Фотоприемное устройство Советский патент 1991 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к области фотоэлектроники и может быть использовано в высококачественных фотометрических системах, денситометрии, экспонометрии и других аналитических приборах.

Целью изобретения является повышение точности и расширение динамического диапазона, устройства.

На чертеже изображена электрическая принципиальная схема фотоприемного устройства.

Устройство содержит фотодиод 1, согласованную пару основных транзисторов 2 и 3,источник 4 опорного сигнала, термически связанный с парой транзисторов 2 и 3, основной дифференциальный усилитель 5, между входами которого включен фотодиод 1, причем неинвертирующий вход дифференциального усилителя 5 соединен с коллектором транзистора 2, а коллектор транзистора 3 является выходом устройства. В состав устройства входят также два дополнительных резистора 6 и 7, ополни- тельный дифференциальный усилитель 8 и транзистор 9, согласованный с основными транзисторами 2 и 3, термически с ними связанный и включенный в цепь отрицательный обратной связи дифференциального усилителя 8, инвертирующий вход которого через резистор 7 соединен с общей шиной, а выход соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 5, с одним выводом резистора 6 и базой транзистора 2, эмиттер которого соединен с эмиттером транзистора 3 и выходом дифференциального усилителя 5, являющегося дополнительным выходом устройства. База транзистора 3 соединена с вторым выводом резистора бис токовым выходом источника 4 опорного сигнала, который выполнен в виде трех согласованных транзисторов 10 - 12, термически связанных с основными транзисторами 2,3 и 9, операционного усилителя 13, отражателя 14 тока и четырех резисторов 15-18, причем коллектор и база транзистора 10 соединены с базой транзистора 11, с неинвертирующим входом операционного усилителя 13 и с выводом резистора 15, второй вывод которого соединен с вторым выводом резистора 16 и источником 19 питания. Выход операционного усилителя 13 соединен с базой транзистора 12 и с неинвертирующим входом дифференциального усилителя 8, первый вывод резистора 16 соединен с инвертирующим входом операционного усилителя 13 и с коллектором транзистора 11, эмиттер которого соединен с общей точкой резисторов 17 и 18, другие выводы которых соединены соответственно с общей шиной и с

эмиттером транзистора 12. коллектор которого соединен с входом отражателя тока, выход которого является токовым выходом источника 4 опорного сигнала. Источник 4

опорного сигнала обеспечивает схему стабильным опорным напряжением с выхода операционного усилителя 13 и термозависимым током, пропорциональным температуре (выход отражателя 14 тока),

позволяющим регулировать чувствительность фотоприемного устройства посредством изменения величины резистора 6, а также имеет выход термозависимого напряжения UT, пропорционального температуре,

которое может быть использовано в цифровых системах обработки сигнала для компенсации мультипликативной составляющей температурного дрейфа логарифмического выхода фотоприемного устройства.

20

Устройство работает следующим образом.

При наличии светового потока фотодиод 1 генерирует ток ф При условии, что

входной ток дифференциального усилителя 5 достаточно мал, весь ток ф потечет через коллектор транзистора 2. При этом дифференциальный усилитель 5 устанавливает на своем выходе и соответственно на эмиттеpax транзисторов 2 и 3 напряжение 1)вых, обеспечивающее протекание этого тока. Тогда согласно формуле Эберса-Молла ток коллектора 1к равен

Ik lss2exp()

или, учитывая 1К - 1ф,

1ф lss2 exp(Ul - Uaux) / .

откуда Квых 1п(1ф/1552), (1) где Убэ - напряжение эмиттер-база транзистора 2;

Ui -напряжение на выходе операционного усилителя 8;

(ft - температурный потенциал;

lss2 обратный ток насыщения коллектора транзистора 2.

Напряжение Ui на выходе операционного усилителя 8 описывается следующей

формулой: |

Ui Uon+ tfMn ,(2) Jssg

где Don - напряжение на выходе диффе ренциальногоусилителя 13;

Ion - опорный ток, ц

(3)

- Uon

10П - -R ,

Кпп

где Ron - сопротивление резистора 7;

Issg - обратный ток насыщения транзистора 9.

