Фотоприемное устройство Советский патент 1985 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к области фотоэлектронных устройств, а именно к логарифмическим фотометрам, и может использоваться в высокочастотных фотометрических системах денситометрии, нефелометрии, -экспонометрии и других аналитических приборах. Известно фотометрическое устройство, содержащее фотодиод, два транзистора, два дифференциальных усилителя и регистратор 1 1, Недостатком данного устройства является ограниченная точность. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является фо топриемное устройство (ФПУ), содержа щее фотодиод, два согласованных тран зистора, два дифференциальных усилителя, источник опорного тока и регистратор, вход которого подключен к выходу первого дифференциального усилителя и к одному выводу резистора, другой вывод Которого соединен с дбщей шиной через терморезистор, причем анод фотодиода подключен к коллектору первого транзистора, а, источник опорного тока - к коллектору второго транзистора L2J. Недостатком известного устройства является ограниченные точность, термостабильность и динамический диапазон . Ограниченные точность и термостабильность обусловлены тем, что второй дифференциальный усилитель, усиливая разность падений напряжений на двух эмиттерных переходах двух согласованных транзисторов ,., вносит погрешность ввиду наличия собственного напряжения смещения IL В результате погрешность преобразования выходного сигнала фотоприемного устройства может достичь 10%. Динамический диапазон ограничен тем, что один из транзисторов включен как диод, в результате удовлетворительная точность логарифмического преобразования обеспечивается в диапазоне 4 декад. Цель изобретения - повьш1ение точности и расширение динамического дн пазона. Поставленная цель достигается тем, что в фотоприемном устройстве, содержащем резистор и терморезистор фотодиод, два согласованных транзис тора, два дифференциальных усилителя, источник опорного тока и регист ратор, вход которого подключен к вы оду первого дифференциального усиителя и к одному выводу резистора, ругой вывод которого соединен с обей шичой через терморезистор, прием анод фотодиода подключен к колектору первого транзистора, а источник опорного тока - к коллектору второго транзистора, катод фотодиода соединен с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя, с базами двух транзисторов и с неинвертирующим входом первого дифференциального усилителя, инвертирующий вход которого соединен с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с точкой соединения резистора и терморезистора, причем анод фотодиода и коллектор первого транзистора соединены с неинвертирующим входом второго дифференциального усилителя, а эмиттер первого транзистора соединен с общей шиной. Кроме того, с целью повышения термостабильности, в устройство введен дополнительный резистор, включенный последовательно с фотодиодом между входами второго дифференциального усилителя. Повьш1ение точности и термостабильности в предлагаемом устройстве обеспечивается за счет введения дополнительного резистора, сопротивление которого соответствует области стабильности люкс-амперной характеристики фотодиода, так как снижается погрешность преобразования, связанная с температурной нестабильностью выходного тока фотодиода. Расширение динамического диапазона достигается за счет того, что логарифмирующие транзисторы работают в одинаковых режимах при одинаковьк коллекторных потенциалах. На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 - типичная вольт-амперная характеристика фотодиода при двух значениях температуры и одинаковой засветке. Устройство содержит фотодиод 1, два согласованных транзистора 2,3, два дифференциальных усилителя А и 5, источник опорного тока 6 и регистратор 7, вход которого подключен к выходу первого дифференциального усилителя 5 и к одному выводу резистора 8, другой вывод которого соединен с общей щиной через терморезис3тор 9, причем анод фотодиода 1 подключей к коллектору первого траизистора 2, а источник опорного тока 6 к коллектору второго транзистора 3, jDesHCTop 10, один вывод которого соединен с катодом фотодиода 1, а другой с выходом и с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя 4, с базами двух транзисто ров 2 и 3 и с неинвертирующим входом первого дифференциального усилителя 5, инвертирующий вход которого соеди нен с коллектором второго транзистора 3, эмиттер которого соединен с точкой соединения резистора 8 и терморезистора 9, причем анод фотодиода 1 и коллектор первого транзистора 2 соединены с неинвертирующим входом второго дифференциального усилителя 4, а эмиттер первого транзистора 2 соединен с общей шиной. Устройство работает следующим образом. При наличии светового потока фотодиод 1 генерирует ток 1. Если входной ток второго дифференциального усилителя 4 достаточно мал, то весь ток фотодиода 1 течет через кол лекторный переход первого транзистора 2, причем,он открывается настолько, чтобы потенциалы его коллектора и базы были равны, так как второй дифференциальный усилитель 4 включен в режим повторителя напряжения. Фотодиод 1 через дополнительный резистор 10 включен между входами второго дифференциального ус1шителя 4, в результате чего напряжение смещения фотодиода 1 и коллектора первого транзистора 2 близко к нулю, и влияния начальных токов их р-р-переходов на точностные и температурные характеристики устройства сведены к минимуму. Как видно из фиг.2, при включении фотодиода без дополнительного резистора 10 его выходной ток зависел бы от температуры. За счет экспериментального подбора сопротивления резис тора 10 для данного типа фотодиода 1 можно добиться, чтобы в области рабо чего диапазона освещенностей фотодиод 1 будет работать в области термостабильности люкс-амперных характеристик, т.е. в области пересечения двух кривых, представленньк на фиг.2. 914 Гак же, клк и псрпыи .ичист(1р 2, торой траитипчч рабсч-агт и транисторном режиме (и птличио от изестного, н котором (1ДИИ транзистор аботаб:т в ди(1дном режиме, что снижат точностные характеристики устройтва из-за р.чияния базового тока), о ГОК чере: его коллекторный переод задается источником опорного тоа 6. Потенциалы коллектора и базы втоого транзистора 3 выравниваются с омощью первого дифференциального силителя 5, которьЛ через резистор 8 существляет регулирование потенциаа эмиттера второго транзистора 3, Разность падений напряжений на миттерных переходах двух согласоанных транзисторов равна де k - постоянная Больцмана; Т - температура, К , q - элементарный заряд. При этом можно заметить, что это апряжение равно падению напряжения а терморезисторе 9, т.е. д,1 ЦВЫУ R -LT . в т 9 в где выходное напряжение первого дифференциального усилителя 5. Если выбрать , то получим, что .«tl - if-«. Выбирая в качестве терморезистора 9 резистор с положительным температурным коэффициентом tO,33%/°C, можно обеспечить температурную компенсацию и получить строго логарифмическую связь выходного напряжения от светового потока, так как фотодиод обладает линейной люкс-амперной характеристикой в диапазоне до 10-11 декад, т.е. , где S интегральная чувствительность,ф световой поток. Изобретение позволяет повысить точность, термостабильность и расширить динамический диапазон, так как из выходного сигнала первого дифференциального усилителя 5 удалось исключить дрейф его собственного напряжения смещения, которое сказывается

