ES2334868B2 - LINEAR ROBOT VARIABLE GAIN PHOTOMETER. - Google Patents
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Abstract
Fotómetro lineal robusto de ganancia variable.Robust linear gain photometer variable.
La presente invención se refiere a un nuevo circuito fotométrico lineal robusto de ganancia variable basado en compensaciones retroactivas tanto positiva como negativa. Aquí, el amplificador de transimpedancia utilizado para convertir la fotocorriente en tensión es compensado con retroacción positiva, con el objetivo de hacer que el circuito multilazo robustezca la fotocorriente, compensado las variaciones de corriente que atraviesan el fotodiodo mientras mantiene a cero la caída de tensión entre sus terminales. El nuevo dispositivo fotométrico es robusto frente a variaciones e incertidumbres en los parámetros de los fotodiodos y frente a variaciones en las condiciones ambientales, tales como variaciones de temperatura durante el proceso de medición, disminuyendo considerablemente la desviación de la señal de salida desde el valor verdadero de medida frente a incertidumbres paramétricas y a efectos no deseados debidos a la dinámica no modelada que se manifiestan como ruido de medida.The present invention relates to a new robust linear variable gain photometric circuit based on retroactive compensation both positive and negative. Here the transimpedance amplifier used to convert the voltage photocurrent is compensated with positive feedback, with the objective of making the multi-link circuit strengthen the photocurrent, compensated for current variations that cross the photodiode while keeping the voltage drop to zero between its terminals The new photometric device is robust against variations and uncertainties in the parameters of the photodiodes and against variations in environmental conditions, such as temperature variations during the process of measurement, significantly decreasing signal deviation output from the true measured value against uncertainties parametric and unwanted effects due to the dynamics not modeled that manifest as measurement noise.
Description
Fotómetro lineal robusto de ganancia variable.Robust linear gain photometer variable.
La invención se encuadra en el sector técnico de tecnología electrónica, más concretamente en el relativo al diseño de circuitos y dispositivos fotoeléctricos (fotómetros).The invention falls within the technical sector of electronic technology, more specifically in relation to design of circuits and photoelectric devices (photometers).
Actualmente, dentro del desarrollo de dispositivos lineales para medir intensidad de luz utilizando fotodiodos, el método físico básico de medida que más se emplea es el del amplificador de transimpedancia. Dicho dispositivo de medida se basa en conectar un fotodiodo entre los terminales de entrada negativa y positiva de un amplificador operacional y aplicar retroalimentación negativa al amplificador; de esta forma la relación entre la tensión de salida del amplificador y la corriente fotogenerada que circula a través del fotodiodo depende de la retroalimentación negativa (pasiva o activa) aplicada al amplificador operacional. Esta configuración de amplificador de transimpedancia es un conversor corriente-tensión.Currently, within the development of linear devices to measure light intensity using photodiodes, the most commonly used basic physical method of measurement is that of the transimpedance amplifier. Said measuring device It is based on connecting a photodiode between the input terminals negative and positive of an operational amplifier and apply negative feedback to the amplifier; in this way the relationship between amplifier output voltage and current photogenerated that circulates through the photodiode depends on the negative feedback (passive or active) applied to operational amplifier This amplifier configuration of transimpedance is a converter current-voltage
Los dispositivos basados en el circuito descrito arriba tienen varias ventajas, donde es importante destacar que si la retroalimentación negativa es lineal, entonces la tensión de salida de dispositivo en función de la corriente fotogenerada es lineal, porque se fuerza a que la tensión entre el ánodo y el cátodo del fotodiodo sea constante (en concreto, cero) y, por tanto, que la respuesta del mismo sea sólo por corriente, siendo esta corriente la corriente de cortocircuito. Los dispositivos fotodetectores basados en este principio de medida han demostrado hasta la fecha ser los más eficientes y fiables en cuanto a la realización de medidas lineales de la intensidad de luz. Por lo que son los más utilizados hasta la fecha en fotómetros para realizar este tipo de medidas.The devices based on the described circuit They have several advantages above, where it is important to highlight that if the negative feedback is linear, then the voltage of device output depending on the photogenerated current is linear, because it forces the tension between the anode and the cathode of the photodiode is constant (specifically, zero) and, for so much, that the answer of the same one is only by current, being This current is the short circuit current. The devices Photodetectors based on this measurement principle have demonstrated to date be the most efficient and reliable in terms of realization of linear measurements of light intensity. So that they are the most used to date in photometers to perform This type of measures.
Ejemplos de fabricantes de dispositivos electrónicos y circuitos integrados que diseñan fotodiodos y circuitos de acondicionamiento de señal, los cuales pueden venir integrados dentro del mismo chip, para fotodiodos utilizando el amplificador de transimpedancia explicado anteriormente, son Burr-Brown, Texas Instruments, Analog Devices, GIGA, Sipex Corporation e Integrated Photomatrix Limited.Examples of device manufacturers electronic and integrated circuits that design photodiodes and signal conditioning circuits, which may come integrated into the same chip, for photodiodes using the transimpedance amplifier explained above, are Burr-Brown, Texas Instruments, Analog Devices, GIGA, Sipex Corporation and Integrated Photomatrix Limited.
Además, en la literatura sobre principios físicos de medida con fotodiodos se pueden encontrar varios circuitos básicos. En concreto, ejemplos de circuitos básicos de medida reportados hasta el momento en la literatura científica y que tienen relación con el inventado en esta patente, son los siguientes:In addition, in the literature on principles measurement physicists with photodiodes can be found several basic circuits Specifically, examples of basic circuits of measure reported so far in the scientific literature and that are related to the one invented in this patent, are the following:
- 1)one)
- Circuito fotométrico basado en un amplificador operacional con retroalimentación negativa, un fotodiodo y dos resistores. En este circuito el ánodo del fotodiodo está conectado al terminal de entrada negativo del amplificador operacional y el cátodo del fotodiodo está conectado a un nodo formado por la unión de un resistor cuyo otro terminal está conectado al terminal de salida del amplificador operacional, y de otro resistor cuyo segundo terminal está conectado a tierra. Además, el terminal de entrada positiva del amplificador operacional está conectado a tierra.Photometric circuit based on a Operational amplifier with negative feedback, a photodiode and two resistors. In this circuit the anode of the photodiode is connected to the amplifier's negative input terminal operational and the cathode of the photodiode is connected to a node formed by the union of a resistor whose other terminal is connected to the output terminal of the operational amplifier, and of another resistor whose second terminal is grounded. In addition, the positive input terminal of the amplifier Operational is grounded.
