Фотоэлектрический усилитель

 

ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УСШШТЕЛЬ, содержащий операционный усилитель, между инвертирующим входами которого включен первый фотодиод, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности путем уменьшения нелинейных искажений, к выходу операционного усилителя подключен триггер, выход которого является выходом фотоэлектрического усилителя, и через введенный резистор соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя , при этом встречно параллельно первому фотодиоду включен второй фотодиод. 4; 05 СУ1

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„SU„„1104651

А эцио Н 03 F 17/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTMA

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Ф С

9%i

М (21) 3517778/18-09 (22) 02.12.82 (46) 23.07.84. Бюл. N 27 (72) М.Ф. Тюрин (71) Научно-исследовательский институт прикладной геодезии (53) 621.375.024(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

11 855794, кл. Н 01 Ь 31/00, 1981.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 395930, кл. Н 01 L 3 1/08, 1974 (прототип). Ч (54) (57) ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий операционный усилитель, между инвертирующим входами которого включен первый фотодиод, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности путем уменьшения нелинейных искажений, к выходу опера" ционного усилителя подключен триггер, выход которого является выходом фотоэлектрического усилителя, и через введенный резистор соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, при этом встречно параллельно первому фотодиоду включен второй фотодиод.

1104651

1

Изобретение относится к технике преобразования световой энергии в электрическую и предназначено для использования в качестве приемнопередающего устройства систем контро5 ля, дальномеров, навигационной ориен" тации, измерителей перемещения и т.д.

Предлагаемый фотоэлектрический усилитель может найти применение в измерительной технике, фотометрии, автоматике, амплитудных анализаторах, при работах, связанных с использованием воздействия изменяющихся световых потоков.

Известен фотоэлектрический усилитель, содержащий фотодиод с нагрузкой, включенные последовательно в од" но из плеч моста, который запитан от регупирующего элемента, управляемого со стороны выхода усилителя постоянного тока 13.

Однако данный фотоэлектрический усилитель обпадает недостаточно высокой точностью коэффициента передачи, Наиболее близким по технической сущности к предложенному является фотоэлектрический усилитель, содержащий операционный усилитель, между инвертирующим и неинвертирующим входами которого включен первый фотодиод (2 ).

Известный фотоэлектрический усилитель обладает высоким уровнем нелинейных искажений.

Целью изобретения является повышение точности путем уменьшения нелинейных искажений.

Цель достигается тем, что в фотоэлектрическом усилителе, содержащем операционный усилитель, между инвертирующим и неинвертирующим входа40 ми которого включен первый фотодиод, к выходу операционного усилителя подключен триггер, выход которого является выходом фотоэлектрического усилителя, и через введенный резистор соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя, при этом встречно параллельно первому фотодиоду включен второй фотодиод.

На фиг. 1 представлена схема фотоэлектрического усилителя, на фиг. 2 — эквивалентная схема фотоэлектрического усилителя; на фиг. 3 один из возможных вариантов выполнения триггера в схеме фотоэлектричес- 1 кого усилителя; на фиг. 4 — вольтамперные характеристики (ВАХ) фотодиодов фотоэлектрического усилителя.

Фотоэлектрический усилитель (фиг. 1) содержит первый и второй фотодиоды

1 и 2, операционный усилитель 3, триггер 4, резистор 5 отрицательной обратной связи, резистор 6 положительной обратной связи.

Эквивалентная схема фотоэлектрического усилителя (фиг. 2) представлена в виде двухплечевого моста, rpe Е, Е, и г-, — источники мгновенньгх фото-ЭДС и динамические сопротивления первого и второго фотодиодов t и 2. Источники U и U напряжений являются эквивалентами выходных напряжений операционного усилителя 3 и триггера 4, которые в контуре фототока оказываются включенными последовательно.

Один из возможных вариантов выполнения триггера 4 (фиг. 3) содержит два дифференциальных усилителя постоянного тока (УПТ) 7 и 8. Резисторы 9 и 10 и УПТ8 образуют цепь положительной обратной связи (ПОС) между выходом и входом УПТ 7, резисторы 11 и 12 образуют цепь отрицательной обратной связи (ООС) УПТ 8.

Фотоэлектрический усилитель работает следующим образом.

В зависимости от назначения фотоэлектрического усилителя в нем возможно как преобразование одного светового потока, воздействующего на один из фотодиодов, так и двух световых потоков, воздействующих одновременно или поочередно на каждый фотодиод.

