SU1084968A1

SU1084968A1 - Optronic amlifier

Info

Publication number: SU1084968A1
Application number: SU833547524A
Authority: SU
Inventors: Михаил Иванович Карпушин; Юрий Романович Носов; Александр Сергеевич Сидоров
Original assignee: Московский Ордена Трудового Красного Знамени Полиграфический Институт
Priority date: 1983-01-28
Filing date: 1983-01-28
Publication date: 1984-04-07

Abstract

ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ, содержащий фотодиод, операционный усилитель, инвертирукмций вход которого соединен с коллектором первого основного транзистора, а неинвертирукхций вход - с коллектором второго основного транзистора п-р-п структуры, причем между коллекторами первого и второго основных транзисторов включен делитель напр жени , отличающийс тем, что, с целью повышени линейности передаточной характеристики и быстродействи , в него введены первый и второй дополнительные транзисторы разной структуры в диодном включении, неинвертирующий усилитель тока и резистор обратной св зи, а первый основной транзистор выполнен р - |л - р - структуры , причем основной и дополнительные транзисторы одной структуры включены по схеме отражател тока, коллектор каждого дополнительного транзистора соединен с соответствующим , выводом фотодиода, неинвертиi рующий усилитель тока включен между отводом делител напр жени и базой СЛ первого основного транзистора р-п -р структуры, а резистор обратной св зи - между выходом операционного усилител и базой второго основного транзистора п-р -п структуры.An OPTOELECTRONIC AMPLIFIER containing a photodiode, an operational amplifier, the inverting of the input of which is connected to the collector of the first main transistor and the non-inverted input to the collector of the second main transistor of the pnp structure, with a voltage divider between the first and second transistors that, in order to increase the linearity of the transfer characteristic and speed, the first and second additional transistors of different structure in the diode switching , a non-inverting current amplifier and feedback resistor, and the first main transistor is made of p - | l - p - structures, the main and additional transistors of the same structure are connected according to the current reflector circuit, the collector of each additional transistor is connected to the corresponding, photodiode output, non-inverting the current amplifier is connected between the voltage divider output and the base of the power supply of the first main transistor pn – r structure, and the feedback resistor between the output of the operational amplifier and the base of the second main about transistor pnp structure.

