Оптоэлектронный усилитель Советский патент 1993 года по МПК H03F17/00 

Изобретение относится к аналоговой оптоэлектронной технике и может быть использовано в измерительной технике, в частности, в измерительных оптоэлектронных усилителях, а также в системах передачи информации, бесконтактных датчиках процессов и объектов, в развязывающих усилителях.

Известен оптоэлектронный усилитель, содержащий фотодиод, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с коллектором первого основного транзистора p-n-р структуры, а неинвертирующий вход - с коллектором второго основного транзистора n-p-п структуры, причем между коллекторами первого и второго основных транзисторов включен делитель напряжения, первый и второй дополнительный транзистор разной структуры в диодном включении, неинвертирующий усилитель тока и резистор обратной связи; причем основной и дополнительный транзисторы одной структуры включены по схеме отражателя тока.

Недостатком данного устройства является высокая нелинейность преобразования световой энергии в электрическую на начальном и конечном участках передаточной характеристики фотодиода и, как следствие, низкая точность и высокая нелинейность преобразования светового сигнала в электрический для оптоэлектрон- ного усилителя в целом.

Целью изобретения является повышение линейности и точности преобразования светового сигнала в электрический путем компенсации нелинейности передаточной характеристики фотодиода.

Указанная цель достигается тем, что в оптоэлектронный усилитель, содержащий первый фотодиод, первый и второй транзисторы противоположной структуры, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с коллектором первого транзистора, а неинвертирующий вход - с коллектором втором транзистора, делитель напряжения, включенный между коллекторами первого и второго транзисторов, а также неинвертирующий усилитель тока, включенный между отводом делителя напряжения и базой первого транзистора, причем между выходом операционного усилителя и базой второго транзистора включен резистор обратной связи, первый фотодиод включен между базами первого и второго транзисторов, эмиттеры которых подключены к соответствующим типам источника питания, введены второй фотодиод, включенный встречно-параллельно первому фотодиоду, и первый и второй резисторы, включенные между базами первого и второго транзисторов и общей шиной соответственно.

На фиг, 1 представлена принципиальная электрическая схема оптоэлектронного усилителя; на фиг. 2 - вольт-амперные характеристики (ВАХ) фотодиода 1 (кривая 1- 1) и фотодиода 2 (кривая 2-2). При идентичности фотодиодов ВАХ1 и ВАХ2 совмещаются при повороте на 180° ВАХ одного фотодиода.. .

Оптоэлектронный усилитель содержит фотодиоды 1 и 2, два активных резистора 3 и 4 нагрузки, неинвертирующий усилитель 5

тока, транзисторы 6 и 7 противоположной структуры, резисторы 8 и 9 делителя напряжения, операционный усилитель 10, резистор 11 обратной связи. Инвертирующий вход операционного усилителя соединен с

коллектором первого транзистора, а неинвертирующий вход - с коллектором второго транзистора противоположной структуры, причем между коллекторами транзисторов включен делитель напряжения, между отводом которого и базой первого транзистора включен неинвертирующий усилитель тока. Между выходом операционного усилителя и базой второго транзистора включен резистор обратной связи. Два включенных

встречно-параллельно фотодиода и два активных резистора нагрузки, включенные симметрично между фотодиодами и общим проводом, соединены с базами транзисторов.

Оптоэлектронный усилитель работает следующим образом. ..

Полагаем, что транзисторы обладают идентичными характеристиками, в частности, у них одинаковые вольт-амперные характеристики эмиттерных переходов и коэффициенты усиления базового тока.

Поскольку токи во входных цепях транзисторов будут изменяться в меньших пределах, чем фототек 1, 2, то фототек является

преобладающим. Зависимость фототока от напряжения, как показано на фиг. 2, является нелинейной функцией.

При работе только с одним из фотодио- .дов с увеличением светового потока рабочая точка смещается по характеристике р сторону большей нелинейности, что приводит к увеличению нелинейных искажений (точка А для первого фотодиода или точка В - для второго фотодиода).

