SU1672233A1 - Фотоприемное устройство - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к фотоэлектронике и может быть применено в высококачественных фотометрических системах, денситометрии, экспонометрии и других аналитических приборах. Цель изобретени  - повышение точности и расширение динамического диапазона фотоприемного устройства (ФПУ). Устройство содержит фотодиод 1, согласованную пару транзисторов 2 и 3, источник 4 опорного сигнала (ИОС), термически св занный с транзисторами 2 и 3, и дифференциальный усилитель (ДУ) 5, между входами которого включен фотодиод 1. Неинвертирующий вход ДУ 5 соединен с коллектором транзистора 2, а коллектор транзистора 3  вл етс  линейным выходом устройства. В состав ФПУ вход т резисторы 6 и 7, второй ДУ 8 и транзистор 9, согласованный с транзисторами 2 и 3, термически с ними св занный и включенный в цепь обратной св зи ДУ 8, инвертирующий вход которого через резистор 7 соединен с общей шиной, а выход - с инвертирующим входом ДУ 5,  вл ющимс  логарифмическим выходом ФПУ. База транзистора 3 соединена с вторым выводом резистора 6 и токовым выходом ИОС 4, термозависимый ток которого позвол ет регулировать путем изменени  величины резистора 6 токовую чувствительность ФПУ по линейному выходу. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относитс  к области фотоэлектроники и может быть использовано в высококачественных фотометрических системах , денситометрии, экспонометрии и других аналитических приборах.

Целью изобретени   вл етс  повышение точности и расширение динамического диапазона, устройства.

На чертеже изображена электрическа  принципиальна  схема фотоприемного устройства .

Устройство содержит фотодиод 1, согласованную пару основных транзисторов 2 и 3,источник 4 опорного сигнала, термически св занный с парой транзисторов 2 и 3, основной дифференциальный усилитель 5, между входами которого включен фотодиод 1, причем неинвертирующий вход дифференциального усилител  5 соединен с коллектором транзистора 2, а коллектор транзистора 3  вл етс  выходом устройства . В состав устройства вход т также два дополнительных резистора 6 и 7, ополни- тельный дифференциальный усилитель 8 и транзистор 9, согласованный с основными транзисторами 2 и 3, термически с ними св занный и включенный в цепь отрицательный обратной св зи дифференциального усилител  8, инвертирующий вход которого через резистор 7 соединен с общей шиной, а выход соединен с инвертирующим входом дифференциального усилител  5, с одним выводом резистора 6 и базой транзистора 2, эмиттер которого соединен с эмиттером транзистора 3 и выходом дифференциального усилител  5,  вл ющегос  дополнительным выходом устройства. База транзистора 3 соединена с вторым выводом резистора бис токовым выходом источника 4 опорного сигнала, который выполнен в виде трех согласованных транзисторов 10 - 12, термически св занных с основными транзисторами 2,3 и 9, операционного усилител  13, отражател  14 тока и четырех резисторов 15-18, причем коллектор и база транзистора 10 соединены с базой транзистора 11, с неинвертирующим входом операционного усилител  13 и с выводом резистора 15, второй вывод которого соединен с вторым выводом резистора 16 и источником 19 питани . Выход операционного усилител  13 соединен с базой транзистора 12 и с неинвертирующим входом дифференциального усилител  8, первый вывод резистора 16 соединен с инвертирующим входом операционного усилител  13 и с коллектором транзистора 11, эмиттер которого соединен с общей точкой резисторов 17 и 18, другие выводы которых соединены соответственно с общей шиной и с

эмиттером транзистора 12. коллектор которого соединен с входом отражател  тока, выход которого  вл етс  токовым выходом источника 4 опорного сигнала. Источник 4

опорного сигнала обеспечивает схему стабильным опорным напр жением с выхода операционного усилител  13 и термозависимым током, пропорциональным температуре (выход отражател  14 тока),

позвол ющим регулировать чувствительность фотоприемного устройства посредством изменени  величины резистора 6, а также имеет выход термозависимого напр жени  UT, пропорционального температуре,

которое может быть использовано в цифровых системах обработки сигнала дл  компенсации мультипликативной составл ющей температурного дрейфа логарифмического выхода фотоприемного устройства.

