уровнем нелинейных искажений. Целью изобретения является повышение точности путем уменьшения нелинейных искажений. Цель достигается тем, что в фото электрическом усилителе, содержащем операционньй усилитель, между инвертирующим и неинвертирующим входа ми которого включен первый фотодиод к выходу операционного усилителя подключен триггер, выход которого является выходом фотоэлектрического усилителя, и через введенный резист соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, при этом встречно параллельно первому фотодиоду включен второй фотодиод. На фиг. 1 представлена схема фотоэлектрического усилителя на фиг. 2 - эквивалентная схема фотоэлектрического усилителя; на фиг. 3 один из возможных вариантов выполне ния триггера в схеме фотоэлектричес кого усилителя; на фиг. 4 - вольтамперные характеристики (ВАХ) фотодиодов фотоэлектрического усилителя Фотоэле.ктрический усилитель (фиг.1) содержит первый и второй фотодиоды 1 и 2, операционный усилитель 3, триггер 4, резистор 5 отрицательной обратной связи, резистор 6 положительной обратной связи. Эквивалентная схема фотоэлектрического усилител-я (фиг. 2) пред. ставлена в виде двух;плечевого моста, где Е , Е., и Га,,, t 0-2 источники мгновенных фото-ЭДС и динамические сопротивления первого и второго фотодиодов 1 и 2. Источники Uj и UA напряжений являются эквивалентами .выходных напряжений операционного усилителя 3 и триггера 4, которые в контуре фототока оказываются включенными последовательно. Один из возможных вариантов выполнения триггера 4 (фиг. 3) содержит два дифференциальных усилителя постоянного тока (УНТ) 7 и 8. Резисторы 9 и 10 и УПТв образуют цепь положительной обратной связи (ПОС) между выходом и входом УПТ 7, резисторы 11 и 12 образуют цепь отрицательной обратной связи (ООС) УПТ 8. Фотоэлектрический усилитель работает следующим образом. В зависимости от назначения фотоэлектрического усилителя в нем возможно как преобразование одного светового потока, воздействующего на один из фотодиодов, так и двух световых потоков, воздействующих одновременно или поочередно на каждый фотодиод. Рассмотрим работу фотоэлектрического усилителя при воздействии светового потока только на первый фотодиод 1. Динамика преобразования понятна на эквивалентной схеме (фиг. 2). Условно рассмотрим случай, когда второй фотодиод 2 отсутствует (т.е,. отсутствует источник Е„ и сопротивление г) . Пусть в исходный момент все . мгновенные значения напряжений и тока равны нулю. В момент воздействия светового потока ФЭ О на фотодиод 1 на его р-п перехода возбуждае ся фото-ЭДС , которая с помощью операционного усилителя 3 передается на вход триггера 4 и запускает его. На выходе возникает лавино-образнорастущее напряжение 0/. знак которого относительно общей шины противоположен знаку напряжения Uj (фиг. 2). В итоге напряжения Е., и, и и по контуру тока включе ны согласно, в контуре возбуждается лавинообразнорастущий фототок Е. + и, и. где. Rj и ( - сопротивления резисто ров 5 и 6. При этом в диагонали моста возникает разностное напряжение (4)4-.- . (г которое является падением напряжения на полюсах фотодиода и рассматривается как напряжение, смещающее рабочую точку на вольт-амперной характеристике (ВАХ) фотодиода. По мере лавинообразного роста суммарного напряжения ( U + U. ) при Е const , разностное напряжение Иф изменяет не только амплитуду, но и знак. При этом ток контура продолжае расти, не изменяя направления. Синхронно с напряжением Оф изменяет амплитуду и знак управляющее триггером напряжение U . При значении Уф О, начинает интенсивно тормозить . лавинньш процесс триггера 4, стремяс перевести его в противоположное состояние, т.е. в режим с напряжением и противоположного знака. В этот момент рост напряжения Уц. прекращается, одновременно с ним прекращается наращивание фототока 1ф и процесс переходит в динамическое равновесие. Торможению и стабилизации электри ческих процессов в контуре фототока способствует положительное ускорение изменения напряжения Ыф по сравнению с изменением напряжения 0 Положительное ускорение напряжения О является следствием нелинейного сопр тивления Ьо,, и ускорения фототока 1ф „ „ Ч „„„„ последний имеет положительное ускорение при условии, что линия нагрузки имеет угол наклона оС и пере секает криволинейный участок ВАХ в „ А ,г,.,„о районе рабочей точки Л с координа ,той (U л , 4 J ) . С момента, когда напряжение bj меняет свой знак, напряжение на выходе 5TIT 8 (фиг. 3) становится разностью напряжений Uj и U - ,35 . 131 где ft - коэффициент передачи напря жения в цепи ПОС УПТ 7 и 8 Выражение спра ведливо при К t - коэффициенты усиления по на ряжению УПТ 7 и УПТ 8. Уменьшение действия напряжения цепи ПОС УПТ 7, в свою очередь пособствует ускоренному торможению стабилизации динамического равносеия в цепи тока, что приводит к стаилизации конечного значения наряжения U4 . Так как в цепи -передаи сигнала торможения через операионный усилитель 3 существует временая задержка, что для надежной стаилизации динамического равновесия апряжения U данная временная заержд а скомпенсирована равной временой задержкой в цепи ПОС триггера 4 рименением УПТ 8. При новом мгновенном значении ото-ЭДС ED (ФЭ) устанавливается овое значение выходного напряжения в подобном мгновенном предтавлении каждое приращение фото-ЭДС оделирует в заданном масштабе напряение УЛ согласно выражения .l(, )/KJ (4) . .