но

Напряжение на базе транзистора 3 равU63 Ui + ITR,

(4)

ибэ - ui -r ITH,(Ч)

где Ui - напряжение на базе транзистора 2

1т - выходной ток источника опорного сигнала;

R - сопротивление резистора 6.

Для коллекторного тока (вых) транзистора 3 можно записать

вых Us3-exp (УбэЗ Увых)/ (5)

где Iss3 - обратный ток насыщения транзистора 3

Так как транзисторы 2 3 и 9 согласованы, можно считать что токи насыщения их достаточно близки,т.е.

Us2 -- Us3 - UsQ Us.(6)

Тогда, учитывая (1), (4) и (6), выражение (5) можно переписать в виде

вых Is, - ITR - UiR - Ui + у,In

или

1Ф- e

UR /,

Выходной ток источника 4 опорногосиг- нала IT прямо пропорционален абсолютной температуре

К а fH,

где а const - коэффициент пропорциональности.

Тогда (7) перепишется в виде

1вых 1ф eaR.(8)

Выходной ток фотоприемного устройства пропорционален току фотодиода, причем коэффициент пропорциональности может регулироваться в широких пределах путем измерения R независимо от величины светового потока, т.е. от величины 1ф. При этом линейность усиления будет сохраняться и при больших величинах фототока, так как управляющий резистор исключен из цепи протекания тока фотодиода. Из формул (1) - (3) следует

Квых Uon - Г Ion

Выходное напряжение фотоприемного устройства пропорционально логарифму фототока (и, соответственно, освещенности), причем аддитивная составляющая не- термостабильности логарифматора (транзистора 2), связанная с током Us. скомпенсирована. В прецизионных измеригель- пых системах нецелесообразно компенсировать мультипликативную составляющую температурного дрейфа логарифмического выхода непосредственно в фотоприемном устройстве, так как это не позволяет иметь необходимую точность преобразования устройства в целом, Требу

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

емой точности можно достигнуть, применяя цифровые методы компенсации. Используя температурно зависимое напряжение UT источника опорного сигнала как опорное напряжение АЦП, можно с большой точностью компенсировать мультипликативную составляющую нетермостабильности сигнала логарифмического выхода

Рассмотрим работу источника 4 опорного сигнала. При включении питания дифференциальный усилитель 13 создает на базе транзистора 12 такое напряжение, при котором потенциал в общей точке резистора 17 и 18, к которой подключен эмиттер транзи- сюра 11. такой, что напряжение на коллекторах этих транзисторов равно (с точностью до напряжения смещения дифференциального усилителя). Таким образом, падения напряжений на резисторах 15 и 16, вызванные протеканием через них коллекторного тока транзисторов 10 и 11, равны. Это произойдет, когда падение напряжения Ui на резисторе 17 равно

U17 ifcln

где RIS. Rte -сопротивление резисторов 15 и 16 соответственно:

Mo. Mi протекающие по ним коллекторные токи транзисторов 10 и 11 соответственно.

Таким образом, при выполнении условий

1э11 эП , 1б12 « 1э12 И 1Э12 1к12. где 1Э11, 1э12 - токи эмиттеров транзисторов 11 и 12:

1б12, токи базы и коллектора транзистора 12 соответственно.

Транзистор 12 можно рассматривать как генератор тока величиной

, а р, ,

In (Rie/Ris) Ri

Ri - сопротивление резистора 17.

Выбирая соответствующие значения резистора 18, можно добиться, чтобы напряжение Uon на выходе дифференциального усилителя 13 было стабильным. Это связано с тем, что напряжение эмиттер база биполярного транзистора имеет отрицательный температурный коэффициент, а падение напряжения ит на резисторах 17 и 18 - положительный.

При величине UT. равной 1,22 В, это напряжение практически не зависит от температуры и напряжения питания.