20

Устройство работает следующим образом .

При наличии светового потока фотодиод 1 генерирует ток ф При условии, что

входной ток дифференциального усилител  5 достаточно мал, весь ток ф потечет через коллектор транзистора 2. При этом дифференциальный усилитель 5 устанавливает на своем выходе и соответственно на эмиттеpax транзисторов 2 и 3 напр жение 1)вых, обеспечивающее протекание этого тока. Тогда согласно формуле Эберса-Молла ток коллектора 1к равен

Ik lss2exp()

или, учитыва  1К - 1ф,

1ф lss2 exp(Ul - Uaux) / .

откуда Квых 1п(1ф/1552), (1) где Убэ - напр жение эмиттер-база транзистора 2;

Ui -напр жение на выходе операционного усилител  8;

(ft - температурный потенциал;

lss2 обратный ток насыщени  коллекто ра транзистора 2.

Напр жение Ui на выходе операционного усилител  8 описываетс  следующей

формулой: |

Ui Uon+ tfMn ,(2) Jssg

где Don - напр жение на выходе диффе ренциальногоусилител  13;

Ion - опорный ток, ц

(3)

- Uon

10П - -R ,

Кпп

где Ron - сопротивление резистора 7;

Issg - обратный ток насыщени  транзистора 9.

но

Напр жение на базе транзистора 3 равU63 Ui + ITR,

(4)

ибэ - ui -r ITH,(Ч)

где Ui - напр жение на базе транзистора 2

1т - выходной ток источника опорного сигнала;

R - сопротивление резистора 6.

Дл  коллекторного тока (вых) транзистора 3 можно записать

вых Us3-exp (УбэЗ Увых)/ (5)

где Iss3 - обратный ток насыщени  транзистора 3

Так как транзисторы 2 3 и 9 согласованы , можно считать что токи насыщени  их достаточно близки,т.е.

Us2 -- Us3 - UsQ Us.(6)

Тогда, учитыва  (1), (4) и (6), выражение (5) можно переписать в виде

вых Is, - ITR - UiR - Ui + у,In

или

1Ф- e

UR /,

Выходной ток источника 4 опорногосиг- нала IT пр мо пропорционален абсолютной температуре

К а fH,

где а const - коэффициент пропорциональности .

Тогда (7) перепишетс  в виде

1вых 1ф eaR.(8)

Выходной ток фотоприемного устройства пропорционален току фотодиода, причем коэффициент пропорциональности может регулироватьс  в широких пределах путем измерени  R независимо от величины светового потока, т.е. от величины 1ф. При этом линейность усилени  будет сохран тьс  и при больших величинах фототока, так как управл ющий резистор исключен из цепи протекани  тока фотодиода. Из формул (1) - (3) следует

Квых Uon - Г Ion

Выходное напр жение фотоприемного устройства пропорционально логарифму фототока (и, соответственно, освещенности ), причем аддитивна  составл юща  не- термостабильности логарифматора (транзистора 2), св занна  с током Us. скомпенсирована . В прецизионных измеригель- пых системах нецелесообразно компенсировать мультипликативную составл ющую температурного дрейфа логарифмического выхода непосредственно в фотоприемном устройстве, так как это не позвол ет иметь необходимую точность преобразовани  устройства в целом, Требу

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

емой точности можно достигнуть, примен   цифровые методы компенсации. Использу  температурно зависимое напр жение UT источника опорного сигнала как опорное напр жение АЦП, можно с большой точностью компенсировать мультипликативную составл ющую нетермостабильности сигнала логарифмического выхода

Рассмотрим работу источника 4 опорного сигнала. При включении питани  дифференциальный усилитель 13 создает на базе транзистора 12 такое напр жение, при котором потенциал в общей точке резистора 17 и 18, к которой подключен эмиттер транзи- сюра 11. такой, что напр жение на коллекторах этих транзисторов равно (с точностью до напр жени  смещени  дифференциального усилител ). Таким образом, падени  напр жений на резисторах 15 и 16, вызванные протеканием через них коллекторного тока транзисторов 10 и 11, равны. Это произойдет , когда падение напр жени  Ui на резисторе 17 равно

U17 ifcln

где RIS. Rte -сопротивление резисторов 15 и 16 соответственно:

Mo. Mi протекающие по ним коллекторные токи транзисторов 10 и 11 соответственно .