- Esta configuración tiene dos problemas fundamentales. El primero es que aquí la señal de salida varía de forma no-lineal en función de la intensidad de luz, y el segundo que la sensibilidad a la variación de los parámetros eléctricos del fotodiodo es grande.This Configuration has two fundamental problems. The first is that here the output signal varies non-linearly in function of light intensity, and the second that sensitivity to The variation of the electrical parameters of the photodiode is big.
- Comparación con el circuito fotométrico presentado en esta patente: Comparison with the photometric circuit presented in this patent :
- El circuito fotométrico presentado en esta patente está formado por un amplificador operacional con retroalimentación negativa y positiva, un fotodiodo y cuatro resistores, los cuales pudieran tener algún condensador en paralelo en caso de necesidad.The circuit photometric presented in this patent is formed by a Operational amplifier with negative and positive feedback, a photodiode and four resistors, which could have some parallel capacitor if necessary.
- El circuito objeto de la presente patente es un fotómetro lineal robusto de ganancia variable caracterizado por contener un fotodiodo cuya operación es controlada por un amplificador operacional con retroalimentaciones negativa y positiva, que impone una caída de tensión fija entre los terminales del fotodiodo (es decir, el ánodo y el cátodo del fotodiodo) y que lo fuerza a trabajar en modo corriente para cualquier rango de longitudes de ondas. El fotodiodo se ubica directamente entre el terminal de entrada positivo del amplificador operacional y el terminal de entrada negativa del amplificador operacional, con el ánodo del fotodiodo conectado al terminal de entrada positiva y el cátodo conectado al terminal de entrada negativa. Por lo que el fotodiodo no se encuentra conectado directamente a tierra.The circuit object of the present patent is a robust linear photometer of variable gain characterized by containing a photodiode whose operation is controlled by an operational amplifier with negative and positive feedback, which imposes a fall of fixed voltage between the photodiode terminals (i.e. the anode and the cathode of the photodiode) and that forces it to work in mode current for any range of wavelengths. The photodiode It is located directly between the positive input terminal of the operational amplifier and the negative input terminal of the operational amplifier, with the anode of the photodiode connected to the positive input terminal and cathode connected to the terminal negative input So the photodiode is not connected directly to ground.
- Además, la retroalimentación negativa esta formada por una red que se conecta entre el cátodo del fotodiodo y la tierra del circuito fotométrico, y otra red que se conecta entre el cátodo del fotodiodo y la salida del amplificador. También, la retroalimentación positiva esta formada por una red que se conecta entre el ánodo del fotodiodo y la salida del amplificador operacional, y otra red que se conecta entre el ánodo del fotodiodo y la tierra del circuito fotométrico.Besides, the negative feedback is formed by a network that connects between the cathode of the photodiode and the earth of the photometric circuit, and another network that connects between the cathode of the photodiode and the output of the amplifier. Also, the positive feedback is formed by a network that connects between the anode of the photodiode and the output of the operational amplifier, and another network that connects between the anode of the photodiode and the circuit ground photometric.
- Por último, el fotómetro lineal robusto presentado en la presente patente también está caracterizado porque la ganancia del circuito fotométrico se puede variar de forma lineal variando los valores de las ganancias de los lazos de retroalimentación sin necesidad de conectar en cascada otras etapas amplificadoras. Si las redes que forman los lazos de retroalimentación están formadas por elementos activos, la ganancia del fotómetro se puede variar variando la ganancia de dichas redes. Si las redes están formadas por elementos pasivos, la ganancia del fotómetro se puede variar trabajando con redes pasivas de impedancia variable.Finally, the robust linear photometer presented in this patent also It is characterized in that the gain of the photometric circuit is may vary linearly by varying the values of earnings of feedback loops without connecting to cascade other amplifying stages. If the networks that form the Feedback loops are formed by active elements, the Photometer gain can be varied by varying the gain of such networks. If the networks are made up of passive elements, the Photometer gain can be varied by working with passive networks of variable impedance.
- En la invención presentada en esta patente los dos problemas (entre otros) que tiene la configuración eléctrica del circuito fotométrico mencionado en el apartado 1) son resueltos satisfactoriamente. En concreto, la señal de salida del circuito fotométrico presentado en esta patente es ultra-lineal y dicho circuito es prácticamente inmune a las variaciones en los parámetros del fotodiodo. Además, la estabilidad térmica del circuito objeto de la presente invención es mucho mejor que la del circuito con el cual se está comparando.In the invention filed in this patent the two problems (among others) that it has the electrical configuration of the photometric circuit mentioned in Section 1) are satisfactorily resolved. Specifically, the output signal of the photometric circuit presented in this patent it is ultra-linear and said circuit is practically immune to variations in photodiode parameters. Further, the thermal stability of the circuit object of the present invention is much better than the circuit with which you are comparing.
- 2)2)
- Circuito fotométrico basado en un conversor corriente-tensión formado por un amplificador operacional, un fotodiodo y un resistor, el cual pudiera estar en paralelo con un condensador. En este circuito el cátodo del fotodiodo conectado al terminal de entrada negativa del amplificador operacional y el ánodo del fotodiodo conectado a tierra. Además, el terminal de entrada positiva del amplificador operacional está conectado a tierra y su terminal de entrada negativa está conectado a un nodo formado por la unión del resistor, el cual pudiera estar en paralelo con un condensador, de retroalimentación negativa y el cátodo del fotodiodo.Photometric circuit based on a current-voltage converter formed by a operational amplifier, a photodiode and a resistor, which It could be in parallel with a capacitor. In this circuit the cathode of the photodiode connected to the negative input terminal of the operational amplifier and the anode of the photodiode connected to land. In addition, the positive input terminal of the amplifier Operational is grounded and its input terminal negative is connected to a node formed by the union of resistor, which could be in parallel with a capacitor, of Negative feedback and cathode of the photodiode.
