SU585775A1

SU585775A1 - Фотодетектор

Info

Publication number: SU585775A1
Application number: SU752302980A
Authority: SU
Inventors: В.И. Беляев; В.А. Кузнецов; Ю.М. Медяник
Original assignee: Всесоюзный научно-исследовательский институт противопожарной обороны МВД СССР
Priority date: 1975-12-22
Filing date: 1975-12-22
Publication date: 1980-10-30

Description

“Изобретение относится к фотодетекторам, предназначенным для получе- < ния переменного электрического сигнала при воздействии переменного све- j тового потока на фоточувствительный элемент с внутренним фотоэффектом или пироэлектрическим эффектом.

Известна схема фотодетектора для преобразования светового потока в ιθ электрический сигнал, в которой в качестве светочувствительного элемента используется фоторезистор, последовательно с которым включен резистор нагрузки 11], С резистора нагрузки электрический сигнал через разделительную емкость подается на затвор полевого транзистора. Однако этому фотодетектору свойственна значительная инерционность, обусловлен- ₂q ная большой величиной входной емкости.

Известен фотодетектор, содержащий усилитель, первый каскад которого выполнен на полевом транзисторе, 25 сток которого соединен через резистор с источником питания, и фотоприемник, соединенный с резистором, другой конец которого соединен с общей шиной, и конденсатором, другой вывод которо го соединен с затвором полевого транзистора и через резистор - с общей шиной, причем, исток полевого транзистора соединен с входом последующего каскада усилителя и через резистор - с общей шиной (23.

Быстродействие известного фотодетектора определяется постоянной времени входной RC-цепи, где R — сопротивление резистора нагрузки, а С — входная емкость.

В данном фотодетекторе 'Сф ⁺C-jt (1⁺Кф) , где C_JM — емкость затвор-исток;

— емкость затвор-сток; С_ф - емкость фотоэлемента; С_м — емкость монтажа;

K_Q - коэффициент передачи кас- . кала на полевом транзис, торе.

Из приведенного выражения видно, что входная емкость равна сумме емкостей переходов транзистора, используемого для усиления фототока, собственной емкости фотоэлемента и емкости монтажа.

Следовательно, для уменьшения входной емкости, т.е. для снижения инерционности, нужно выбирать тран эистор с минимальными емкостями переходов. Таким требованиям удовлетворяют полевые транзисторы, но и при их использовании входная емкость имеет довольно большое значение за счет емкостей монтажа и фотоэлемента.

Следует подчеркнуть, что инерционность таких фотодетекторов зависит в основном от типа фотоэлемента, а так как обычно чем чувствительней фотоэлемент, тем больше его емкость, то невозможно реализовать одновременно и высокую чувствительность и малую инерционность. Поэтому обычно для снижения инерционности этих фотодетекторов уменьшают величину резистора нагрузки, однако, это приводит к уменьшению чувствительности и, если шум последующего усилителя превышает собственный шум фотоэлемента (фотодиода), то понижается также и обнаружительная способность фотодетектора. Этому фотодетектору так же свойственна большая инерционность.

Целью изобретения является повышение быстродействия фотодетектора без уменьшения его чувствительности и обнаружительной способности.

Достигается это тем, что в устройство введен неинвертирующий' усилитель, имеющий низкое выходное сопротивление и коэффициент усиления меньше единицы, вход которого соединен с истоком, а, выход — со стоком полевого транзистора и с другим выводом фотоприемника.

На чертеже приведена схема описываемого фотодетектора.

Предложенный фотодетектор содержит полевой транзистор 1, затвор которого соединен с Общей шиной через резистор 2, эашунтированный последовательной цепочкой, разделительную емкость 3, резистор 4 нагрузки, фотоэлемент 5, один электрод которого через резистор нагрузки соединен с общей шиной, а другой - со стоком полевого транзистора 1 и через резистор 6 — с источником питания, усилитель 7. Выход усилителя 7 соединен со стоком полевого транзистора 1, а вход — с его истоком и через резистор 8 с общей шиной. Вход последующего усилителя 9 связан с истоком полевого транзистора 1.