Экспериментальные исследования заявляемого ФПУ показали, что по сравнению с известным устройством улучшилась линейность преобразования больших свегде а

товых потоков, что позволило расширить динамический диапазон работы фотоприемного устройства на два порядка, и кдм- пенсирована аддитивная, связанная с обратным током насыщения логарифмиру- ющего транзистора составляющая температурного дрейфа сигнала на логарифмическом выходе. Это позволяет, используя выход термозависимого напряжения UT источника опорного сигнала, pea- лизоватьвысокуюточность

логарифмического преобразования измерительной системы.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и я

1. Фотоприемное устройство, содержащее фотодиод, согласованную пяру транзисторов, источник опорного сигнала с выходом термозависимого напряжения, термически связанный с согласованной па- рой транзисторов, источник питания и дифференциальный усилитель, между чходами которого включен фотодиод, при э м неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с коллектором первого основного транзистора, а коллектор второго основного транзистора является вькодом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и расширения динамического диапазона, в него введены дополнительно два резистора, дифференциальный усилитель и транзистор, согласованный с основными транзисторами и термически с ними связанный, а источник опорного сигнала снабжен токовым выхо- дом и выходом стабильного напряжения, база и коллектор дополнительного транзистора соединены с выходом дополнительного дифференциального усилителя, а эмиттер - с инвертирующим входом этого усилитрля и через первый резистор - с общей шиной устройства, выход дополнительного опера- ционного усилителя соединен с инвертирующимвходомосновногодифференциального усилителя, с первым выводом второго резистора и с базой первого основного транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером второго основного транзистора и с выходом основного дифференциального усилителя, который является дополнительным выходом устройства, база второго основного транзистора соединена с вторым выводом второго резистора и с токовым выходом источника опорного сигнала, выход опорного напряжения которого подключен к неинвертирующему входу дополнительного дифференциального усилителя, а вход питания источника опорного сигнала соединен с источником питания.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что источник опорного сигнала выполнен в виде трех согласованных транзисторов, термически связанных с основными транзисторами, операционного усилителя, токового зеркала и четырех резисторов, при этом коллектор и база первого транзистора соединены с базой второго транзистора, с неинвертирующим входом операционного усилителя и с первым выводом первого дополнительного резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом второго дополнительного резистора и входом питания источника опорного сигнала, выход операционного усилителя соединен с базой третьего транзистора и является выходом стабильного напряжения источника опорного сигнала, первый вывод второго дополни- тельного резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и с коллектором второго транзистора, эмиттер которого соединен с общей точкой третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и с эмиттером треть- его транзистора, коллектор которого соединен с входом токового зеркала, выход которого является токовым выходом источника опорного сигнала, а его вывод питания соединен с входом питания источника опорного сигнала, выходом термозависимого на- пряжения которого является эмиттер третьего транзистора.

Изобретение относится к фотоэлектронике и может быть применено в высококачественных фотометрических системах, денситометрии, экспонометрии и других аналитических приборах. Цель изобретения - повышение точности и расширение динамического диапазона фотоприемного устройства (ФПУ). Устройство содержит фотодиод 1, согласованную пару транзисторов 2 и 3, источник 4 опорного сигнала (ИОС), термически связанный с транзисторами 2 и 3, и дифференциальный усилитель (ДУ) 5, между входами которого включен фотодиод 1. Неинвертирующий вход ДУ 5 соединен с коллектором транзистора 2, а коллектор транзистора 3 является линейным выходом устройства. В состав ФПУ входят резисторы 6 и 7, второй ДУ 8 и транзистор 9, согласованный с транзисторами 2 и 3, термически с ними связанный и включенный в цепь обратной связи ДУ 8, инвертирующий вход которого через резистор 7 соединен с общей шиной, а выход - с инвертирующим входом ДУ 5, являющимся логарифмическим выходом ФПУ. База транзистора 3 соединена с вторым выводом резистора 6 и токовым выходом ИОС 4, термозависимый ток которого позволяет регулировать путем изменения величины резистора 6 токовую чувствительность ФПУ по линейному выходу. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.