- Esta configuración tiene varios problemas eléctricos. En primer lugar, la sensibilidad a la variación de los parámetros eléctricos del fotodiodo es muy grande. En segundo lugar, como el fotodiodo no se encuentra formando parte del lazo de retroalimentación, éste está ubicado en lazo abierto y cualquier variación o incertidumbre en sus parámetros eléctricos afecta considerablemente la respuesta de salida del circuito. Por último, la estabilidad térmica de este circuito no es muy buena.This Configuration has several electrical problems. First, the sensitivity to the variation of the electrical parameters of the Photodiode is very large. Second, as the photodiode is not is part of the feedback loop, this one is located in open loop and any variation or uncertainty in its electrical parameters significantly affect the response of circuit output Finally, the thermal stability of this Circuit is not very good.
- Comparación con el circuito fotométrico presentado en esta patente: Comparison with the photometric circuit presented in this patent :
- En la invención presentada en esta patente los problemas planteados en el párrafo anterior son resueltos satisfactoriamente. En concreto, el circuito presentado en esta patente es prácticamente inmune a las variaciones en los parámetros del fotodiodo y su estabilidad térmica es mucho mejor que la del circuito con el cual se compara arriba.In the invention presented in this patent the problems raised in the paragraph Above are satisfactorily resolved. Specifically, the circuit presented in this patent is practically immune to variations in photodiode parameters and their stability thermal is much better than the circuit with which it compares above.
- 3)3)
- Circuito fotométrico basado en un conversor corriente-tensión formado por dos amplificadores operacionales formando un amplificador compuesto, un fotodiodo, dos o tres resistores y un condensador. Este circuito es igual al típico conversor corriente-tensión explicado arriba con la diferencia de que en vez de trabajar con un único amplificador operacional se trabaja con dos amplificadores operacionales formando un amplificador compuesto, uno de los amplificadores operacionales se emplea como amplificador de entrada en lazo abierto con el terminal de entrada negativa conectado a tierra y el terminal de entrada positiva conectado al cátodo del fotodiodo, y el otro amplificador operacional se pone en cascada con el primero en configuración de integrador. Además, en este circuito el lazo de retroalimentación negativa global va desde la salida del integrador hasta la entrada positiva del primer amplificador operacional. El integrador lo forman con dos resistores y un condensador.Photometric circuit based on a current-voltage converter consisting of two operational amplifiers forming a composite amplifier, a photodiode, two or three resistors and a capacitor. This circuit is equal to the typical current-voltage converter explained above with the difference that instead of working with a single operational amplifier works with two amplifiers operational forming a composite amplifier, one of the Operational amplifiers are used as input amplifier in open loop with the negative input terminal connected to ground and the positive input terminal connected to the cathode of the photodiode, and the other operational amplifier is cascaded with the first in integrator configuration. Also, in this circuit the global negative feedback loop goes from the Integrator output until the positive input of the first operational amplifier The integrator is formed with two resistors and a capacitor.
- Este circuito tiene los mismos problemas que el conversor corriente-tensión explicado arriba, lo único que su respuesta frente al ruido es mejor.This circuit It has the same problems as the converter current-voltage explained above, the only thing that your response to noise is better.
- Comparación con el circuito fotométrico presentado en esta patente: Comparison with the photometric circuit presented in this patent :
- Teniendo en cuenta la información dada en párrafos anteriores sobre el circuito presentado en esta patente, el circuito fotométrico objeto de la presente patente soluciona los problemas que presenta el conversor corriente-tensión explicado en el párrafo anterior.Having in counts the information given in previous paragraphs about the circuit presented in this patent, the photometric circuit object of the This patent solves the problems presented by the converter current-voltage explained in paragraph previous.
- 4)4)
- Circuito fotométrico formado por un conversor corriente-tensión basado en un amplificador operacional, un fotodiodo y tres resistores. Este circuito es similar al conversor corriente-tensión explicado en el apartado 2), pero aquí ni el ánodo del fotodiodo ni el terminal positivo del amplificador operacional están conectados a tierra, sino que ambos están conectados a un resistor (resistor 1) cuyo otro terminal está conectado a tierra. Por lo que solo hay una retroalimentación negativa aplicada el amplificador operacional, implementada poniendo un resistor (resistor 2) entre la salida del amplificador operacional y su entrada negativa, y el otro resistor (resistor 3) entre la entrada negativa del amplificador operacional y tierra.Photometric circuit formed by a current-voltage converter based on a Operational amplifier, a photodiode and three resistors. This circuit is similar to current-voltage converter explained in section 2), but here neither the anode of the photodiode nor the positive terminal of the operational amplifier are connected to ground, but both are connected to a resistor (resistor 1) whose other terminal is grounded. So there is only one negative feedback applied the operational amplifier, implemented by putting a resistor (resistor 2) between the output of the operational amplifier and its negative input, and the other resistor (resistor 3) between the negative input of the operational amplifier and earth.
- Este circuito tiene el problema de que su rechazo al ruido de alta frecuencia es muy bajo, además es muy sensible a perturbaciones e incertidumbres en los parámetros del fotodiodo.This circuit he has the problem that his rejection of high frequency noise is very low, it is also very sensitive to disturbances and uncertainties in the parameters of the photodiode.
- Comparación con el circuito fotométrico presentado en esta patente: Comparison with the photometric circuit presented in this patent :
- En la invención presentada en esta patente los dos problemas planteados en el párrafo anterior son resueltos satisfactoriamente. Además, la estabilidad térmica del circuito presentado en esta patente es mucho mejor que la del circuito con el cual se compara en los dos párrafos anteriores.In the invention presented in this patent the two problems raised in the Previous paragraph are satisfactorily resolved. Besides, the thermal stability of the circuit presented in this patent is much better than the circuit with which it compares in both previous paragraphs.