Description

Изобретение относитс к аналоговой оптоэлектронной технике и может быть использовано в линейных системах передачи информации, бесконтакт ных датчиках процессов и объектов, разв зывающих усилител х, оптоэлектронных трансформаторах. Известен- оптоэлектронный усилитель , содержащий фотодиод, выводы которого соединены соответственно с инвертирующим и неинвертирующим входами операционного усилител Cl Недостатком устройства вл етс существенна асимметри схемы, что вл етс причиной нелинейности пере даточной характеристики, Наиболее близким к предлакаемому устройству по технической сущности вл етс оптоэлектронный усилитель, содержащий фотодиод, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с коллектором первого основного транзистора, а неинвертирующий вход - с коллектором второго основного транзистора п-р -п структуры , причем между коллекторами первого и второго основных транзисторов включен делитель напр жени 2 Недостатком известного оптоэлек- тронного усилител вл етс недоста точно высока линейность передаточной характеристики.. Цель изобретени - повышение линейности передаточной характеристики и быстродействи . Поставленна цель достигаетс тем, что в оптоэлектронный усилител содержащий фотодиод, операционный усилитель, инвертирующий вход которого соединен с коллектором первого основного транзистора, а неинвертирующий вход - с коллектором второго основного транзистора п-р-п-структуры , причем мелоду коллекторами пер вого и второго основных транзисторо включен делитель напр жени , введен первый и второй дополнительные тран зисторы разной структуры в диодном включении,неинв ертирующий усилитель тока и резистор обратной св зи, а первый основной транзистор выполнен р -.п -р-структуры, причем основной и дополнительные транзисторы одной структуры включены по схеме отражател тока,, коллектор каждого дополнительного транзистора соединен с соответствующим выводом фотодиода, неинвертирующий усилитель тока включен между отводом делител напр жени и базой первого основного транзистора р- п -р -структуры, а резистор обратной св зи - между выходом операционного усилител и базой второго основного транзистора п -р -п -структуры. На чертеже представлена принципи альна электрическа схема оптоэлек тронного усилител . Оптоэлектровный усилитель содержит фотодиод 1, операционный усилитель 2, первый основной транзистор 3 р-- п - р -структуры, второй основной транзистор 4 (1 -р - п -структуры, первый дополнительный транзистор 5 р -, р -структуры в диодном включении , второй дополнительный транзистор б п -р -п -структуры в диод: ном включении , делитель 7 напр жени , неинвертирующий усилитель 8 тока, резистор 9 обратной св зи. Оптоэлектронный усилитель работает следующим образом. Полагаем, что первый основной транзистор 3 и первый дополнительный транзистор 5 одного канала схемы и второй основной транзистор 4 и второй дополнительный транзистор 6 другого канала схемы обладают идентичными характеристиками, в частности одинаковы вольт-амперные характеристики эмиттерных переходов и идентичны коэффициенты усилени базового тока. Тс1ким образом, токи во входных цеп х транзисторов 3-6 измен ютс в гораздо меньшей степени (в 30 - 200 раз), чем фототок Эф фотодиода 1. Это приводит к тому, что резко расшир етс динамический диапазон устройства по входному (оптическому ) каналу, т.е. можно создавать , сигналы фототока J большой амплитуды, не наруша линейности устройства. Весьма небольшим оказываетс также изменение базовых потенциалов транзисторов 3 - 6, а следовательно, очень мало измен етс разность потенциалов на фотодиоде при его освещении, что практически исключает переходные процессы в цепи фотодиода., св занные с переразр дкой его барьерной емкости, Пегрвый основной транзистор 3, первый дополнительный транзистор 5, второй основной транзистор 4 и второй дополнительный транзистор 6 действуют как отражатели фототока. Коллекторные токи первого и второго основных транзисторов J и J | создают Hci резисторах делител 7 напр жени (равного сопротивлени ) одинаковые сигнсшы напр жени , действующие в противофазе. Эти сигналы поступают на входы операционного усилител 2 и эффективно усиливаютс „ Хсфактеристики (реальных) транзисторов 3-6 могут заметЕО различатьс . Из-за этого коллекторные токи первого и второго основных транзисторов 3 и 4 при колебани х фототока измен ютс неодинаково, что приводит к искажени м сигналов на входах операционного усилител 2. Подобное различие коллекторньох токов С1,,л и Л. . можно в значительной | - к ч степени устранить введением отрицательной обратной св зи по току с помощью неинвертирующего усилител 8 тока. Если Э,;з 7 «4./ то разностьThe invention relates to analog optoelectronic technology and can be used in linear information transmission systems, contactless sensors of processes and objects, isolating amplifiers, optoelectronic transformers. An optoelectronic amplifier containing a photodiode is known, the pins of which are connected respectively to the inverting and non-inverting inputs of the operational amplifier Cl The disadvantage of the device is a substantial asymmetry of the circuit that causes the transfer characteristic to be non-linear. The optoelectronic amplifier is closest to the technical device containing a photodiode, an operational amplifier, the inverting input of which is connected to the collector of the first main transistor, and not the inverting input is with the collector of the second main transistor of the pnp structure, the voltage divider 2 being connected between the collectors of the first and second main transistors. A disadvantage of the known optoelectronic amplifier is the insufficiently high transmission linearity. The purpose of the invention is to increase the linearity of the transfer ratio performance and speed. The goal is achieved by the fact that an optoelectronic amplifier contains a photodiode, an operational amplifier, the inverting input of which is connected to the collector of the first main transistor, and the non-inverting input to the collector of the second main transistor of the pnp structure, and the transistor is connected to a voltage divider, the first and second additional transistors of different structures are introduced in the diode switching on, the non-inverting current amplifier and the feedback resistor, and the first The ohm transistor is made of p-n-p-structures, with the main and additional transistors of the same structure being connected according to the current reflector circuit. The pn is a p-structure, and the feedback resistor is between the output of the operational amplifier and the base of the second main transistor n-p-p-structure. The drawing shows the principle electrical circuit of an optoelectronic amplifier. An optoelectric amplifier contains a photodiode 1, an operational amplifier 2, the first main transistor 3 p-- n - p structure, the second main transistor 4 (1 - p - n structure, the first additional transistor 5 p -, p structure in the diode switching on, the second additional transistor b p - p - p structures in the diode: on, voltage divider 7, non-inverting current amplifier 8, feedback resistor 9. Optoelectronic amplifier works as follows. We assume that the first main transistor 3 and the first additional transistor 5 single The circuit and the second main transistor 4 and the second auxiliary transistor 6 of the other circuit have identical characteristics, in particular, the current-voltage characteristics of the emitter junction and the base current gains are identical, the currents in the input circuits of the transistors 3-6 vary in a much smaller degree (30–200 times) than the photocurrent from the photodiode 1. This leads to a sharp increase in the dynamic range of the device along the input (optical) channel, i.e. You can create large-amplitude photocurrent J signals without disturbing the device’s linearity. The change in the base potentials of the transistors 3–6 is also very small, and therefore the potential difference on the photodiode changes very little when it is illuminated, which virtually eliminates transients in the photodiode circuit associated with the overdischarge of its barrier capacitance. , the first auxiliary transistor 5, the second main transistor 4 and the second auxiliary transistor 6 act as photocurrent reflectors. The collector currents of the first and second main transistors J and J | The Hci resistors of the voltage divider 7 (of equal resistance) produce the same voltage signals acting in antiphase. These signals are fed to the inputs of operational amplifier 2 and effectively amplified the X-characteristics of (real) transistors 3-6 may be noticeably different. Because of this, the collector currents of the first and second main transistors 3 and 4 vary differently with photocurrent oscillations, which leads to distortions of the signals at the inputs of the operational amplifier 2. Such a difference is the collector currents C1, L, and L. can be significant | - to the degree to be eliminated by introducing negative current feedback with the help of a noninverting current amplifier 8. If E, h 7 "4. / then the difference

