Трансрезистивный усилитель с парафазным выходом для преобразования сигналов лавинных фотодиодов

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в системах обработки оптической информации. Технический результат: расширение допустимого диапазона изменения сопротивления передачи R₀. Устройство содержит первый (1) и второй (2) токовые входы, первый (3) и второй (4) входные транзисторы с объединенными базами, первый (5) и второй (6) вспомогательные транзисторы, базы которых соединены со вспомогательным источником напряжения (7), эмиттеры подключены к шине первого (8) источника питания через соответствующие первый (9) и второй (10) токостабилизирующие двухполюсники, а коллекторы соединены с соответствующими эмиттерами первого (3) и второго (4) входных транзисторов, третий (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной второго (12) источника питания и коллектором первого (3) входного транзистора, четвертый (13) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной второго (12) источника питания и коллектором второго (4) входного транзистора, первый (14) выходной транзистор, база которого подключена к коллектору первого (3) входного транзистора, коллектор соединен с шиной второго (12) источника питания, а эмиттер связан с первым (15) выходом устройства и через пятый (16) токостабилизирующий двухполюсник подключен к шине первого (8) источника питания, второй (17) выходной транзистор, база которого подключена к коллектору второго (4) входного транзистора, коллектор соединен с шиной второго (12) источника питания, а эмиттер соединен со вторым (18) выходом устройства и через шестой (19) токостабилизирующий двухполюсник подключен к шине первого (8) источника питания. Первый (1) и второй (2) токовые входы устройства подключены к эмиттерам соответствующих первого (3) и второго (4) входных транзисторов, между первым (15) и вторым (18) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (20) и второй (21) дополнительные резисторы, общий узел которых соединен с базами первого (3) и второго (4) входных транзисторов, между эмиттерами первого (5) и второго (6) вспомогательных транзисторов включены последовательно соединенные третий (22) и четвертый (23) дополнительные резисторы, общий узел которых связан с коллектором первого (24) дополнительного транзистора, эмиттер которого связан с общей шиной (25) первого (8) и второго (12) источников питания, а база соединена с общим узлом пятого (26) и шестого (27) последовательно соединенных дополнительных резисторов, включенных между первым (1) и вторым (2) токовыми входами устройства. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в системах обработки оптической информации, датчиках оптических излучений малой интенсивности, измерителях оптических сигналов в физике высоких энергий и т.п.

В задачах выделения оптических сигналов сегодня широко используются преобразователи выходных токов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей в выходное напряжение, реализуемые на основе каскадов с низким входным сопротивлением - так называемых трансрезистивных усилителей (ТРУ) [1-10]. Их основной параметр - сопротивление передачи R₀, определяет усилительные свойства ТРУ:

u_вых - i_вых-R₀,

где i_вх, u_вых - входной ток и выходное напряжение ТРУ.

В зависимости от численных значений i_вх=i_вх._max схема ТРУ должна допускать изменение (по усмотрению разработчика) величины R₀ в широких пределах без изменения статического режима активных элементов.

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является преобразователь сигналов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей, представленный в монографии «Элементная база радиационно-стойких информационно-измерительных систем / Н.Н.Прокопенко, О.В.Дворников, С.Г.Крутчинский; под общ. ред. д.т.н. проф. Н.Н. Прокопенко - Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. - С.22, рис.1.12». Он содержит первый 1 и второй 2 токовые входы устройства, первый 3 и второй 4 входные транзисторы с объединенными базами, первый 5 и второй 6 вспомогательные транзисторы, базы которых соединены со вспомогательным источником напряжения 7, эмиттеры подключены к шине первого 8 источника питания через соответствующие первый 9 и второй 10 токостабилизирующие двухполюсники, а коллекторы соединены с соответствующими эмиттерами первого 3 и второго 4 входных транзисторов, третий 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной второго 12 источника питания и коллектором первого 3 входного транзистора, четвертый 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной второго 12 источника питания и коллектором второго 4 входного транзистора, первый 14 выходной транзистор, база которого подключена к коллектору первого 3 входного транзистора, коллектор соединен с шиной второго 12 источника питания, а эмиттер связан с первым 15 выходом устройства и через пятый 16 токостабилизирующий двухполюсник подключен к шине первого 8 источника питания, второй 17 выходной транзистор, база которого подключена к коллектору второго 4 входного транзистора, коллектор соединен с шиной второго 12 источника питания, а эмиттер соединен со вторым 18 выходом устройства и через шестой 19 токостабилизирующий двухполюсник подключен к шине первого 8 источника питания.

Существенный недостаток известного трансрезистивного усилителя-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает широкий диапазон изменения сопротивления передачи Rq. Кроме этого его выходное синфазное напряжение при высокоомных токостабилизирующих двухполюсниках 11 и 13 нестабильно и его уровень существенно отличается от нуля. Данное обстоятельство затрудняет согласование ТРУ с последующим каскадом обработки оптических сигналов.

