Усилитель фототока Советский патент 1992 года по МПК H03F17/00 

xj сл со

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в оптико-электронной технике для усиления сигналов фотодатчиков при малых мощностях светового потока. Цель изобретения - повышение точности коэффициента передачи. Цель достигается за счет введения первого и второго резисторов 12, 13. фильтра 4 нижних частот и повторителя напряжения 7, а также резистора 9 обратной связи. 1 ил.

Сл5

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в оптико-электронной технике для усиления сигналов фотодатчиков при малых мощностях светового потока.

Для построения усилителя фототека обычно используется операционный усилитель, между инвертирующим входом (являющимся входом устройства) и выходом которого включается резистор обратной связи, определяющий коэффициент усиления устройства. Такая схема обеспечивает усиление и преобразование фототока в напряжение при сохранении нулевого напряжения на фотодатчике, включенном между входом и общей шиной устройства. Недостатком этого устройства является низкая точность. Напряжение смешения операционного усилителя и темновой ток фотодатчика ограничивают величину резистора обратной связи, что снижает коэффициент усиления устройства и ухудшает отношение сигнал-шум.

Известны схемы усилителей фототока, в которых фотодатчик находится под смещающим напряжением. Это увеличивает его чувствительность, но одновременно повышаются шумы и урове нь темнового тока, что ухудшает точность устройства. Кроме того, малое значение коэффициента усиления устройства ограничивает диапазон входных сигналов. Известны усилители фототока с дополнительным усилительным каскадом.

В этом устройстве динамический диапазон входных сигналов расширен благодаря применению системы автоматического регулирования усиления. Недостатком такого устройства является низкая точность. Резистор обратной связи охватывает только входной предусилитель устройства. Низкий коэффициент усиления по петле обратной связи не позволяет обеспечить стабильность параметров устройства на больших значениях коэффициента усиления, а использование в предусилителе биполярных транзисторов делает невозможным его охлаждение для снижения шумов и темнового тока фотодатчика. Ближайшее к предложенному устройство содержит предварительный усилительный каскад на полевом транзисторе, в истоковую цепь которого включается фотодиод. Со стоковой нагрузки полевого транзистора сигнал через рези- стивно-емкостный фильтр поступает на выходной усилительный каскад, построенный на операционном усилителе, охваченном отрицательной обратной связью через ре- зистивный делитель напряжения.

Недостатком известного устройства является низкая точность вследствие отсутствия стабилизации рабочей точки и влияния нелинейности характеристики преобразования фотодзтчика из-за изменения на нем напряжения в процессе работы устройства. Кроме того, величина достижимого коэффициента усиления ограничена напряжением смещения операционного усилителя, кото0 рое усиливается одновременно с полезным сигналом.

Целью изобретения является повышение точности коэффициента передачи устройства и расширение динамического

5 диапазона входных сигналов.

Для этого в усилитель фототока, содержащий предварительный усилительный каскад, вход которого является входом усилителя фототока, выходной операцией

0 ный усилитель, резистивный делитель напряжения, один вывод которого соединен с выходом операционного усилителя, являющимся выходом усилителя фототока, и фильтр, введены первый резистор, включен5 ный между входом предварительного усили- тельного каскада и неинвертирующим входом выходного операционного усилителя, второй резистор, один вывод которого подключен к неинвертирующему входу еы0 ходного операционного усилителя, а другой - является входом для подачи опорного напряжения, повторитель напряжения, включенный между чеинвертирующим входом выходного операционного усилителя и дру5 гим выводом резистивного делителя напряжения, резистор обратной связи, включенный между отводом резистивного делителя напряжения и входом предварительного усилительного каскада. При этом

0 фильтр выполнен в виде фильтра нижних частот и включен между выходом и неинвертирующим входом выходного операционного усилителя. Предварительный усилительный каскад может быть выполнен

5 на первом и втором последовательно соединенных относительно источника питания полевых транзисторах, затвор первого из которых является входом предварительного усилительного каскада, сток соединен с об0 щей шиной, а исток - является выходом предварительного усилительного каскада.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит предварительный

5 усилительный каскад 1, вход которого является входом Вх устройства, выходной операционный усилитель 2, выход которого является выходом Вых устройства, первый и второй резисторы 3 и 4, включенные последовательно между выходом каскада 1 и

входом Uon для подачи опорного напряжения, резистивно-емкостный фильтр 5 из последовательно соединенных резистора 6 и конденсатора 7, повторитель напряжения 8, резкстивный делителе напряжения 9 и резистор обратной связи 10. При этом предварительный усилительный каскад строится по крайней мере на двух полевых транзи сторах 11.12. образующих каскад с общим истоком и динамической нагрузкой, а стивнай делитель напряжения выполнен из резисторах 13,14, включенных последовательно между выходами повторителя 8 и операционного усилителя 2. Входной сигнал поступает от фотодиода ФД.

Устройство работает следующим образом. Фотодатчик, например фотодиод ФД, подключается к входу Вх усилителя. Генерируемый фотодиодом ФД ток приводит к по- явлению на входе Вх устройства определенного напряжения, которое усиливается предварительным усилительным каскадом 1 и с его выхода поступает на первый резистор 3, соединенный последовательно со вторым резистором 4, на который поступает опорное напряжение Don. С точки соединения резисторов 3 и 4 на неинвертирующий вход выходного операционного усилителя 2 поступгет напряжение, равное

UBx2 {U3bJ-xlR4 + UonR3)/(R3 + R-0.

где Увых I - выходное напряжение предварительного усилителя 1; R3 и R4 - значения сопротивления резисторов 3 и 4 соответственно.