- J- j

ответвл етс в низкоомную branch to low impedance

КЗKZ

входную цепь неинвертирующего усилител 8 тока, существенно усиливаетс и подаетс в виде сигнала тока встречно базовым токам первого основного транзистора Ogj и первого дополнительного транзистора Э, уменьша их величину, а следовательно , и начальную разность токов Дкз 3., св занную с различием характеристик транзисторов 3-6. Если К4 ° измен ет направление и noBbDjjaeT уровень тока 3 g, а вместе с ним и уровень тока J.The input circuit of the non-inverting current amplifier 8 is substantially amplified and supplied as a current signal against the base currents of the first main transistor Ogj and the first additional transistor E, reducing their magnitude and, therefore, the initial difference of the currents DCs 3., associated with the difference in the characteristics of transistors 3 -6. If K4 ° changes the direction and noBbDjjaeT current level 3 g, and with it the current level J.

Операционный усилитель 2 из-за нелинейности его передаточной характеристики может искажать форму входных сигналов. Дл уменьшени нелинейных искажений сигналов, а также дл повышени быстродействи устройства введен резистор 9 обратной св зи, включенный между выходом операционного усилител 2 и входной цепью второго основного транзистора, что позвол ет не только уменьшать нелинейные искажени в цепи с операционным усилителем, но также эффективноOperational amplifier 2 due to the nonlinearity of its transfer characteristic may distort the shape of the input signals. To reduce the nonlinear distortion of the signals, as well as to improve the speed of the device, a feedback resistor 9 is inserted connected between the output of the operational amplifier 2 and the input circuit of the second main transistor, which allows not only reducing the nonlinear distortions in the circuit with the operational amplifier, but also effectively

подавл ть искажени сигналов, св занные с нелинейностью характеристик транзисторов 3 - б.suppress signal distortion associated with the non-linearity of the characteristics of the transistors 3 - b.

Таким образом, введение отражателей тока неинвертирующего усилител 8 тока, а также рациональное вклю|чение резистора 9 - элемента общей отрицательной обратной св зи, позвол ет существенно повысить линей- ность передаточной характеристики Q и быстродействие устройства.Thus, the introduction of current reflectors of a non-inverting current amplifier 8, as well as the rational inclusion of a resistor 9, a common negative feedback element, significantly improves the linearity of the transfer characteristic Q and the speed of the device.

Эксперименташьные исследовани показывают , что предлагаемое устройство способно без заметных нелинейных искажений передавать информацию со скоростью 40 - 80 Мбит/с.Experimental studies show that the proposed device is capable of transmitting information at a speed of 40–80 Mbit / s without noticeable nonlinear distortions.

5five

Прёдлагаемое устройство может весьма эффективно заменить импульсный трансформатор в узлах и системах вычислительной и измерительной техники , автоматики, св зи, промышлен0 ной, медицинской и дерной электроники . Замена трансформаторов, оптоэлектронныш устройствами позвол ет освободить производство от серии нетехнологичных операций и, таким 5 образом, повысить производительность труда. Отказ от металлоемких трансФорматоров обеспечит значите- Ъ|Ную экономию металла (меди и- стали).The proposed device can very effectively replace the pulse transformer in the nodes and systems of computing and measuring equipment, automation, communications, industrial, medical and nuclear electronics. Replacing transformers with optoelectronic devices allows one to free production from a series of non-technological operations and, thus, increase labor productivity. Rejection of metal-consuming transformators will provide significant savings for metal (copper and steel).

Claims

An optoelectronic amplifier containing a photodiode, an operational amplifier whose inverting input is connected to the collector of the first main transistor, and the non-inverting input is connected to the collector of the second main transistor of a pnp structure, and a voltage divider is connected between the collectors of the first and second main transistors, which differs the fact that, in order to increase the linearity of the transfer characteristic and speed, the first and second additional transistors of different structures in the diode inclusion are introduced into it, non-inver a current amplifying amplifier and a feedback resistor, and the first main transistor is made of p-η-p-structure, with the main and additional transistors of the same structure included in the current reflector circuit, the collector of each additional transistor is connected to the corresponding one. With the output of the photodiode, a non-inverting current amplifier is connected between the g tap of the voltage divider and the base of the first main transistor of the pn structure, and the feedback resistor is between the output of the operational amplifier and the base of the second main transistor of the η-p structure.

SU .and, 1