- 5)5)
- Por último, otro circuito fotométrico que tiene relación con el presentado en esta patente y que vale la pena mencionar, es el formado por el típico amplificador de instrumentación basado en tres amplificadores operacionales, dos amplificadores operacionales en la etapa de entrada y el otro formando el restador de salida.By Finally, another photometric circuit that is related to the presented in this patent and worth mentioning, is the formed by the typical instrumentation amplifier based on three operational amplifiers, two operational amplifiers at the entrance stage and the other forming the subtractor of exit.
- Aquí, el fotodiodo está ubicado entre los terminales de entrada negativa de los dos primeros amplificadores operacionales, y los terminales de entrada positiva de dichos amplificadores operacionales están conectados a tierra. Además, para formar los respectivos conversores corriente-tensión, se conecta un resistor entre el terminal de salida y el terminal de entrada negativa de cada uno de los dos amplificadores operacionales de la etapa de entrada del amplificador de instrumentación.Here the photodiode is located between the negative input terminals of the first two operational amplifiers, and the terminals of positive input of said operational amplifiers are grounded In addition, to form the respective current-voltage converters, a resistor between the output terminal and the input terminal negative of each of the two operational amplifiers of the input stage of the instrumentation amplifier.
- De esta forma, los componentes pasivos que forman el circuito básico de medida son los siguientes: dos resistores para la etapa de entrada y cuatro resistores para la etapa de salida, formada por el amplificador restador.Thus, The passive components that make up the basic measurement circuit are the following: two resistors for the input stage and four resistors for the output stage, formed by the amplifier receiver.
- Este circuito tiene el problema de que la sensibilidad de la salida a las variaciones e incertidumbres en los parámetros del fotodiodo es grande y su estabilidad térmica no es muy buena.This circuit has the problem that the sensitivity of the output at variations and uncertainties in the photodiode parameters is Large and its thermal stability is not very good.
- Comparación con el circuito fotométrico presentado en esta patente: Comparison with the photometric circuit presented in this patent :
- Como bien se ha comentado en párrafos anteriores, en la invención presentada en esta patente los dos problemas planteados en el párrafo anterior son resueltos satisfactoriamente.How well it has been discussed in previous paragraphs, in the invention presented in this patent the two problems raised in the previous paragraph are satisfactorily resolved.
Existen también otros circuitos fotométricos que realizan la medición de la intensidad de luz incidente sobre el fotodiodo utilizando otros modos de medida diferentes a los descritos como los expuestos en publicaciones de Burr-Brown, M. Jonson, J. Graeme y R. Pallas-Areny & J. G. Webster.There are also other photometric circuits that perform the measurement of the intensity of light incident on the photodiode using other measurement modes other than described as those exposed in publications of Burr-Brown, M. Jonson, J. Graeme and R. Pallas-Areny & J. G. Webster.
Diversas patentes diseñan sistemas basados en circuitos fotométricos donde el elemento básico sensor es el fotodiodo conectado al amplificador de transimpedancia:Various patents design systems based on photometric circuits where the basic sensor element is the photodiode connected to the transimpedance amplifier:
En la patente "regulación automática de enfoque" con número de publicación ES 2 064 763, se describe un circuito de regulación de enfoque para un dispositivo de exploración óptico, en el cual un haz luminoso se lleva con la ayuda de un circuito de regulación de pistas a lo largo de las pistas de datos wobuladas en una frecuencia media de un soporte de registro en forma de disco, se enfoca sobre el soporte de registro mediante el circuito de regulación de enfoque y es reflejado por el soporte de registro sobre un fotodetector de cuatro cuadrantes. La relación entre esta patente y la presentada aquí es muy poca. En concreto, la patente ES 2 064 763 se basa en un circuito de regulación de enfoque caracterizado por trabajar las señales de salida de dos parejas de fotodiodos.In the patent "automatic regulation of approach "with publication number ES 2 064 763, a focus regulation circuit for a scanning device optical, in which a light beam is carried with the help of a track regulation circuit along data tracks wobuladas in a medium frequency of a record holder in form disk, focuses on the record carrier through the focus regulation circuit and is reflected by the support of registration on a four quadrant photodetector. The relationship Between this patent and the one presented here is very little. Specifically, the Patent ES 2 064 763 is based on a focus regulation circuit characterized by working the output signals of two pairs of photodiodes
En la patente "dispositivo para la detección automática de defectos en lentes oftálmicas" ES 2 143 944, el fotómetro que utilizan es convencional. En concreto, no patentan el fotómetro, sino un dispositivo para la detección automática de defectos en lentes oftálmicas.In the patent "device for detection automatic defect in ophthalmic lenses "ES 2 143 944, the Photometer they use is conventional. Specifically, they do not patent the photometer, but a device for automatic detection of defects in ophthalmic lenses.
El objeto de la patente "goniómetro de doble reflexión" ES 2 187 384 es el diseño de un goniofotómetro destinado para medir en modo automático el flujo luminoso de luminarias, con una realización que permite que las dimensiones del sistema sean mínimas, al plegar mediante reflexión el cono formado por la radiación de la luminaria. El goniofotómetro consta de un sistema óptico-fotométrico (detector-filtro fotométrico-diagras-amplificador), montado sobre un sistema posicionador que le permite el movimiento relativo con respecto a la fuente luminosa o luminaria que se desea evaluar.The object of the patent "double goniometer reflection "ES 2 187 384 is the design of a goniophotometer intended to automatically measure the luminous flux of luminaires, with an embodiment that allows the dimensions of the system be minimal, by folding the cone formed by reflection by the radiation of the luminaire. The goniophotometer consists of a optical photometric system (detector-filter photometric-diagras-amplifier), mounted on a positioning system that allows movement relative to the desired light source or luminaire evaluate.
