Способ измерения светового потока лавинным фотодиодом и устройство для его осуществления Советский патент 1986 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к радиотехпике и может- быть использовано в аппаратсуре для регистрации световых потокон, например, в автоматических микроденситометрах.

Цель изобретения - повышение точности мзмереиия.

Па фиг. 1 представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; па фиг. 2 - , сигналов, поясняющие способ и работу устройства.

Устройство ,со 1:ержит лав1ПП1ый фотодиод 1, источник 2 иостоянпого нап ряжепп смещения, усилитель 3, реги стрпрующий прибор 4, генератор 5 сииусо1вдалия1ого сигнала у нерзьп сумматор 6, фазоинвертор 7, второй- су ii -iaTop 8, nepBbii i 9 и второй 10 ФПЧ, интегратор 11, дифференциальный усилитель 12, схему 13 умножения, .схему 14 сравнения, первый 15 и второй 16 конденсаторы, коммутатор 17, одиоцибратор 18. элемент 19 задержки

и схему 20 запоминания уровня. I

К входу усилителя 3 подключен

один из выводов лави1пюго фотодио- ,1,а 1. Входы дифференциального усилителя 12 соединены с.выходами ФПЧ 9 и .10, а его вькод соединен с управляющим входом 13 умиохсения, вход KOTopoii соединен с выходо - пер- ког с сумматора 6. один из входов которого подключен к генератору 5 си- пуеорщального напряжения и первому входу схемы 14 сравнения, другой Г ход - к источнику 2 постояпного нап ;1Я}ке}и1я смещения, выход схемы ум}Го- гкенпя подключен к второму выводу ла- miHHoi o фотодиода 1, первому входу второго су№.1атора 8 и входу фазоин- вертора 7, выход которогочерез пер- DMi i конденсатор 15, соединен с входом уси.чителя 3, выход которого подклю- че.и V BTOpobjy входу второго суммато ра 8, вькод которого СОСДРИШН с входом первого ФПЧ 9, с первым входоь иитег ргггора 1 и через второй конденсатор 16 - с входом второго ФПЧ 1 1 входом коммутатора 17, выход которого подкл 01-1ен к общей шине, а уп- )5авляющи1 1 вход - к выходу схемы 14 о.равненш , соединенной вторым входом с общей шиной, и к входу одновибра- тора 18, выход подключен к управляющему входу заполнения уровня 20 и через ijneMeiiT задерлжи 19 - к второму входу иитег ратора 1

-

выход которого через схему 20 запоминания урО Вня соединен с региб.трирую- щим прибором 4.

Па фиг. 2 а ноказано суммарное напряжение сг.ещения и, на электродах лавинного фотодиода (ЛФЛ) и напря- жет1ие Up, пробоя ЛФД (Е - постоянная составляющая напряжения смещетига); б - сигнал и, пропорттиональный току ЛФД (соста1зля1ощая напряжегиш на выходе ус1.чителя 3) и составляющая напрял ения 1Ц рга вьпсоде усшп-ггеля- 3, обусловленная перемен 1ым на пряжением смещения ЛФЛ, проникающим через его собстЕен} 3 ю ег- кость Cq; в - выходной

сигнал и

, 1 ц сравнения ; сигнал Uj. на входе ФНЧ 10.

Способ пзмерения светового излу- ченш ЛФД затслючается в след: ую1дем.

Па фотодиод 1 проецируют исследуемой поток., а. на электроды ЛФ/1 подают постоя5П ое и HopeMeinioe напряжения смещенпя. Для случая, когд.а током утечки ЛФД можно пренебречь (при- работе не с очень малыми световыми потокам) , ток через ЛФД

:ii K- Ф м,

свет ово noTOic излучения; интегральная чувствительность ЛФД;

коэ| х{;1 циент лавинного умножение.

(П

Г де Ф К

5

где Е

и,..

ul

и. и Так

1/

.(l: , .

V г; J , {)

и п

постоянное напряже 1ие смещения ЛФД;

амп;п-1туда переменного напряжения ЛФД;

частота переменного наиря- жен5м смещения;

-текущее значение времени;

-напряжение пробоя ЛФД,;

-параметр ЛФД.