Работа устройства происходит следующим образом.

Сигнал от фотоэлемента усиливается транзистором 1 и поступает на усилитель 9, Как отмечалось, инерционность фотодетектора определяется постоянной времени входной RC-цепи, где R — сопротивление резистора 4 нагрузки, а С - входная емкость. В фотодетекторе сопротивление резистора нагрузки выбирается из условия получения максимальной чувствительности и обнаружительной способности, но тогда для реализации минимальной инерционности необходимо уменьшить входную емкость. Последнюю можно уменьшить, снижая переменную составляющую тока через емкость затвор — сток полевого транзистора 1, что достигается понижением переменного напряжения на емкости затвор — сток по сравнению с входным, с этой целью, как показано на чертеже, на сток полевого транзистора 1 подают переменное напряжение, синфазное с напряжением на затворе этого транзистора, с помощью усилителя 7, не переворачивающего фазы входного сигнала, имеющего малое выходное сопротивление и коэффициент передачи меньше единицы. Тогда С=(^с>с ^+CU < 1-К_оК_?)+с_5и (1-К₀)+С_м, где — емкость затвор - сток?

С_х — емкость затвор— исток;

С_Л — емкость фотодиода;

— емкость монтажа;

K_Q - коэффициент передачи каскада на полевом транзисторе 1;

К_? — коэффициент передачи усилителя 7.

Таким образом, выбирая коэффициенты передачи К_о и К₇ близкими к единице, можно почти полностью скомпенсировать емкости , С_ги , Сф ,

т.е, входная емкость, а, следовательно, вибродействие будут определяться только емкостью монтажа.

Предлагаемый фотодетектор обладает высокой чувствительностью и малой инерционностью, определяемой только емкостью монтажа, т.е. емкости С_зи , ^С3с ^{и почти} полностью компенсируются.