только на величине выходного тока источника опорного тока 6 и то только под знаком логарифма. Влияние это пренебрежимо мало, так как источник опорного тока 6 обладает высоким дифференциальным выходным сопротивлением.

Погрешность преобразования фотодиодом 1 светового потока в ток уменьшается за счет включения дополнительного резистора 10.

Динамический диапазон значительно расширяется (в 10-100 раз), так как два логарифмирующих транзистора 2 и 3 работают в одинаковых режимах при одинаковых коллекторных потенциалах . При изготовлении макета устройства на корпусных элементах серии

159НТ1В и транзисторах 129НТ1В с применением операциоиньгх усилителей 744УД1А температурная погрешность 5 устройства составила 0,05%/С.

При использовании фотодиода ФД7К и сопротивлении дополнительного резистора ь ЗОООм погрешность преобра10 зования по сравнению с известным

устройством снижается в три раза. Пр специально подобранном фотодиоде и соответствующем сопротивлении дополнительного резистора удается уменьшить погрешность примерно на порядок Предлагаемое устройство обеспечивает логарифмирование в диапазоне до восьми декад, что на два порядка вьшге динамического диапазона известных фотоприемных устройств.

1. ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО, содержащее резистор и термореэистор, фотодиод, два согласованных транзистора, два дифференциальных усилителя, источник опорного тока и регистратор, вход которого подключен к выходу первого дифференциального уси- , лителя и к одному выводу резистора, другой вывод которого соединен с общей шиной через терморезистор, причем анод фотодиода подключен к коллектору первого транзистора, а источник опорного тока - к коллектору второго транзистора, отличающееся тем, что, с целью повьшгения точности и расширения динамического диапазона, катод фотодиода соединен с инвертирующим входом второго дифференциального усилителя, с базами двух транзисторов и с неинвертирующим входом первого дифференциального усилителя, инвертирующий вход которого соединен с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с точкой соединения резистора и терморезистора, причем анод фотодиода и коллектор первого транзистора соединены с неинвертирующим входом второго дифференциального усилителя, а S эмиттер первого транзистора соединен ko с общей шиной. 2. Устройство по п.1, о т л и с чающееся тем, что, с целью повьшения термостабильности, в него введен дополнительный резистор, включенный последовательно с фотодиодом между входами второго дифференциального усилителя. . Г--1 ка (О