Зто напряжение усиливается усилителем 2. Усилитель 2 охвачен отрицательной обратной связью через резистивно-емкост- кый фильтр 5. Поэтому его коэффициент усиления КУ2 определяется глубиной отрицательной обратной связи и равен единице плюс отношение импендансов резисторов б (R6) и конденсатора 7 (Х7), входящих в состав фильтр 4:

Ку2 1 + R6/X7,

Усиленный сигнал выделяется на выходе устройства. Все устройство также охвачено отрицательной обратной связью через резистивный делитель напряжения 9 и резистор обратной связи 10. Такая обратная связь препятствует изменению напряжения на входе устройства. Поэтому на выходе ре- зистивного делителя напряжения 9 устанавливается такое напряжение, при котором ток фотодиода практически не приводит к изменению напряжения на входе Вх устройства относительно его нулевого (при отсутствии сигнала) уровня. Для этого весь ток фотодиода ФД должен протекать через ре- зистор обратной связи 10, а выходное на- пряжение делителя 9 (иВых.р.д9) должно равняться падению напряжения оттока фотодиода ФД (фд) на сопротивлении резистора 10(R10)

10

иВь,хр.д.9--1ф.д-Р10.(3)

При этом, если опорный вывод делителя 9 заземлен, то напряжение на выходе устройства Вых должно превышать выходное

15 напряжение делителя 9 в число раз, обратное его коэффициенту деления (Кд.д). Однако, в предложенном устройстве на опорный вывод делителя 9 поступает через повторитель напряжения 8 часть выходного напря20 жения устройства, снимаемая с конденсатора 7 фильтра 5. Можно показать, что в этом случае выходное напряжение устройства равно с учетом (3):

25 UBbix .R10(R6+X7)/(R5 Kfl9 + X7), (4)

где для схемы, представленной на рисунке, Ka9 R12/(); R12, R13-сопротивления резисторов 12,13. входящих в состав

3G делителя 9.

Обычно фотодатчик инициируется изменяющимся световым потоком с низкой частотой модуляции. При отсутствии сигнала фотодиод вырабатывает постоянный тем35 новой ток. Сопротивление конденсатора 7 постоянному току очень велико. Коэффициент усиления усилителя 2, как следует из (2). в этом случае раеен единице. При этом напряжения на опорном и входном выводах

40 делителя 9 становятся равными и, независи-г мо от его коэффициента деления, выходное напряжение делителя 9 будет равно напряжению на выходе устройства Вых. Следовательно, при Х7- , L/вых 1ФД. R10 и

45 коэффициент усиления устройства при достаточно большом усилении усилителя 1 равен Ку R10. При этом для рабочей области выходных напряжений входного предварительного усилителя 1 его входное напряже50 ние близко к нулю. Это позволяет, как следует из выражения (1), устанавливать необходимое для оптимальной работы устройства напряжение на выходе усилителя 1 подбором опорного напряжения U0n.

55При появлении переменного сигнального тока импеданс конденсатора 7 падает и. как следует из (А), коэффициент усиления устройства возрастает соответственно установленному коэффициенту деления делителя, т.е. при , Ky- R10/Kfl9. Таким

образом, схема обеспечивает возможность достижения значительного коэффициента усиления при небольшом постоянном уровне выходного напряжения, равном напряжению смещения усилителя с учетом темнового тока фотодиода. Кроме того, при достаточно большом значении коэффициента усиления предварительного усилительного каскада 1 шумы схемы определяются в основном его шумами и шумами фотодатчика. Построение этого каскада на полевых транзисторах с р-n переходом 11, 12, сохраняющих работоспособность при сверхнизких температурах, позволяет снизить уровень шумов, охлаждая предварительный усилитель и фотодатчик до температуры жидкого азота (77°К).

Новые элементы и связи обеспечивают существенные преимущества предложенного решения перед известными. Большое значение коэффициента усиления разомкнутого устройства обеспечивает широкий диапазон и зысокую точность установки заданного обратной связью коэффициента усиления и линейность амплитудной характеристики устройства. При этом обеспечивается оптимальный режим работы входного каскада, возможность его охлаждения для снижения шумов и расширения динамического диапазона входных сигналов. В то же время исключается усиление смещение предварительного усилительного каскада и темнового тока фотодатчика.

Высокие точность коэффициента усиления и линейность амплитудной характеристики устройства, широкий диапазон входных сигналов и низкая чувствительность к параметрам датчика и составных узлов устройства расширяют область применения усилителя фототока, что, с учетом простоты его реализации, приведет к значительному экономическому эффекту от его внедрения в практику.

Формула изобретения

фототока, выходной операционный усилитель, резистивный делитель напряжения, один вывод которого соединен с выходом выходного операционного усилителя и является выходом усилителя фототока, и фильтр, о

тличаю-щийся тем, что, с целью повышения точности коэффициента передачи, между выходом предварительного усилительного каскада и неинвертирующим входом выходного операционного усилителя включен первый резистор, точка соединения которого с неинвертирующим входом операционного усилителя подключена к одному выводу введенного второго резистора, другой вывод которого является входом для

подачи опорного напряжения между неинвертирующим входом выходного операционного усилителя и другим выводом резистивного делителя напряжения введен повторитель напряжения, между отводом

резистивного делителя напряжения и входом предварительного усилительного каскада введен резистор обратной связи, при этом фильтр выполнен в виде фильтра нижних частот и включен между выходом и неинвертирующим входом выходного операционного усилителя.

является входом предварительного усилительного каскада, сток которого соединен с общей шиной, а исток - с истоком и затвором второго полевого транзистора, сток которого соединен с шиной питания, а исток

является выходом предварительного усилительного каскада.