El circuito fotométrico mostrado en la patente "Solid state photometer circuit" (United States Patent 4689305) está formado por una fuente de emisión bioluminiscente, un primer amplificador operacional en la configuración clásica de conversor corriente-tensión, un segundo amplificador operación en configuración de integrador y un interruptor para conectar o desconectar la salida del primer amplificador operacional con la entrada del integrador según convenga, con el objetivo de obtener un salida proporcional a la emisión de la fuente bioluminiscente.The photometric circuit shown in the patent "Solid state photometer circuit" (United States Patent 4689305) It is formed by a source of bioluminescent emission, a first Operational amplifier in the classic converter configuration current-voltage, a second amplifier operation in integrator configuration and a switch for connect or disconnect the output of the first operational amplifier with the integrator input as appropriate, with the objective of obtain an output proportional to the emission of the source bioluminescent
En la patente "Multifunctional photometer apparatus" (United States Patent 5825478), se diseña un fotómetro, para aplicaciones en análisis químicos, con el objetivo de medir la absorción de radiación electromagnética en una muestra de forma simultánea a múltiples longitudes de ondas. Aquí, los circuitos detectores de luz son conversores corriente-tensión convencionales, como los explicados en páginas anteriores. Además, las salidas de los conversores son enviadas a restadores y las señales resultantes son acondicionadas electrónicamente y enviadas a un controlador proporcional-integral-derivativo. Las señales resultantes son tratadas y convertidas en mediciones de absorción de radiación electromagnética en muestras.In the patent "Multifunctional photometer apparatus "(United States Patent 5825478), a design is designed photometer, for chemical analysis applications, with the objective of measuring the absorption of electromagnetic radiation in a sample simultaneously at multiple wavelengths. Here, the light detector circuits are converters conventional current-voltage, such as explained in previous pages. In addition, the outputs of the converters are sent to subtractors and the resulting signals are electronically conditioned and sent to a controller proportional-integral-derivative. The resulting signals are treated and converted into measurements of absorption of electromagnetic radiation in samples.
Y, por último, en la patente "Light measuring
aparatos and colorimeter" (United States Patent 6462819) los
dispositivos fotodetectores son fotodiodos y la conversión también
se realiza mediante conversores corriente-tensión
convencionales. Las salidas de estos conversores son multiplexadas,
amplificadas, convertidas a señales digitales mediante un conversor
analógico-digital y enviadas a un microprocesador,
el cual se encarga de realizar las operaciones matemáticas
necesarias para dar una señal de salida que represente la medición
de la intensidad de luz
incidente.And finally, in the "Light measuring apparatus and colorimeter" (United States Patent 6462819) patent the photodetector devices are photodiodes and the conversion is also carried out by conventional current-voltage converters. The outputs of these converters are multiplexed, amplified, converted to digital signals through an analog-digital converter and sent to a microprocessor, which is responsible for performing the mathematical operations necessary to give an output signal that represents the measurement of the intensity of light
incident.
Sin embargo, debido al tipo de amplificador de transimpedancia que utilizan los circuitos fotométricos comentados arriba, todos están basados en el amplificador de transimpedancia convencional (es decir, conversores corriente-tensión convencionales), éstos tienen los problemas comentados en páginas anteriores. En concreto, no pueden compensar satisfactoriamente la respuesta de salida de tales dispositivos frente a variaciones e incertidumbres en los parámetros de los fotodiodos que llevan incorporados debido a variaciones en la temperatura ambiente y a otras perturbaciones. Por lo que necesitan de una gran cantidad de circuitos de instrumentación (tanto analógica como digital) externa, para poder funcionar en aplicaciones tanto de laboratorio como industriales.However, due to the type of amplifier of transimpedance using the commented photometric circuits above, all are based on the transimpedance amplifier conventional (i.e. converters conventional current-voltage), these have the Problems commented on previous pages. In particular, they cannot satisfactorily compensate for the output response of such devices against variations and uncertainties in parameters of the photodiodes that are incorporated due to variations in ambient temperature and other disturbances. By what they need from a lot of circuits of external instrumentation (both analog and digital), to be able to function in both laboratory and laboratory applications Industrial
El gran problema de los circuitos fotométricos reportados hasta el momento es que en éstos el elemento sensor se encuentra en lazo abierto y no hay ningún lazo de control retroalimentado que garantice prestaciones robustas. Por lo que los dispositivos diseñados hasta el momento no son robustos y la respuesta de salida de los mismos depende fuertemente de las condiciones de trabajo, de la temperatura ambiente y de la calidad de los parámetros del elemento sensor (es decir, de la calidad del fotodiodo).The big problem of photometric circuits reported so far is that in these the sensor element is found in open loop and there is no control loop feedback that guarantees robust performance. So the devices designed so far are not robust and the output response depends strongly on the working conditions, ambient temperature and quality of the parameters of the sensor element (that is, of the quality of the photodiode)
Todo lo anterior es un problema que afecta considerablemente las mediciones cuando se trabaja en ambientes industriales no controlados, introduciendo gran incertidumbre de medida en los dispositivos.All of the above is a problem that affects considerably the measurements when working in environments uncontrolled industrialists, introducing great uncertainty of measure in devices.
Por tanto, la presente invención tiene como objetivo resolver el problema planteado anteriormente, introduciendo un dispositivo sencillo, de bajo coste, de fácil fabricación y de fácil integración en la tecnología actual de fabricación de dispositivos sensores de intensidad de luz, tanto discretos como de circuitos integrados formados por uno o varios fotodiodos y las respectivas etapas de tratamiento de señal incorporadas dentro del mismo circuito integrado.Therefore, the present invention has as aim to solve the problem raised above, introducing a simple, low cost, easy device manufacturing and easy integration into the current technology of manufacture of light intensity sensing devices, both discrete as integrated circuits formed by one or more photodiodes and the respective signal processing stages incorporated into the same integrated circuit.
El circuito objeto de la presente patente es un fotómetro lineal robusto de ganancia variable caracterizado por contener un fotodiodo cuya operación es controlada por un amplificador operacional con retroalimentaciones negativa y positiva, que impone una caída de tensión fija igual a cero voltios entre los terminales del fotodiodo (es decir, el ánodo y el cátodo del fotodiodo), forzando al fotodiodo a trabajar en modo corriente para cualquier rango de longitudes de ondas y garantizando una relación lineal entre la energía de luz recibida y la respuesta del fotodiodo.The circuit object of the present patent is a robust linear variable gain photometer characterized by contain a photodiode whose operation is controlled by a Operational amplifier with negative feedback and positive, which imposes a fixed voltage drop equal to zero volts between the terminals of the photodiode (i.e. the anode and the cathode of the photodiode), forcing the photodiode to work in current mode for any range of wavelengths and guaranteeing a linear relationship between the received light energy and the response of the photodiode
En la presente patente, el fotodiodo se ubica directamente entre el terminal de entrada positivo del amplificador operacional y el terminal de entrada negativa del amplificador operacional, con el ánodo del fotodiodo conectado al terminal de entrada positiva y el cátodo conectado al terminal de entrada negativa. Por lo que el fotodiodo no se encuentra conectado directamente a tierra.In the present patent, the photodiode is located directly between the positive input terminal of the amplifier Operational and amplifier negative input terminal operational, with the anode of the photodiode connected to the terminal positive input and the cathode connected to the input terminal negative. So the photodiode is not connected directly to ground.