Основная задача предлагаемого изобретения состоит в расширении допустимого диапазона изменения сопротивления передачи R₀ трансрезистивного усилителя, которое определяется в заявляемой схеме численными значениями сопротивления вспомогательного резистора 28, не влияющего на статический режим транзисторов схемы.

Дополнительная задача - введение общей отрицательной обратной связи, обеспечивающей стабилизацию выходного синфазного напряжения ТРУ и его нулевое значение.

Поставленная задача решается тем, что в трансрезистивном усилителе с парафазным выходом для преобразования сигналов лавинных фотодиодов фиг.1, содержащем первый 1 и второй 2 токовые входы устройства, первый 3 и второй 4 входные транзисторы с объединенными базами, первый 5 и второй 6 вспомогательные транзисторы, базы которых соединены со вспомогательным источником напряжения 7, эмиттеры подключены к шине первого 8 источника питания через соответствующие первый 9 и второй 10 токостабилизирующие двухполюсники, а коллекторы соединены с соответствующими эмиттерами первого 3 и второго 4 входных транзисторов, третий 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной второго 12 источника питания и коллектором первого 3 входного транзистора, четвертый 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной второго 12 источника питания и коллектором второго 4 входного транзистора, первый 14 выходной транзистор, база которого подключена к коллектору первого 3 входного транзистора, коллектор соединен с шиной второго 12 источника питания, а эмиттер связан с первым 15 выходом устройства и через пятый 16 токостабилизирующий двухполюсник подключен к шине первого 8 источника питания, второй 17 выходной транзистор, база которого подключена к коллектору второго 4 входного транзистора, коллектор соединен с шиной второго 12 источника питания, а эмиттер соединен со вторым 18 выходом устройства и через шестой 19 токостабилизирующий двухполюсник подключен к шине первого 8 источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - первый 1 и второй 2 токовые входы устройства подключены к эмиттерам соответствующих первого 3 и второго 4 входных транзисторов, между первым 15 и вторым 18 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 20 и второй 21 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен с базами первого 3 и второго 4 входных транзисторов, между эмиттерами первого 5 и второго 6 вспомогательных транзисторов включены последовательно соединенные третий 22 и четвертый 23 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с коллектором первого 24 дополнительного транзистора, эмиттер которого связан с общей шиной 25 первого 8 и второго 12 источников питания, а база соединена с общим узлом пятого 26 и шестого 27 последовательно соединенных дополнительных резисторов, включенных между первым 1 и вторым 2 токовыми входами устройства.

На чертеже фиг.1 представлена схема усилителя-прототипа, а на чертеже фиг.2 - схема заявляемого устройства в соответствии с пп.1-2 формулы изобретения.

На чертеже фиг.3 представлена схема фиг.2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП НПП «Пульсар».

На чертеже фиг.4 показана частотная зависимость сопротивления передачи (R₀) ТРУ фиг.2 при разных значениях сопротивления вспомогательного резистора 28 R₂₈=R₇=R₀=R_var=0,l÷100 кОм.

Трансрезистивный усилитель с парафазным выходом для преобразования сигналов лавинных фотодиодов фиг.2 содержит первый 1 и второй 2 токовые входы устройства, первый 3 и второй 4 входные транзисторы с объединенными базами, первый 5 и второй 6 вспомогательные транзисторы, базы которых соединены со вспомогательным источником напряжения 7, эмиттеры подключены к шине первого 8 источника питания через соответствующие первый 9 и второй 10 токостабилизирующие двухполюсники, а коллекторы соединены с соответствующими эмиттерами первого 3 и второго 4 входных транзисторов, третий 11 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной второго 12 источника питания и коллектором первого 3 входного транзистора, четвертый 13 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной второго 12 источника питания и коллектором второго 4 входного транзистора, первый 14 выходной транзистор, база которого подключена к коллектору первого 3 входного транзистора, коллектор соединен с шиной второго 12 источника питания, а эмиттер связан с первым 15 выходом устройства и через пятый 16 токостабилизирующий двухполюсник подключен к шине первого 8 источника питания, второй 17 выходной транзистор, база которого подключена к коллектору второго 4 входного транзистора, коллектор соединен с шиной второго 12 источника питания, а эмиттер соединен со вторым 18 выходом устройства и через шестой 19 токостабилизирующий двухполюсник подключен к шине первого 8 источника питания. Первый 1 и второй 2 токовые входы устройства подключены к эмиттерам соответствующих первого 3 и второго 4 входных транзисторов, между первым 15 и вторым 18 выходами устройства включены последовательно соединенные первый 20 и второй 21 дополнительные резисторы, общий узел которых соединен с базами первого 3 и второго 4 входных транзисторов, между эмиттерами первого 5 и второго 6 вспомогательных транзисторов включены последовательно соединенные третий 22 и четвертый 23 дополнительные резисторы, общий узел которых связан с коллектором первого 24 дополнительного транзистора, эмиттер которого связан с общей шиной 25 первого 8 и второго 12 источников питания, а база соединена с общим узлом пятого 26 и шестого 27 последовательно соединенных дополнительных резисторов, включенных между первым 1 и вторым 2 токовыми входами устройства.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между коллекторами первого 3 и второго 4 входных транзисторов включен вспомогательный резистор 28.

