Фотоприемное устройство Советский патент 1989 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к фотоэлектронным приборам для измерения и обнаружения излучения, а именно к фотоприемным устройствам для фотометрических систем, и может быть использовано для построения высокочувствительных фотометрических приборов с широким диапазоном линейного преобразования излучения в электрический ток.

Цель изобретения - расширение динамического диапазона и обеспечение регулировки коэффициента преобразования фотоприемного устройства.

На чертеже представлена принципиальная схема фотоприемного уст- ройства

Устройство содержит дифференциальный усилитель 1, между входами которого включен фотодиод 2, согласованную пару 3 транзисторов, делитель 4 и источник 5 термоэависимого напряжения, термически связанный с согласованной парой 3 транзисторов, базы которых объединены и соединены с выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя 1, коллектор первого транзистора 6 согласованной пары 3 соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя 1, а его эмиттер соединен через делитель 4 с выходом источника 5 термоэависимого напряжения, эмиттер второго транзистора 7 согласованной пары

СО

to to to

О)

3 соединен с общей шиной 8, а его коллектор является выходом устройства о

Источник 5 термозависимого напряжения может быть выполнен, например, в виде согласованной пары 9 транзисторов, операционного усилителя 10, двух резисторов 11 и 12 и резистивно го делителя 13, через который выход операционного усилителя 10, являющийся выходом источника 5 термозависимого напряжения, соединен с эмиттером одного транзистора 14 согласованной пары 9 транзисторов, коллектор которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 10 и с выводом первого резистора 11, а его база соединена с неинвертиру- юсцим входом операционного усилителя 10, с выводом второго резистора 12 и с коллектором второго транзистора 15 согласованной пары 9, эмиттер которого соединен с общей шиной 8 и с ре- зистивным делителем 13, вторые выводы резисторов 11 и 12 соединены с шиной питания, а согласованные пары 3 и 9 транзисторов устройства связаны термически

Источник термозависимого напряжения может быть выполнен также и по другой схеме, например с термодатчиком. Обязательным условием являет- ся термическая связь указанного источника с согласованной парой 3 транзисторов.

Изобретение основано на использовании известной функциональной связи разности падений напряжения на эмит- терных переходах согласованной пары транзисторов U U с коллекторными токами этих транзисторов 1 j, и

- К1

ли |- i

(1)

1

где Lf - температурный потенциал В данной схеме источника термозависимого напряжения коллекторные токи I ,4 и согласованной пары транзисторов 14 и 15 соответственно равны:

Ул.. т

R,.

15

,,s R,

(2)

2

где и J, - напряжение питания; R (, и R(,2. сопротивления резисторов 11 и 12 соответст- (/ венно;

2226

и

10

15

jg, и U,g,j - падения напряжения на

эмиттерных переходах транзисторов 14 и 15 соответственно.

и,р,4 (15 потенциалы коллекторов указанных транзисторов выравниваются за счет воздействия операционного усилителя 10 через ре- зистивный делитель 13 на эмиттер транзистора 14.

В результате подстановки в (1) выражений (2) получают, что на эмиттере транзистора 14 выделяется напряжение

Ч

Т9

Ir,

In -- )

(3)

где Цт, - температурный потенциал пары 9 транзисторов 14 и 15, которое, как видно, от напряжения питания не зависит. Если выбрать коллекторный ток транзистора 14 значительно меньшим, чем ток через резистив- ный делитель 13, то выходное напряжение и5 операционного усилителя 10, т.е. источника 5 термозависимого напряжения ,

5

Ui

Hj5

0

к

где К

О

т R(

In -- ; К (2

(4)

13

- коэффициент деления резистивного делителя 13. Это напряжение через делитель 4 подается на эмиттер транзистора 6 и потенциал Ь фиксируется на уровне

и.

к.и,

где К - коэффициент теля 4. В процессе работы

0

0

5

засветке фотодиода 2 через коллекторный и эмиттерный переходы транзистора 6 течет ток 1ф фотодиода 2. Диф ференциальный усилитель 1 включен в режиме повторителя напряжения, в ре- 5 зультате чего и фотодиод 2, и коллекторный переход транзистора 6 работают при нулевом напряжении смещения, что при использовании дифференциального усилителя с большим вход- ньтм сопротивлением, например типа К 1409УД1, 744Д1А и др., позволяет регистрировать фототоки на уровне

42 /

10 А (соответствует освещенности 10- лк).

Для согласованной пары 3 транзисторов можно записать следующее выражение:

(6)

и.

, I Вы In -- .

1ф

где ц - температурный потенциал

пары 3 транзисторов 6 и 7; выходной ток фотоприемного устройства. Подставляя в (6) выражения (4) и

(5), получают

BbfK

Cf

К,

R,

т

л , К(1

- - Ifj K,jЯч2

. I вы К/т ч

(7)

из которого следует, что при (т.е. при одинаковой температуре согласованных пар 3 и 9 транзисторов, для чего требуется их термическая связь) к

I (BjL) k,

ВЫХ

F

(8)

эффициент усиления от и более.

до

10

Расширение динамического диапазо на по выходному сигналу достигается тем, что в качестве выходного сигнала используется не напряжение, максимальное значение которого ограничено напряжением питания, а ток, ограниченный снизу и сверху только возможностями транзистора. Например, транзисторная пара 129НТ1В позволяет формировать на выходе ток - 10 А, т.е. динамический диапазон расширяется до семи порядков.

Изобретение относится к фотоэлектронным приборам для измерения и обнаружения излучения, а именно к фотоприемным устройствам для фотометрических систем, и может быть использовано для построения высокочувствительных фотометрических приборов с широким диапазоном линейного преобразования излучения в электрический ток. Цель изобретения - расширение динамического диапазона и обеспечение регулировки коэффициента преобразования. Для этого в фотоприемное устройство, содержащее дифференциальный усилитель, между входами которого включен фотодиод, введены согласованная пара транзисторов, делитель и источник термозависимого напряжения, находящийся в термической связи с согласованной парой транзисторов. При этом ток фотодиода, включенного в режиме короткого замыкания, посредством дифференциального усилителя с коэффициентом усиления, регулируемым от 1 до 10⁶, преобразуется в выходной ток, изменяющийся в диапазоне от пяти до семи порядков. 1 ил.

Для обеспечения термической связи пар транзисторов их необходимо выполнять или в одном кристалле, или устанавливать на одной подложке с высокой термопроводимостью.

Таким образом, как видно из выражения (8), в предлагаемом фотоприемном устройстве можно в широких пределах регулировать коэффициент усиления фототока за счет изменения коэффициента деления К делителя 4„ Регулировку коэффициента усиления можно также обеспечить за счет регулирования коэффициента К;,з и сопротивлений резисторов II и 12. Однако в данной схеме источника термозависимого напряжения при изменении К,з, R , и 1 меняются режимы работы элементов, что может влиять на точность устройства в целом. Поэтому регулировку усиления при использовании данного источника 5 удобно проводить, изменяя

Изменение напряжения U, от О до 360 мВ позволяет регулировать коФормула изобретения

Фотоприемное устройство, содер- 1жащее дифференциальный усилитель, между входами которого включен фотодиод, отличающееся тем, что, с целью расширения динамического диапазона и обеспечения регулировки коэффициента преобразования, в него введены согласованная пара транзисторов, делитель и источник термозависимого напряжения, термически

связанный с согласованной парой транзисторов, базы которых соединены с выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя, коллектор первого транзистора соединен с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, его эмиттер соединен через делитель с выходом источника термозависимого напряжения, эмиттер второго транзистора соединен с общей шиной,

а его коллектор является выходом устройства.

Вых