Además, la retroalimentación negativa esta formada por una red que se conecta entre el cátodo del fotodiodo y la tierra del circuito fotométrico, y otra red que se conecta entre el cátodo del fotodiodo y la salida del amplificador. También, la retroalimentación positiva esta formada por una red que se conecta entre el ánodo del fotodiodo y la salida del amplificador operacional, y otra red que se conecta entre el ánodo del fotodiodo y la tierra del circuito fotométrico.In addition, the negative feedback is formed by a network that connects between the cathode of the photodiode and the photometric circuit ground, and another network that connects between the cathode of the photodiode and the output of the amplifier. Also, the positive feedback is formed by a network that connects between the anode of the photodiode and the output of the amplifier operational, and another network that connects between the anode of the photodiode and the earth of the photometric circuit.
Por último, el fotómetro lineal robusto presentado en la presente patente también está caracterizado porque la ganancia del circuito fotométrico se puede variar de forma lineal variando los valores de las ganancias de los lazos de retroalimentación sin necesidad de conectar en cascada otras etapas amplificadoras. Si las redes que forman los lazos de retroalimentación están formadas por elementos activos, la ganancia del fotómetro se puede variar variando la ganancia de dichas redes. Si las redes están formadas por elementos pasivos, la ganancia del fotómetro se puede variar trabajando con redes pasivas de impedancia variable.Finally, the robust linear photometer presented in this patent is also characterized in that The gain of the photometric circuit can be varied linearly varying the profit values of the bonds of feedback without cascading other stages amplifiers If the networks that form the bonds of Feedback are formed by active elements, profit The photometer can be varied by varying the gain of these networks. If the networks are made up of passive elements, the profit of the photometer can be varied working with passive impedance networks variable.
El circuito de la figura 1 representa un esquema del circuito lineal robusto fotométrico objeto de la presente patente. Aquí, (1), (2), (3) y (4) representan asociaciones de componentes activos y/o pasivos que forman los lazos de retroalimentación. Además, (5) representa el fotodiodo (es decir, el elemento sensor) y (6) representa el amplificador operacional.The circuit of figure 1 represents a scheme of the robust photometric linear circuit object of the present patent. Here, (1), (2), (3) and (4) represent associations of active and / or passive components that form the bonds of feedback In addition, (5) represents the photodiode (that is, the sensor element) and (6) represents the operational amplifier.
La presente invención se refiere a un nuevo circuito fotométrico para medida de la intensidad de luz, basado en amplificadores operacionales y retroalimentación negativa y positiva que supera las desventajas de los circuitos fotométricos que aparecen en el estado actual de la técnica. Esta invención resuelve todos los problemas planteados anteriormente en el apartado dedicado a la descripción del estado de la técnica que tienen las patentes anteriores.The present invention relates to a new photometric circuit for measuring light intensity, based on operational amplifiers and negative and positive feedback that overcomes the disadvantages of photometric circuits that they appear in the current state of the art. This invention solves all the problems raised earlier in the section dedicated to the description of the state of the art that have the previous patents.
Aquí se describe un circuito fotométrico lineal y robusto basado en lazos de retroalimentación positiva y negativa, donde el fotodiodo está forzado a trabajar en modo corriente y está ubicado directamente entre los terminales de entrada del amplificador operacional; es decir, entre el terminal de entrada positiva y el terminal de entrada negativa. Además, dicho amplificador está retroalimentado con lazos de retroalimentación negativa y positiva. El fotodiodo está trabajando en régimen lineal y las variaciones en sus parámetros eléctricos, tales como la capacidad de la unión, la resistencia de la unión y la resistencia serie, quedan compensadas por la acción de ambos lazos de retroalimentación.Here a linear photometric circuit is described and robust based on positive and negative feedback loops, where the photodiode is forced to work in current mode and is located directly between the input terminals of the operational amplifier; that is, between the input terminal positive and negative input terminal. Also said amplifier is feedback with feedback loops negative and positive The photodiode is working in a linear regime and variations in its electrical parameters, such as the bonding capacity, bond strength and strength series, are compensated by the action of both ties of feedback
En concreto, el uso de ambas retroalimentaciones permite conformar de forma robusta la función de sensibilidad complementaria de los circuitos fotométricos, ubicando los autovalores y los ceros del circuito de conversión corriente-tensión en los lugares deseados teniendo en cuenta las características del fotodiodo (es decir, la resistencia de la unión, la capacidad de la unión y la resistencia serie) y del amplificador operacional utilizado (es decir, la impedancia de entrada, la impedancia de salida, el producto ganancia ancho de banda y la frecuencia de corte de ganancia unitaria, entre otros).Specifically, the use of both feedbacks allows to shape the sensitivity function robustly complementary to the photometric circuits, locating the eigenvalues and zeros of the conversion circuit current-voltage in the desired places taking take into account the characteristics of the photodiode (that is, the bond strength, bonding capacity and strength series) and the operational amplifier used (i.e. input impedance, output impedance, gain product bandwidth and unit gain cutoff frequency, between others).
Con la presente invención se logra por primera
vez que el fotodiodo completo quede gobernado por un sistema
retroalimentado multilazo, donde se diseña el controlador de forma
tal que incertidumbres en los parámetros del fotodiodo (o sea, las
incertidumbres estructuradas y las no estructuradas) afecten lo
menos posible las medidas realizadas por el circuito fotométrico.