Рассмотрим работу фотоэлектрического усилителя при воздействии светового потока только на первый фотодиод

1. Динамика преобразования понятна на эквивалентной схеме (фиг. 2).

Условно рассмотрим случай, когда второй фотодиод 2 отсутствует (т.е, отсутствует источник Е и сопротивле2 ниег ) .

Пусть в исходный момент все мгновенные значения напряжений и тока равны нулю. В момент воздействия светового потока ФЭ ) О на фотодиод 1 на его р-и перехода возбуждается фото-ЭДС E7) О, которая с помощью операционного усилителя 3 пе-, редается на вход триггера 4 и запускает его. На выходе возникает лавино-образнорастущее напряжение 04

/ знак которого относительно общей шины противоположен знаку напряжения U (фиг. 2). В итоге напряжения

1i04e>

Е, 0 и И по контуру тока включены согласно, в контуре возбуждается лавинообразнорастущий фототок

1 3 u4 (i

Ф г +Р+R

Е1 где. R и Р6 — сопротивления резисторов 5 и б.

При этом в диагонали моста возни10 кает разностное напряжение (О +0 ) r - Е.) (я + Р )

"ф =, (г) 1 6 которое является падением напряжения

15 на полюсах фотодиода и рассматривается как напряжение, смещающее рабочую точку на вольт-амперной характеристике (ВАХ) фотодиода.

По мере лавинообразного. роста

20 суммарного напряжения (0 + 04 ) при

Е1 = canst, разностное напряжение 04, изменяет не только амплитуду, но и знак. При этом ток контура продолжает расти, не изменяя направления. Синхронно с напряжением 04, изменяет ам-. плитуду и знак управляющее триггером напряжение U . При значении0 ) О, V <0 начинает интенсивно тормозить, лавинный процесс триггера 4, стремясь

30 перевести его в противоположное состояние, т.е. в режим с напряжением

0 противоположного знака. В этот момент рост напряжения 04 прекращается, одновременно с ним прекращается наращивание фототока iy и про- З5 цесс переходит в динамическое равновесие.

Торможению и стабилизации электрических процессов в контуре фототока способствует положительное ускоре40 ние изменения напряжения 0ф по сравнению с изменением напряжения

Положительное ускорение напряжения 0,ь является следствием нелинейного сопротивления Г и ускорения фототока 1ф, 45 ф1 (Последний имеет положительное ускорение при условии, что линия нагрузки имеет угол наклона Ц,f(90 и пересекает криволинейный участок ВАХ в районе рабочей точки А с координа 5О той (Ц 3,iy 3 ).

С момента, когда напряжение l3> меняет свой знак, напряжение на вы ходе УПТ 8 (фиг. 3) становится разностью напряжений U и 0„ р <""О <2 - (g)

R9+ 810 где ф — коэффициент передачи напряжения в цепи ПОС УПТ 7 и 8.

Выражение справедливо при К )) и К >) I — коэффициенты усиления по на

3 пряжению УПТ 7 и УПТ 8.

Уменьшение действия напряжения в цепи ПОС УПТ 7, в свою очередь способствует ускоренному торможению и стабилизации динамического равнове" сия в цепи тока, что приводит к стабилизации конечного значения напряжения 0<, Так как в цепи .передачи сигнала торможения через операционный усилитель 3 существует временная задержка, что для надежной стабилизации динамического равновесия напряжения 0 данная временная за4 держка скомпенсирована равной времен" ной задержкой в цепи ПОС триггера 4 применением УПТ 8.

При новом мгновенном значении фото-ЭДС Е Э (Ф 3) устанавливается новое значение выходного напряжения

04, т.е. в подобном мгновенном представлении каждое приращение фото-ЭДС моделирует в заданном масштабе напряжение 0 согласно выражения

$ 6 . а Е г " ) (" +R 6РI" б Ь

«Ej (4) г,(<-И где K3 )) j — коэффициент передачи на\. пряжения операционного усилителя 3; — коэффициент передачи в цепь ПОС УПТ 8.