как завис 1мость коэффглг,иента

лавиипого умножения М от суммарного напряжения смещенпя тлеат ярко выраженный е.чииеЙ1Н1П1 характер, тс при температурно1- изьгенении напряжения пробоя (и„) меняется форма токового сигнала ЛФД, обусловленная переменной составляющб Г напряжения c rcп eнlrя U . При этом изменяется отно1иение

Т/2

55

1, (t)clt/

1 (t-.)dt.

(3)

ГД€

период nepe ieinioro напряжения смещен -1Я.

31244505

При отличии этого отношения от этаонного значения, соответствующего

ВХ по ще ФН их зн (3 (н ал сх ма ав дер нал и 5 за коэ По вых одн по вых При инт эле нул в и сть ляю пер емк

некоторой определенной температуре, 1гапример 20 С, одновременно и в рапной степени изме}1яют амплитуду переменного и величину постоянного напряжений смещения до момента равенства отношерп я токов и эталонного значения. Как видно из соотношения (2),

ко лйициент лавинного умножения г

10

15

20

25

30

п

при этом не зависит от изменения напряжения пробоя. В результате этого существенно повышается точность измерения световых потоков ЛФД.

Устройство, реализующее способ работает следуюиитм образом.

На входы первого сумматора 6 поступает с П1усоидальнь й сигнал с вр.кода

ге1 ератора 5 и постоянзюе напряжение Е источника 2. Суммарное напряжентш спещения Uy с выхода схемы 13 ум.чо- женин поступает на ЛФД 1. Емкость - конденсатора 15 выбирается достаточно малой по срав;1ению с собствен- пой емкостью ЛФД, чтобы не увеличить уровень шумов на выходе усилителя 3. Коэффициент передачи фазового инвертора 7 выбирается таким, чтобы ток переменного сигнала с выхода схемы 13 умножения, протекаю Ц1 й через паразитную емкость ЛФД (Са), практически весь ответвлялся в цепь конденсатора 15. Это приводит к существенному ослаблению проникновения переменного напряжения смещения на усилителя 3. Однако полностью подавить его не удается. Для этого сигнала усилитель 3 является дифференцирующим, что приводит к сдвигу фазы на усилителя 3 на (Uj, фиг, 2). Коэффициенты передачи по входам сумматора 8 выбираются такими, чтобы практически полиостью скомпенсировать сигнал с выхода усилителя 3, обусловленный проникно- вением суммарного напряжения смещения через динамическое сопротивление ЛФД 1 .

Во время положительного полупериода переменного сигнала смещения IIj 50 а выходе схемы сравнения 4 появля ется единичный сигнал U,, , при котором оммутатор 17 подключает вход Ф1М 10 общей, шине и конденсатор 16 переаряжается. При этом сигнал с выхода 55 сумматора 8, пропорциональный сигальному току ЛФД (соотношение (1) ), оступает через конденсатор 1б на

35

его 90°

40

10

15

20

5

0

0

5

0

ВХОД ФНЧ 10 только во время другого полупериода переменного сигнала сме- (Uj ) . КоэсМ пциеиты передачи ФНЧ 9 и 10 выбираются такими, чтобы их отношение было равным эталонно гу значению, определяемому соотношением (3) для определенной температуры (например, при ). Дифференци- алыпл усилитель 12, сумматор 6, схема 13 умножения, усилитель 3, сумматор 8, ФНЧ 9 и 10 образуют систему автоматического регулирования, под- дерлсивающую постоя1И1Ым отношение сигналов,- определяемое выражением (3), и 5 страняющую погрешность устройства за счет темиературного изменения коэффиць ента-лавинного умножения ЛФД. По переднеь у фронту сигнала U с выхода схемы 14 сравнения на выходе одновибратора 18 появляется импульс, по которому в схеме 20 запоминается выходное напряжение интегратора 11. При постуилеь ии на управляющий вход интегратора 11 сигнала с вькода элемента 19 задерхски интегратор обнуляется. За счет усреднен11я сигнала в интеграторе 11 практически полностью подавляете переменная состав- ляющая, обусловле гная проникновением переменного через емкость ЛФД на вход усилителя 3.