Для снижения нелинейных искажений необходимо работать одновременно с двумя фотодиодами. При одновременном воздействии двумя световыми потоками

Ф| и Фг на фотодиоды процесс преобразования сводится к вычитанию фототока 1фи 1 При равенстве световых потоков Ф| и идентичности характеристик фотодиодов общая нагрузочная характеристи1 ка будет линейной, а снимаемое напряжение будет определяться выражением 0 R -Si 4Ро где - R - активный резистор нагрузки, Si - токовая чувствительность фотодиода, Р - мощность светового потока, падающего на фотодиод.

Эти сигналы поступают на вход операционного усилителя и усиливаются.

Таким образом, создание линейной нагрузочной характеристики за счет встречно- параллельного включения фотодиодов и активных (линейных) резисторов значительно уменьшают нелинейные искажения и повышают точность преобразования световой энергии в электрическую.

При необходимости, изменением интенсивности световых потоков, падающих на фотодиоды, можно изменить траекторию рабочей точки..

Так, например, если потоки Ф1 и Фг во времени периодичны по интенсивности и имеют определенный сдвиг по фазе (например, 90°), то в этом случае траектория рабо- чей точки примет форму эллипса, большая ось которого совпадает с линией нагрузки 3-3).

В данном случае характеристика преобразования и усиления фотосигналов сохра

няет линейность во всем динамическом диапазоне, а крутизна (S Аи/ДФ) в у2 раз выше характеристики преобразования при работе с одним фотодиодом, что подтверждается экспериментально.

5

5 0

5

0

5

0

Достигаемая линейность преобразования светового сигнала в электрический по- зволяет исключить специальные схемы и методы линеаризации передаточной характеристики сквозного измерительного канала, что позволяет сократить объем необходимого аналогового оборудования и цифровых схем за счет исключения алгоритмов и программ линеаризации характеристик.

Формула изобретения Оптоэлектронный усилитель, содержащий первый фотодиод, первый и второй транзисторы противоположной структуры, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с коллектором первого транзистора, а неинвертирующий вход - с коллектором второго транзистора, делитель напряжения, включенный между коллекторами первого и второго транзисторов, а также неинвертирующий усилитель тока, включенный между отводом делителя напряжения и базой первого транзистора, причем между выходом операционного усилителя и базой второго транзистора включен резистор обратной связи, первый фотодиод включен между базами первого и второго транзисторов, эмиттеры которых подключены к соответствующим шинам источника питания, отличающийся тем, что, с целью повышения линейности и точности преобразования светового сигнала в электрический путем компенсации нелинейности передаточной характеристики первого фотодиода, введен второй фотодиод, включенный встречно-параллельно первому фотодиоду, и первый и второй резисторы, включенные между базами первого и второго транзисторов и общей шиной соответственно..

-f

J Л

Изобретение относится к аналоговой оггтоэлектронной технике и может быть использовано в измерительной технике, в частности в измерительных оптоэлектронных усилителях, а также в системах передачи информации. Цель изобретения - повышение линейности и точности преобразования светового сигнала в электрический путем компенсации нелинейности передаточной характеристики первого фотодиода. Устройство содержит первый и второй фотодиоды 1 и 2, первый и второй резисторы 3 и 4, неинвертирующий усилитель тока 5, первый и второй транзисторы б и 7, резисторы 8 и 9 делителя напряжения, операционный усилитель 10. Цель обеспечивается за счет встречно-параллельного включения первого и второго фотодиодов 1 и 2. Если одновременно воздействовать двумя световыми потоками на фотодиоды 1 и 2, то процесс преобразования сводится к вычитанию их фототоков, при равенстве световых потоков и идентичности характеристик фотодиодов 1 и 2 общая нагрузочная характеристика будет линейной. 2 ил.

и.г