При значительном увеличении интенсивности светового потока ф п >ФЭ( возрастет разностное напряжение U< и смещает рабочую точку Ь на ВАХ первого фотодиода 1, соответствующую световому потоку ф3п в район точки

С, выводя ее на пологий участок характеристики. Это приводит к резкому увеличению дифференциального сопротивления г „ и, как следствие, к резкому увеличению напряжения 0

Последнее, как следует из эксперимен- тов, настолько затормаживает триггер

4, что выходное напряжение 0< падает до минимальных значений и сохраняется в этом состоянии. При этом преобразователь теряет работоспособность.

Чтобы ликвидировать это, вводится второй идентичный второй фотодиод 2, включенный встречно-параллельно первому. В этом случае напряжение смещения Оф для второго фотодиода будет приложено в прямом направлении, вто1104651 рой фотодиод 2 отпирается и,тем самым, шунтирует своим дифференциальным сопротивлением r+> сопротивление

Происходит снижение пика Ll и рабочая точка С первого фотодиода 1 возвращается на криволинейный участок ВАХ в район точки В °

Такая совместная работа двух фотодиодов на нелинейных участках

ВАХ, один из которых пассивен (т.е.

10 световое воздействие на него отсутствует) не приводит к нарушению линей«гости преобразования.

При воздействии светового потока ф2 только на второй фотодиод 2 работа фотоэлектрического усилителя аналогична описанному. При этом при одинаковых параметрах первого и второго фотодиодов 1 и 2 и при ф = Ф"3

ВАХ второго фотодиода 2 полностью 2О совместится с ВАХ первого фотодиода

1, при повороте последнего на 180 т.е. линия нагрузки Е является

I продолжением линии нагрузки E и наклонена под углом о(2<90, пересекая при этом криволинейный участок ВАХ второго фотодиода 2 в точке D c координатами (1Ф,Ц ).

При одновременном воздействии двух световых потоков ф7 и ф на каждый ЗО из первого и второго фотодиодов 1 и

2 процесс преобразования сводится вь«ч««танию @oToToKQB 1ф7 «1« 1ф (coI ласно фиг. 2) при совместной работе источников напряжения Е, и Е 2

При этом их общая линия нагрузки

Е-Е расположится под углом с(1 о

= с 2=90 и перемещается влево — вправо в зависимости от значения и знака разности напряжений Оф„ и ОФ . 4в

Если потоки Ф1 и Ф2 во времени периодичны по интенсивности и имеют, например, относительный фазовый сдвиг / = Т/2, то траектория рабочей точки на линии нагрузки примет форму 4 эллипса, где большая ось совпадает ! со статической линией нагрузки Š— Е .

В данном случае характеристика преобразования фотоэлектрического усилителя сохраняет линейность во всем динамическом диапазоне, ее крутизна 5 =й0 !ЛФ в « 2 раз выше характеристики преобразования, снятой при работе одного фотоднода.

Экспериментально также установлено, что повышение крутизны преобразования фотодиода й1 @ I йФ является прямым следствием форсирования энергетики фотодиода. Т.е. фотодиод генерирует фототок пол действием световой энергии и синхронным действием напряжения смещения U, знак приращения которого совпадает со знаками приращения фото-ЭДС и светового потока, где напряжение (1 есть лиль часть выходного напряжения включенного в контуре тока (фиг. 2) согласно с фото-ЭДС. В итоге приращение фототока при таком режиме преобразования превышает приращения фототока режима короткого замыкания для фотодиода на порядок и более.

Таким образом, в предложенном фотоэлектрическом усилителе высокая степень линейного преобразования по всему тракту и, в частности, в выходных каскадах объясняется тем, что выходное напряжение 0< формируется не путем многократного усиления разностного напряжения U4,, а путем лавинной генерации с потенциальной возможностью опережения во времени изменения фото-ЭДС, где напряжения 0,«, и 0 выполняют функцию пуска, торможения и удержания триггера в динамическом равновесии. Мгновенные случайные отклонения 04 по внутренним причинам триггера УПТ, также мгновенно возвращаются в исходное состояние. Физической величиной, с которой сравниваются такие отклонения, является фото-ЭДС, ускоряющим действием восстановления динамического равновесия является нелинейность фотодиода. Повышение крутизны преобразования 5 = Л ф Д ф объясняется тем, что фототок является функцией двух воздействий — светового потока и синхронного с ним напряжения смещения Оф

Все это позволяет повысить точность преобразования световой энергии в электрическую.

1 104б51

ВЫКИПИ Заказ 5320/42

Тиран 962 Подписное

Филиал ППП "Патент", r. У кгород, ул. Проектная, 4