Claims

Изобретение относитс к фотодетек торам, предназначенным дл получеки переменного электрического сигнала при воздействии переменного све тового потока на фоточувствительный элемент с внутренним фотоэффектом или пироэлектрическим эффектом. Известна схема фотодетектора дл преобразовани светового потока в электрический сигнал, в которой в качестве светочувствительного элемента используетс фоторезистор, последовательно с которым включен резистор нагрузки 11. С рез.истора нагрузки электрический сигнал через разделительную емкость подаетс на затвор полевого транзистора. Однако зтому фотодетектору свойственна значительна инерционность, обусловленна большой величиной входной емкости . Известен фотодетектор, содержащий усилитель, первый каскад которого выполнен на полевом транзисторе, сток которого соединен через резисто с источником питани , и фотоприемник соединенный с резистором, другой конец которого соединен с общей шиной и конденсатором, другой вывод котор го соединен с затвором полевого транзистора и через резистор - с общей шиной, причем, исток полевого транзистора соединен с входом последующего каскада усилител и через резистор - с общей шиной 2, Быстродействие известного фотодетектора определ етс посто нной времени входной КС-цепи, где R - сопротивление резистора нагрузки, а С входна емкость. В данном фотодетекторе +Сф +С„ +С (l-t-K), где С,„ емкость затвор-исток; емкость затвор-сток; емкость фотоэлемента емкость монтажа; коэффициент передачи каскада на полевом транзис , торе. Из приведенного выражени видно, что входна емкость равна сумме емкостей переходов транзистора, используемого дл усилени фототока, собственной емкости фотоэлемента и емкости монтажа. О1едовательно, дл уменьшени входной и кости, т.е. дл снижени инерционности, нужно выбирать транэистор с минимальными емкост ми пере ходов. Таким требовани м удовлетвор ют полевые транзисторы, но и при их использовании входна емкость име ет довольно большое значение за счет емкостей монтажа и фотоэлемента. Отедует подчеркнуть, что инерционность таких фотодетекторов зависит в оснопном от типа фотоэлемента, а так как обычно чем чувствительней фо тоэлемент, тем больше его емкость, то невозможно реализовать одновремен но и высокую чувствительность и малую инерционность. Поэтому обычно дл снижени инерционности этих фотодетекторов уменьшают величину резистсчэа нагрузки, однако, это приводит к уменьшению чувствительности и, если шум последующего усилител превышает собственный шум фотоэлемента (фотодиода), то понижаетс также и обнаружительна способность фотодетектора . Этому фотодетектору так же свойственна больша инерционность. Целью изобретени вл етс повышение быстродействи фотодетектора без уменьшени его чувствительности и обнаружительной способности. Достигаетс это тем, что в устройство введен неинвертирующий усили тель, имеющий низкое выходное сопротивление и коэффициент усилени мень ше единицы, вход которого соединен с истоком, а, выход - со стоком полевого транзистора и с другим выводом фо топриемника. На чертеже приведена схема описываемого фотодетектора, Предлс кенный фотодетектор содержит полевой транзистор 1, затвор которого соединен с общей шиной через резистор 2, эашунтированный последо вательной цепочкой, разделительную емкость 3, резистор 4 нагрузки, фотоэлемент 5, один электрод которого через резистор нагрузки соединен с общей шиной, а другой - со стоком полевого транзистора 1 и через резис тор 6 - с источником питани , усилитель 7. Выход усилител 7 соединен со стоком полевого транзистора 1, а вход - с его истоком и через резистор 8 - с общей шиной. Вход последующего усилител 9 св зан с истоком полевого транзистора 1. Работа устройства происходит следующим образом. Сигнал от фотоэлемента усиливаетс транзистором 1 и поступает на уси литель 9. Как отмечалось, инерционность фотодетектора определ етс посто нной времени входной КС-цепи, где R - сопротивление резистора 4 нагрузки, а С - входна емкость, В фотодетекторе сопротивление резистора нагрузки выбираетс из услови по лучени максимальной чувствительности и обнаружительной способности, но тогда дл реализации минимальной ине ционности необходимо уменьшить входную емкость. Последнюю можно уменьшить , снижа переменную составл ющую тока через емкость затвор - сток полевого транзистора 1, что достигаетс понижением переменного напр жени на емкости затвор - сток по сравнению с входным, с ЭТОЙ целью, как показано на чертеже, на сток полевого транзистора i подают переменное напр жение, синфазное с напр жением на затворе этого транзистора, с помощью усилител 7, не переворачивающего фазы входного сигнала, имеющего малое выходное сопротивление и коэффициент передачи меньше единицы. Тогда C(Cic. +CJ ( 1-КоК)+С5и (1-Кд)+С„, где - емкость затвор - сток -емкость затвор- исток; -емкость фотодиода; С - емкость монтажа; KQ - коэффициент передачи каскада на полевом транзисторе 1; К - коэффициент передачи усилител 7, Таким образом, выбира коэффициенты передачи К и К близкими к единице, можно почти полностью скомпенсировать емкости С т.е, входна емкость, а, следовательно , вибродействие будут определ тьс только емкостью монте1жа. Предлагаемый фотодетектор обладает высокой чувствительностью и малой ййерционностью, определ емой только емкостью монтажа, т.е. емкости Cjy, , Cjj, и Сф почти полностью компенсируютс . Формула изобретени Фотодетектор, содержащий усилитель, первый каскад которого выполнен на полевом транзисторе, сток которого соединен через резистор с источником . питани , и фотоприемник, соединенный с резистором, другой конец которого соединен с общей шиной, и конденсатором , другой вывод которого соединен с затвором полевого транзистора и через резистор - с общей шиной, причем исток полевого транзистора.соединен с входом последующего каскада усилител и через резистор - с обшей шиной, отличающийс тем, что, с целью повышени быстродействи , в него введен неинвертирующий усилитель, имеющий низкое выходное сопротивление и коэффициентусилени меньше единицы, вход которого соединен с истоком, а выход - со стоком полевого транзистора и с другим выводом фотоприемника. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе 1.Патент Великобритании № 1308933, кл. G 1 А опублик 07.03.73. 2,Приборы и техника эксперимента, № 4, 1975, с. 130.

гГ

г©-

,л

iK