Изобрете П е позволяет повысить точность измерения световых потоков ЛФД в результате исключения погрешностей, обусловленных температурным изменением его коэг1)фициента уыиоже- ния. Применение этого технического решения в ycTpoiicTBax ввода полутоно- вьгк изображений в ЭВМ позволяет повысить качество обработки последних.

Формула изобретения

1. Способ измерения светового потока лавшгным фотодиодом путем проецирования на лавинньш фотодиод исследуемого потока излучения, подачи на его электроды постоянного напряжения смещения, усреднения и изме- pe) токового сигнала фотодиода., о т л и ч а 10 гд и и с я тем, что, с целью.повышения точности измерения, на электроды фотодиода дополшггельно подают переменное 1апрлжение смещения и определяют отнопгение среднего значения тока фотодиода за период переменного напряжения к среднему значению тока фотодиода за полупериод

5 , 1 пе1 емениого напряжения п.при отлтиин его от эталонного значения одновременно и в равной стене ни изменяют амплитуду переменного и величину постоянного напряжений до момента равенства отношения токов и эталонного значения.

2, Устройство для измерения светового потока, содержащее лавинный фотодиод,- источник иостояннога напря- жения смещения, усилитель, к входу которого подключен один из выходов лавинного фотодиода, и регистрирующий прибор, о т ,л и ч а ю щ е е с я ем, что, о целью повышения точности измерен ш, в него введены смеха умножения, генератор синусоидального напряжения, первый и второй сумматоры, фазоинвертор, первый и: второй конденсаторы, интегратор, схема запоминания уровня, схема сравнения, одновибратор, элемент задержки, коммутатор, первый и второй фильтры низкой частоты (ФИЧ) и дифференциальный усш:итель, входы которого соединены с выходами ФПЧ, а выход подключен к управляющему входу схемы умножения, вход которой соединен с

;

0

5

0

5

5056

выходом первого сумматора-, один из входов которого подключен к генератору синусоид,ального напряженуя и первому входу схемы срапнеипя, другой вход - к источнику постоянного напряжения смещения, выход схемы умножения подключен к второму выводу

лавинного фотодиода, первоьту входу второго сумматора и входу фазоинвертора, выход, которого через первглй комдеисатор соединен с входом усилителя , выход которого подключен к второму входу второго сумматора, выход которого соединен с входом первого ФНЧ, первьтм входом интегратора и через второй конденсатор с входом второго ФИЧ и входом коммутатора, выход которого подключен к общей шине, а управляющий вход - к выходу схемы сравнения, соединенной вторым входом с обще/ шиной, и к входу одно- вибратора, выход которого ггодключен к управляющему входу схемы запоминания уровня и через элемент задержки к второму входу интегратора, выход KOTopoi o через схему запоминагпш уровня соединен с рег 1Стрирующи; 1

ПрибсрОЬ.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в аппаратуре для регистрации световых потоков, например в пвтомя - т1П1еских микроденситометрах. Данное изобретение позволяет повысить точность измерен М световых потоков лавинным фотодиодом за счет исключения погрешностей, обусловленных температурным изменением его коэффициента лави1пюго умножения. Это достигается тем, что в устройство введены схема 13 умножения, генератор 5 синусоидального напряжения, первый 6 и второй 8 сумматоры, фазоинвертор 7, первый 15 и второй 16 конденсаторы, интегратор 11, схема 20 запоминания уровня, схема 14 сравнения, одновиб- ратор 18, элемент 19 задержки, ком- 1 татор 17, первьш 9 и второй 10 фильтры низкой частоты и дифференциальный ус1шитель 12. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. с V) IS о }t го ЙЙ

fplrTf

Составитель А. Чурбаков Редактор Л. Ичелинская Техред В.КадарКорректор В. Бутяга

Заказ 3906/4А

Тираж 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по дела.м пзобретегшй п отв:1:ытпй 113035, Москва, Ж-35, Раушская: наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие., г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Подписное