Таким образом, при выполнении условий

1э11 эП , 1б12 « 1э12 И 1Э12 1к12. где 1Э11, 1э12 - токи эмиттеров транзисторов 11 и 12:

1б12, токи базы и коллектора транзистора 12 соответственно.

Транзистор 12 можно рассматривать как генератор тока величиной

, а р, ,

In (Rie/Ris) Ri

Ri - сопротивление резистора 17.

Выбира  соответствующие значени  резистора 18, можно добитьс , чтобы напр жение Uon на выходе дифференциального усилител  13 было стабильным. Это св зано с тем, что напр жение эмиттер база бипол рного транзистора имеет отрицательный температурный коэффициент, а падение напр жени  ит на резисторах 17 и 18 - положительный .

При величине UT. равной 1,22 В, это напр жение практически не зависит от температуры и напр жени  питани .

Экспериментальные исследовани  за вл емого ФПУ показали, что по сравнению с известным устройством улучшилась линейность преобразовани  больших свегде а

товых потоков, что позволило расширить динамический диапазон работы фотоприемного устройства на два пор дка, и кдм- пенсирована аддитивна , св занна  с обратным током насыщени  логарифмиру- ющего транзистора составл юща  температурного дрейфа сигнала на логарифмическом выходе. Это позвол ет, использу  выход термозависимого напр жени  UT источника опорного сигнала, pea- лизоватьвысокуюточность

логарифмического преобразовани  измерительной системы.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и  

Claims (2)

1. Фотоприемное устройство, содержащее фотодиод, согласованную п ру транзисторов , источник опорного сигнала с выходом термозависимого напр жени , термически св занный с согласованной па- рой транзисторов, источник питани  и дифференциальный усилитель, между чходами которого включен фотодиод, при э м неинвертирующий вход дифференциального усилител  соединен с коллектором первого основного транзистора, а коллектор второго основного транзистора  вл етс  вькодом устройства, отличающеес  тем, что, с целью повышени  точности и расширени  динамического диапазона, в него введены дополнительно два резистора, дифференциальный усилитель и транзистор, согласованный с основными транзисторами и термически с ними св занный, а источник опорного сигнала снабжен токовым выхо- дом и выходом стабильного напр жени , база и коллектор дополнительного транзистора соединены с выходом дополнительного дифференциального усилител , а эмиттер - с инвертирующим входом этого усилитрл  и через первый резистор - с общей шиной устройства, выход дополнительного опера- ционного усилител  соединен с инвертирующимвходомосновного дифференциального усилител , с первым выводом второго резистора и с базой первого основного транзистора, эмиттер которого соединен с эмиттером второго основного транзистора и с выходом основного дифференциального усилител , который  вл етс  дополнительным выходом устройства, база второго основного транзистора соединена с вторым выводом второго резистора и с токовым выходом источника опорного сигнала , выход опорного напр жени  которого подключен к неинвертирующему входу дополнительного дифференциального усилител , а вход питани  источника опорного сигнала соединен с источником питани .

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- с   тем, что источник опорного сигнала выполнен в виде трех согласованных транзисторов , термически св занных с основными транзисторами, операционного усилител , токового зеркала и четырех резисторов, при этом коллектор и база первого транзистора соединены с базой второго транзистора, с неинвертирующим входом операционного усилител  и с первым выводом первого дополнительного резистора, второй вывод которого соединен с вторым выводом второго дополнительного резистора и входом питани  источника опорного сигнала, выход операционного усилител  соединен с базой третьего транзистора и  вл етс  выходом стабильного напр жени  источника опорного сигнала, первый вывод второго дополни- тельного резистора соединен с инвертирующим входом операционного усилител  и с коллектором второго транзистора , эмиттер которого соединен с общей точкой третьего и четвертого резисторов, вторые выводы которых соединены соответственно с общей шиной и с эмиттером треть- его транзистора, коллектор которого соединен с входом токового зеркала, выход которого  вл етс  токовым выходом источника опорного сигнала, а его вывод питани  соединен с входом питани  источника опорного сигнала, выходом термозависимого на- пр жени  которого  вл етс  эмиттер третьего транзистора.