Фотоприемное устройство Советский патент 1991 года по МПК G01J1/44 

-j

LH

Изобретение относится к фотоэлектронным устройствам, а именно к пороговым полупроводниковым фотоприемным устройствам, и предназначено для использования в высокочувствительной и широкодиапазонной аппаратуре для измерения и регистрации световых потоков. Целью изобретения является расширение диапазона регистрируемых потоков излучения при сохранении пороговой чувствительности, а также повышение точности реглетрации потоков, превышающих nniom насыщения. Для этого п mn.cii v j- роиство, содержащее фотолнод, u l.i--- ренциальный усилитель и ociio Mioi i i - зистор, введены дп. транзистор i и л дополнительных ррчнсгора, нк-рпч чы . таким образом, ч го при болы in мгм - ностях излучения лимннй фогток фот - диода протекает не терся основной ,- зистор, а через второй допопнитолъ- ный резистор и эмнттерные n pexo iii введенных транзнс i opois. Пия повышения точности регистрации досгагпч.1 больших мощностей получения и р1рчм- рения функциональних возможности, устройство введены HTOPOII гтиффореч- циальный усилитель, резистор oupii ной связи и дополни и-ти,ныи грлнзш-- тор, согласованный с первым грtr ис- тором и выполненный с ним H.J одном кристалле, причем нычоч второго дифференциального усимигелч явняе гг л вторым дополнительным iыходом усi- ройства. 1 з.п, ф-лы, 2 ил. 0 ш с: г - ъ-

Изобретение относится к фотоэлектронным устройствам, а именно к пороговым полупроводниковым фотоприемным устройствам, а предназначено для использования в высокочувствительной и широкодиапазонной аппаратуре для измерения и регистрации световых потоков.

Целью изобретения явпяется расширение диапазона регистрируемых световых потоков при сохранении пороговой чувствительном , а Ы1 ге повышение точности pt i И -трагип . - ков, превышающих пого п насьысчс i .

На фиг.1 предстаг-ieii.i при1 пи-м- альная схема устройства; -м J . J - передаточные характеристики фогопри- емного устройства по пн%11г рм.

Фотоприемное ус . г по (,) . - держит фотодиод 1, JUHlnK ijeHin a iTiH м усилитель 2 и основной рс - .- включенный между м и i-чч, ,i

316

рующим входом дифференциального усилителя 2, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной 4, приче фотодиод 1 включен между входами дифференциального усилителя 2, два транзистора 5 и 6 и два дополнительных резистора 7 и 8, причем эмиттер первого транзистора 5 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 2, а его база и коллектор соединены с общей точкой двух дополнительных резисторов 7.и 8, первый из которых вторым выводом соединен с общей шиной 4, а второй дополни- тельный резистор 8 вторым выводом, который является дополнительным выходом 9 устройства, соединен с базой и коллектором второго транзистора 6, эмиттер которого соединен с выходом дифференциального усилителя 2. Кроме того, ФПУ может содержат второй дифференциальный усилитель 10 резистор 11 обратной связи и дополнительный транзистор 12, выполненный на одном кристалле с первым транзистором 5 и согласованный с ним, причем базы и коллекторы их объединены, а эмиттер дополнительного транзистора 42 соединен с первым выводом резистора 11 обратной связи и с инвертирующим входом дифференциального усилителя 10, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной 4, а выход соединен с вторым выводом резистора 11 обратной связи и является вторым дополнительным выходом 13 устройства,

Устройство работает следующим образом.

Световой поток ф фотодиодом 1 преобразуется в фототок

1Ф s-9,

где S - интегральная чувствительность фотодиода.

Включение фотодиода 1 между входами дифференциального усилителя 2 позволяет обеспечить фотодиоду режим работы при практически нулевом смещении, когда он обладает максимальной линейностью и высокой пороговой чувствительностью вследствие отсутствия темнового тока. Весь фототок протекает через основной резистор 3, в результате чего на основном выходе устройства формируется напряжение U

Ььч

U

6WY

VR5

; Q 5

0

5

0

5

0

5

где k -, - сопротивление резистора 3.