Д1-/5) где К i) 1 - коэффициент передачи напря-жения операционного усилителя 3; - коэффициент передачи в цепь ПОС УПТ 8. При значительном увеличении интенсивности светового потока возрастет разностное напряжение Оф и смещает рабочую точку В на ВАХ первого фотодиода 1, соответствующую световому потоку Фэ в район точки С, выводя ее на пологий участок характеристики. Это приводит к резкому увеличению дифференциального сопротивления Го-, и, как следствие, , к резкому увеличению напряжения f у j . f 3 Последнее, как следует из экспериментов, настолько затормаживает триггер i что выходное напряжение JA падает « /j. , до минимальных значений и сохраняетrt/ mTtj rt TTt tttrv о f trtJTj и г / Vт ЗUCЮP ся в этом состоянии. При этом преобразователь теряет работоспособность. Чтобы ликвидировать это, вводится второй идентичный второй фотодиод 2, включенный встречно-параллельно первому. В этом случае напряжение смещения Уф для второго фотодиода будет приложено в прямом направлении, второй фотодиод 2 отпирается и,тем самым шунтирует своим дифференциальным сопротивлением г сопротивление Q. Происходит снижение пика U. и рабоча точка С первого фотодиода 1 возвращается на криволинейный участок ВАХ в район точки В. Такая совместная работа двух фотодиодов на нелинейных участках ВАХ, один из которых пассивен (т.е. световое воздействие на него отсутст вует) не приводит к нарушению линейн-ости преобразования. При воздействии светового потока Ф2 только на второй фотодиод 2 работ фотоэлектрического усилителя аналогична описанному. При этом при одинаковых параметрах первого и второго фотодиодов 1 и 2 и при ф ВАХ второго фотодиода 2 полностью совместится с ВАХ первого фотодиода 1, при Повороте последнего на 180 , т.е. линия нагрузки Е является продолжением линии нагрузки Е и накл нена под углом ot , пересекая при этом криволинейный участок ВАХ второго фотодиода 2 в точке D с координатами (i ф2 , иф2) При одновременном воздействии дву световых потоков Ф и ф каждый из первого и второго фотодиодов 1 и 2 процесс преобразования сводится к вычитанию фототоков 1ф щ 1ф2(сог ласно фиг. 2)при совместной работе источников напряжения Е, и Е При этом их общая линия нагрузки Е-Е расположится под углом о61 и перемещается влево - впра во в зависимости от значения и знака разности напряжений U и иф2 . Если потоки Ф1 и Ф2 во времени периодичны по интенсивности и имеют, например, относительный фазовый сдвиг , то траектория рабоче точки на линии нагрузки примет форму эллипса, где большая ось совпадает со статической линией нагрузки Е - Е В данном случае характеристика преобразования фотоэлектрического усилителя сохраняет линейность во всем динамическом диапазоне, ее крутизна в У раз выше характеристики преобразования, снятой при работе одного фотодиода, Экспериментально также установлево, что повышение крутизны преобразования фотодиода Лф / йФ является прямым следствием форсирования энергетики фотодиода. Т.е. фотодиод генерирует фототок поя действием световой энергии и сгинхронным действием напряжения смещения Оф , знак приращения которого совпадает со знаками приращения фото-ЭДС и светового потока, где напряжение U есть лишь часть выходного напряжения А , включенного в контуре тока (фиг. 2) согласно с фото-ЭДС. В итоге приращение фототока при таком режиме преобразования превьппает приращения фототока режима короткого замыкания для фотодиода на порядок и более. Таким образом, в предложенном фотоэлектрическом усилителе высокая степень линейного преобразования по всему тракту и в частности, в выходных каскадах объясняется тем, что выходное напряжение (J формируется не путем многократного усиления разностного напряжения Уф , а путем лавинной генерации с потенциальной возможностью опережения во времени изменения фото-ЭДС, где напряжения Оф и U выполняют функцию пуска, торможения и удержания триггера в динамическом равновесии. Мгновенные случайные отклонения 04 по внутренним причинам триггера УПТ, также мгновенно возвращаются в исход- ное состояние. Физической величиной, с которой сравниваются такие отклонения, является фото-ЭДС, ускоряющим действием восстановления динамического равновесия является нелинейность фотодиода. Повыщение крутизны преобразования / ЛФ объяс«яется тем, что фототок является функцией двух воздействий - светового потока и синхронного с ним напряжения смещения Оф. Все это позволяет повысить точность реобразования световой энергии в лектрическую.

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УСШШТЕЛЬ, содержащий операционный усилитель, между инвертирующим входами которого включен первый фотодиод, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности путем уменьшения нелинейных искажений, к выходу операционного усилителя подключен триггер, выход которого является выходом фотоэлектрического усилителя, и через введенный резистор соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, при этом встречно параллельно первому фотодиоду включен второй фотодиод. 4; 05 СУ1