Además, gracias a esta estructura novedosa de diseño, los efectos de
variación de la respuesta de salida del circuito fotométrico debido
a variaciones de la temperatura se reducen considerablemente. Lo
cual es un problema que afecta considerablemente a los circuitos
fotométricos actuales y, por su puesto, a los circuitos fotométricos
descritos en las patentes mencionadas en el apartado dedicado a la
descripción del estado de la
técnica.With the present invention it is achieved for the first time that the complete photodiode is governed by a multilayer feedback system, where the controller is designed in such a way that uncertainties in the photodiode parameters (that is, structured and unstructured uncertainties) affect the less possible the measurements made by the photometric circuit. In addition, thanks to this novel design structure, the effects of variation of the photometric circuit's output response due to temperature variations are greatly reduced. This is a problem that considerably affects the current photometric circuits and, of course, the photometric circuits described in the patents mentioned in the section dedicated to the description of the state of the
technique.
En concreto, con la presente invención el diseñador puede conformar de forma robusta la respuesta en frecuencia del circuito fotométrico, los valores singulares de la función de sensibilidad y de la función de sensibilidad complementaria de dicho circuito, garantizando un ancho de banda satisfactorio y minimizando los posibles picos de resonancia de la función de sensibilidad, los cuales provocan la amplificación de perturbaciones en los parámetros de los fotodiodos.Specifically, with the present invention the designer can robustly conform the answer in frequency of the photometric circuit, the singular values of the sensitivity function and sensitivity function complementary to said circuit, guaranteeing a bandwidth satisfactory and minimizing the possible resonance peaks of the sensitivity function, which cause amplification of disturbances in the parameters of the photodiodes.
Además, la solución aportada desemboca en una disminución apreciable de los costes, la estructura básica puede estar compuesta por muy pocos resistores y condensadores (en caso de que se desee disminuir el ancho de banda del circuito fotométrico) y por un solo amplificador operacional. Por lo que el consumo de energía es muy bajo, la implementación es sencilla y es de fácil integración en la tecnología actual de fabricación de sensores con etapas de instrumentación incorporadas dentro del mismo chip. Lo que abre las puertas al diseño de fotómetros inteligentes.In addition, the solution provided results in a appreciable decrease in costs, the basic structure can be composed of very few resistors and capacitors (in case that you want to reduce the bandwidth of the circuit photometric) and by a single operational amplifier. So the energy consumption is very low, the implementation is simple and it is easily integrated into the current manufacturing technology of sensors with instrumentation stages incorporated into the same chip What opens the doors to the photometer design smart.
El amplificador operacional (6), de la forma en la cual está conectado en la figura 1, impone que la caída de tensión entre el ánodo y el cátodo del fotodiodo (5) sea idealmente cero; además, al tener alta impedancia de entrada, evita que la corriente fotogenerada y las corrientes debidas a las retroacciones entren al mismo, forzando a que todas las corrientes debidas a la respuesta del sensor y a la retroalimentación circulen a través de los componentes que forman los lazos de retroalimentación (1), (2), (3) y (4), y permitiendo la compensación por corriente del fotodiodo (5).The operational amplifier (6), in the way which is connected in figure 1, imposes that the fall of voltage between the anode and the cathode of the photodiode (5) is ideally zero; In addition, by having high input impedance, it prevents the photogenerated current and currents due to feedback enter it, forcing all currents due to the sensor response and feedback circulate through the components that form the feedback loops (1), (2), (3) and (4), and allowing current compensation of the photodiode (5).
El fotodiodo (5) puede ser un fotodiodo comercial y el amplificador operacional (6) debe escogerse de forma tal que tenga alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida, alta ganancia en lazo abierto, alto rechazo a variaciones en la fuente de alimentación, alto rechazo al modo común en la entrada, bajo ruido y, preferiblemente, gran ancho de banda para poder aprovechar al máximo las prestaciones del fotodiodo. De forma tal que las limitaciones en la respuesta en frecuencia del dispositivo sean mínimas.The photodiode (5) can be a photodiode commercial and operational amplifier (6) must be chosen such that it has high input impedance, low output impedance, high gain in open loop, high rejection of variations in the power supply, high rejection to common mode at the input, low noise and preferably large bandwidth to be able to make the most of photodiode performance. In such a way that the limitations in the frequency response of the device be minimal.
Además, los elementos que forman los lazos de retroalimentación (1), (2), (3) y (4), pueden ser tanto componentes activos como componentes pasivos, según el tipo de función de transferencia deseada. Sin embargo, se recomienda que el circuito de medida sea lo más sencillo posible. Por lo que, utilizando resistores y condensadores, se pueden implementar todas las funciones de transferencia deseadas para el circuito fotométrico.In addition, the elements that form the bonds of Feedback (1), (2), (3) and (4), can be both components assets as passive components, depending on the type of function of desired transfer However, it is recommended that the circuit measure is as simple as possible. So, using resistors and capacitors, all the desired transfer functions for the circuit photometric.
Ambos lazos de retroalimentación de la figura 1 determinan la velocidad de respuesta del circuito fotométrico y la ganancia del mismo, y la ganancia se puede variar de forma lineal variando los valores de las ganancias de los lazos de retroalimentación sin necesidad de conectar en cascada otras etapas amplificadoras. Si las redes que forman los lazos de retroalimentación están formadas por elementos activos, la ganancia del fotómetro se puede variar variando la ganancia de dichas redes. Si las redes están formadas por elementos pasivos, la ganancia del fotómetro se puede variar trabajando con redes pasivas de impedancia variable.Both feedback loops in Figure 1 determine the response speed of the photometric circuit and the gain thereof, and the gain can be varied linearly varying the profit values of the bonds of feedback without cascading other stages amplifiers If the networks that form the bonds of Feedback are formed by active elements, profit The photometer can be varied by varying the gain of these networks. If the networks are made up of passive elements, the profit of the photometer can be varied working with passive impedance networks variable.