Если UBb,y не превышает напряжения пробоя С е обратносмещенного эмит- терного перехода транзистора 6, то падение напряжения на дополнительном резисторе 7 равно нулю, т.е. эмиттер- ный переход транзистора 5 оказывается включенным параллельно фотодиоду 1, и к нему приложено практически нулевое напряжение смещения, когда его сопротивление превышает 10 -101 Ом, вследствие чего он не оказывает практического влияния на процесс формирования выходного сигнала, так как сопротивление основного резистора 3 обычно выбирается 10 для реализации предельной пороговой чувствительности .

Когда выходное напряжение Uewyt превышает напряжение пробоя U б (7 - 8 В) обратносмещенного эмиттерпого перехода транзистора 6, то через него протекает ток, который создает на резисторе 7 падение напряжения, открывающее эмиттерный переход транзистора -5. В результате весь лишний фототок фотодиода 1 протекает не через основной резистор 3, а через эмиттерный переход транзистора 5, резистор 8 и обратносмещенный эмиттерный переход транзистора 6. На передаточной характеристике ФПУ появляется излом (см. фиг. 2). Если до излома наклон передаточной характеристики определяется сопротивлением основного резистора 3, то после излома - сопротивлением резистора 8, которое выбирается на несколько порядков меньше, чем сопротивление резистора 3.

Если требуется с высокой точностью регистрировать и световые потоки достаточно большой мощности, то для этого можно использовать второй дополнительный выход 13.

Как видно из фиг.2, сигнал Ug с выхода 9 при больших засветках становится нелинейным за счет влияния логарифмической характеристики р - п- перехода транзистора 5, что снижает точность измерений светового потока. При использовании второго дополнительного выхода 13 информация о больших засветках может быть получена практически с той же точностью, что и при малых за счет идентичности

характеристик траг игторов 5 и 12. В этом случае два согласованных транзистора 5 и 12 практически включены параллельно, так как потенциалы их эмиттеров отличаются на величину разности напряжений смещения дифференциальных усилителей 2 и 10, которая не превышает 1-2 мВ. Так как они согласованы, то токи через них равны. Через транзистор 5 протекает лишний фототек

& Х9 U6/RV

Следовательно, через транзистор 12 протекает аналогичный ток, который с помощью дифференциального усилителя 10 и резистора 11 обратной связи преобразуется в напряжение „ на дополнительном выходе 13

йьл 3

и,

rile.

(

Кэ

Полярность этого напряжения противоположна напряжениям на основном и на дополнительном 9 выходах (фиг.2 В результате ФПУ с одним фотодиодом позволяет вести высокоточную регистрацию светового потока в двух диапазонах по двум независимым каналам.

Применение изобретения позволяет расширить диапазон регистрируемых световых потоков на 3-4 порядка при сохранении точности регистрации, расширить функциональные возможности устройства за счет получения дополнительных независимых выходов, а также повысить точность .регистрация больших мощностей при использовании второго дополнительного выхода устройства.

Фор-мула изобретения

усилитель и резистор, включенный между выходом и инвертирующим входом дифференциального усичигелч, неинвертирующий вход которого соединен с общей шиной, причем фотодиод включен между входами дифференциального усилителя, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона регистрируемых потоков излучения при сохранении пороговой чувствительности, в него введены два транзистора и два дополнительных резистора, причем эмиттер первого

транзистора соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя, его база и коллектор соединены с общей точкой двух дополнительных резисторов, первый из которых вторым

выводом соецинен с общей шиной, а второй вывод второго дополнительного резистора является дополнительным выходом устройства и соединен с базой и коллектором второго транзистора,

эмиттер которого соединен с выходом дифференциального усилителя.

первым транзистором и согласованный с ним, причем базы и коллектор их объединены, а эмиттер дополнительного транзистора соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя,

охваченного отрицательной обратит связью через соответствующий резиг- тор, неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с общей шиной, а его выход является вторим

дополнительным выходом устройства.

Мыл.

Фиг.1

9

Jib.