Рассмотрим работу схемы фиг.2 для случая, когда на вход Bx.i₁(l) подается ток 1вхЛ от фотодиода, а второй вход (Bx.i₂) не используется.

Изменение входного тока ТРУ вызывает соответствующее изменение эмиттерного и коллекторного тока транзистора 3:

$$i_{к3}\approx i_{э3}\approx i_{в3}\text{ (1) }$$

Приращение коллекторного тока транзистора 3 передается в нагрузку 28 и вызывает (за счет отрицательной обратной связи) соответствующее изменение выходного дифференциального напряжения ТРУ:

$$u_{вых}\approx R_{28}{i}_{вх}.\text{ (2)}$$

Таким образом, сопротивление передачи заявляемого ТРУ (R₀) определяется величиной сопротивления вспомогательного резистора 28, не влияющего на статический режим схемы в широком диапазоне изменения R2s:

$$u_{вых}\approx R_{28}=0÷\infty \text{ (3)}$$

Результаты моделирования схемы фиг.3 подтверждают эффект существенного расширения допустимого диапазона изменения сопротивления передачи R₀ ТРУ, которое обеспечивается без изменения статического режима транзисторов (фиг.4). Кроме этого в схеме фиг.3 устанавливается нулевой уровень выходного синфазного напряжения, который оказывается достаточно стабильным в условиях температурных и радиационных воздействий благодаря отрицательной обратной связи по синфазному сигналу.

Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение трансрезистивного усилителя сигналов характеризуется широким диапазоном регулировки усилительного параметра R₀ (например, от -20 дБ до 60 дБ), что является его существенным преимуществом в сравнении с прототипом.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Патент US 6.590.455 fig. 1.

2. Патент US 6.069.534 fig. 6.

3. Патент US 6.801.084.

4. Патент US 6.218.905.

5. Патент US 6.639.477 fig. 3В.

6. Патент US 6.809.594 fig. 1.

7. Патент US 5.714.909 fig. 2.

8. Патент US 7.042.295.

9. Патент US 4.511.857 fig. 3а.

10.Патент US 5.345.073 fig. 3.

1. Трансрезистивный усилитель с парафазным выходом для преобразования сигналов лавинных фотодиодов, содержащий первый (1) и второй (2) токовые входы устройства, первый (3) и второй (4) входные транзисторы с объединенными базами, первый (5) и второй (6) вспомогательные транзисторы, базы которых соединены со вспомогательным источником напряжения (7), эмиттеры подключены к шине первого (8) источника питания через соответствующие первый (9) и второй (10) токостабилизирующие двухполюсники, а коллекторы соединены с соответствующими эмиттерами первого (3) и второго (4) входных транзисторов, третий (11) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной второго (12) источника питания и коллектором первого (3) входного транзистора, четвертый (13) токостабилизирующий двухполюсник, включенный между шиной второго (12) источника питания и коллектором второго (4) входного транзистора, первый (14) выходной транзистор, база которого подключена к коллектору первого (3) входного транзистора, коллектор соединен с шиной второго (12) источника питания, а эмиттер связан с первым (15) выходом устройства и через пятый (16) токостабилизирующий двухполюсник подключен к шине первого (8) источника питания, второй (17) выходной транзистор, база которого подключена к коллектору второго (4) входного транзистора, коллектор соединен с шиной второго (12) источника питания, а эмиттер соединен со вторым (18) выходом устройства и через шестой (19) токостабилизирующий двухполюсник подключен к шине первого (8) источника питания, отличающийся тем, что первый (1) и второй (2) токовые входы устройства подключены к эмиттерам соответствующих первого (3) и второго (4) входных транзисторов, между первым (15) и вторым (18) выходами устройства включены последовательно соединенные первый (20) и второй (21) дополнительные резисторы, общий узел которых соединен с базами первого (3) и второго (4) входных транзисторов, между эмиттерами первого (5) и второго (6) вспомогательных транзисторов включены последовательно соединенные третий (22) и четвертый (23) дополнительные резисторы, общий узел которых связан с коллектором первого (24) дополнительного транзистора, эмиттер которого связан с общей шиной (25) первого (8) и второго (12) источников питания, а база соединена с общим узлом пятого (26) и шестого (27) последовательно соединенных дополнительных резисторов, включенных между первым (1) и вторым (2) токовыми входами устройства.

2. Трансрезистивный усилитель с парафазным выходом для преобразования сигналов лавинных фотодиодов по п.1, отличающийся тем, что между коллекторами первого (3) и второго (4) входных транзисторов включен вспомогательный резистор (28).