Sin embargo, en determinadas aplicaciones concretas, en las cuales el diseñador o los diseñadores deciden que las redes sean pasivas, las combinaciones de las impedancias equivalentes representadas por (1), (2), (3) y (4) pudieran hacer que el circuito fotométrico fuera inestable, perdiéndose así las propiedades de prestaciones robustas y pasando a un régimen de estabilidad condicional. En este nuevo régimen, los diseñadores pudieran lograr tiempos de respuesta mucho más pequeños, pero la respuesta tendría rebase y oscilaciones. Todos estos problemas son resueltos con el circuito fotométrico presentado en esta patente.However, in certain applications concrete, in which the designer or designers decide that the networks are passive, the combinations of the impedances equivalents represented by (1), (2), (3) and (4) could do that the photometric circuit was unstable, thus losing the robust performance properties and moving to a regime of conditional stability In this new regime, designers they could achieve much smaller response times, but the answer would have overflow and oscillations. All these problems are solved with the photometric circuit presented in this patent.
También, debido a la conexión del amplificador operacional con retroalimentación negativa y retroalimentación positiva, el circuito fotométrico presentado en esta patente evita la necesidad de formar amplificadores compuestos para reducir el ancho de banda del ruido, sin necesidad de reducir el ancho de banda de la señal útil. El circuito de la figura 1 evita la necesidad de formar amplificadores compuestos utilizando un único amplificador operacional de bajo ruido, de gran ancho de banda, con impedancia de entrada mucho mayor que la resistencia paralelo de la unión del fotodiodo y con baja impedancia de salida.Also, due to the amplifier connection Operational with negative feedback and feedback positive, the photometric circuit presented in this patent avoids the need to form compound amplifiers to reduce the noise bandwidth, without reducing the width of Useful signal band. The circuit in Figure 1 prevents need to form composite amplifiers using a single low noise, high bandwidth operational amplifier, with input impedance much greater than the parallel resistance of the junction of the photodiode and with low output impedance.
Por último, con el objeto de cumplir con la función divulgativa del documento, un modo de realización de la invención es utilizar el fotodiodo de silicio BPW21 de Siemens, el amplificador operacional OPAl28 de Burn-Brown, y diseñar los lazos de retroalimentación negativa y positiva alrededor del amplificador operacional como una asociación de resistores conectados según se indica en la figura 1. Además, poner resistores de los siguientes valores:Finally, in order to comply with the informative function of the document, an embodiment of the invention is to use the BPW21 silicon photodiode from Siemens, the Burn-Brown OPAl28 operational amplifier, and design negative and positive feedback loops around the operational amplifier as an association of connected resistors as indicated in figure 1. In addition, put resistors of the following values:
R_{1} = 1 k\Omega, R_{2} = 100 \Omega, R_{3} = 100 k\Omega y R_{4} = 22,08 k\Omega.R 1 = 1 k \ Omega, R 2 = 100 \ Omega, R 3 = 100 k \ Omega and R 4 = 22.08 k \ Omega.
Con el presente modo de realización se obtiene un circuito fotométrico robusto de fácil implementación, tanto con componentes discretos como con tecnología de circuitos integrados monolíticos, con sensibilidad a la intensidad de luz incidente en el fotodiodo igual as 3323,3 V/W, con no-linealidad (expresada como tanto por ciento de la salida a plena escala) igual a 0,55%, con coeficiente de variación de la tensión de salida con la temperatura igual a -21.83 \muV/°C y prácticamente insensible a perturbaciones e incertidumbres en los parámetros eléctricos del fotodiodo.With the present embodiment, it is obtained a robust photometric circuit of easy implementation, both with discrete components as with integrated circuit technology monolithic, with sensitivity to the intensity of light incident in the photodiode equal to 3323.3 V / W, with non-linearity (expressed as percent of full-scale output) equal at 0.55%, with coefficient of variation of the output voltage with the temperature equal to -21.83 µV / ° C and practically insensitive to perturbations and uncertainties in the electrical parameters of the photodiode
La aplicación industrial del dispositivo descrito en la presente patente es muy amplia. Se puede aplicar para mejorar el circuito fotométrico básico que llevan incorporados fotómetros comerciales, tanto portátiles como de laboratorio, tales como: los fotómetros utilizados en equipos para la medición de cloro libre y total, medidores de pH y dureza total, y, en equipos de medición multiparamétrica, para determinar la calidad de las aguas; y los fotómetros que se utilizan para tomar fotografías a individuos u objetos.The industrial application of the device described in the present patent is very broad. It can be applied to improve the basic photometric circuit that are incorporated commercial photometers, both portable and laboratory, such as: the photometers used in equipment for chlorine measurement free and total, pH and total hardness meters, and, in equipment multiparameter measurement, to determine water quality; and the photometers that are used to take pictures of individuals or objects
Además, se puede aplicar para mejorar el circuito fotométrico básico de los fotómetros que se utilizan en productos para investigación médica y biológica, y para mejorar los circuitos fotométricos básicos de fotómetros de mano. También, esta patente se puede utilizar para mejorar el circuito fotométrico de los circuitos integrados opto-electrónicos, el amplificador de transimpedancia y el fotodetector con circuito electrónico incorporado.In addition, it can be applied to improve the basic photometric circuit of the photometers that are used in products for medical and biological research, and to improve Basic photometric circuits of hand photometers. Also this patent can be used to improve the photometric circuit of opto-electronic integrated circuits, the transimpedance amplifier and photodetector with circuit built-in electronic
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200701601A ES2334868B2 (en) | 2007-06-11 | 2007-06-11 | LINEAR ROBOT VARIABLE GAIN PHOTOMETER. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200701601A ES2334868B2 (en) | 2007-06-11 | 2007-06-11 | LINEAR ROBOT VARIABLE GAIN PHOTOMETER. |
Publications (2)
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|---|---|
| ES2334868A1 ES2334868A1 (en) | 2010-03-16 |
| ES2334868B2 true ES2334868B2 (en) | 2011-01-17 |
Family
ID=41727875
Family Applications (1)
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Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5670775A (en) * | 1995-06-23 | 1997-09-23 | Ardac, Inc. | Current-boosted positive feedback logarithmic transresistance amplifier for currency validators |
-
2007
- 2007-06-11 ES ES200701601A patent/ES2334868B2/en active Active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Burr-Brown Application Bulletin AB-075 "{}Photodiode Monitoring With Op Amps"{} (figura 7b, figura 4) Enero 1995. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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