Результат интеллектуальной деятельности: МИКРОМОЩНЫЙ ФОТОДАТЧИК

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для преобразования интенсивности светового потока в электрическое напряжение в составе датчиков излучения инфракрасного, видимого и ультрафиолетового оптических диапазонов, в датчиках пламени, датчиках высокой температуры, а также для формирования импульсов в приемниках световых сигналов, применяемых в волоконно-оптических системах связи.

Известны схемы фотодатчиков, в которых для преобразования светового потока в напряжение используется фотодиод, катод которого подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя с резистором в цепи отрицательной обратной связи, причем анод фотодиода соединяется либо с нулевой цепью, либо с источником отрицательного напряжения смещения (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х томах: Т.3. Пер. с англ. - М.: Мир, 1993. - С.268, рис.15.8-15.9).

Недостатком таких устройств является большое энергопотребление от источника питающего напряжения, которое существенно зависит от тока питания дифференциального усилителя, составляющего несколько миллиампер для обеспечения высокого быстродействия и большой скорости нарастания выходного сигнала, т.е. для уменьшения длительности фронтов выходных импульсов напряжения. При этом уменьшение тока питания дифференциального усилителя приводит к ограничению частотного диапазона устройства из-за влияния паразитных емкостей и емкости нагрузки на амплитуду выходного сигнала.

Известен также фотодатчик, содержащий фотодиод, катод которого подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, и регулируемый резистор, управляемый с помощью аналого-цифрового преобразователя и вычислительного устройства (Захаренко В.А., Кликушин Ю.Н., Мурашко Д.Н., Шкаев А.Г. Пирометр. Патент РФ на изобретение №2462693, МПК G01J 1/44. Опубл. 10.02.2012 г.).

Такое построение фотодатчика приводит к большой мощности, потребляемой от источника питающего напряжения, из-за значительного количества активных компонентов и микросхем, применяемых в схеме устройства.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности (прототипом) является фотодатчик, содержащий фотодиод, катод которого подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, и полевой транзистор с первым резистором в цепи затвора, причем выход дифференциального усилителя является выходом устройства (Плеханов А.П. Фотоприемное устройство. Патент РФ на изобретение №2193761, МПК G01J 1/44. Опубл. 27.11.2002 г.).

Недостатком такого устройства является большое энергопотребление от источника питающего напряжения, т.к. для расширения полосы частот дифференциальный усилитель должен иметь сравнительно большой ток потребления, составляющий, как правило, несколько миллиампер для быстрого перезаряда паразитных емкостей. Кроме того, повышение тока питания усилителя необходимо для увеличения скорости нарастания выходного сигнала, чтобы уменьшить длительность фронтов выходных импульсов при преобразовании импульсов оптического излучения в пропорциональное выходное напряжение.

Задачей изобретения является создание микромощного фотодатчика, позволяющего получить уменьшение средней мощности, потребляемой от источника питающего напряжения, при обеспечении высокого быстродействия устройства и малой длительности фронтов выходных импульсов.

Эта задача решается тем, что в микромощный фотодатчик, содержащий фотодиод, катод которого подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя с первым резистором в цепи обратной связи, и полевой транзистор с первым резистором в цепи затвора, дополнительно введены второй и третий резисторы, а в качестве дифференциального усилителя применен усилитель с программируемым током питания, причем второй резистор включен между выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя, который через фотодиод соединен с его неинвертирующим входом и с затвором полевого транзистора, сток которого подключен к входу установки тока питания дифференциального усилителя. Исток полевого транзистора через третий резистор соединен с нулевой цепью, к которой через первый резистор подключен затвор полевого транзистора. Выход дифференциального усилителя является выходом устройства.

Схема предложенного микромощного фотодатчика приведена на чертеже.

Микромощный фото датчик содержит фотодиод 1, подключенный между входами дифференциального усилителя 2, неинвертирующий вход которого соединен с затвором полевого транзистора 3 и через первый резистор 4 подключен к нулевой цепи. Второй резистор 5 включен между выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя 2, управляющий вход которого подключен к стоку полевого транзистора 3, исток которого через третий резистор 6 соединен с нулевой цепью. Выход дифференциального усилителя 2 является выходом устройства.

Микромощный фотодатчик работает следующим образом. В исходном состоянии, когда световой поток Ф=0, фотодиод 1 не вырабатывает фототока, поэтому выходное напряжение усилителя 2 пренебрежимо мало, т.е. U_ВЫХ≈0. При этом полевой транзистор 3 с резистором 6 в цепи истока формирует минимальный управляющий ток I_У≈U_OTC/2R₆, значение которого зависит от напряжения отсечки U_ОТС полевого транзистора 3 и сопротивления R₆ резистора 6. Ток питания I_ПИТ≈20I_у дифференциального усилителя прямо пропорционален управляющему току I_у и имеет минимальное значение, которое не превышает единиц микроампер для современных программируемых по току усилителей.

При появлении светового потока Ф фотодиод 1 вырабатывает фототок I_Ф, который протекает через резисторы 4 и 5, имеющие сопротивления R₄ и R₅. При этом выходное напряжение U_ВЫХ дифференциального усилителя 2 возрастает пропорционально фототоку и определяется выражением U₂=I_Ф·(R₄+R₅). Протекание фототока 1Ф через резистор 5 приводит к увеличению напряжения на затворе полевого транзистора 3 и повышению формируемого им управляющего тока прямо пропорционально входному фототоку: I_У≈(0,5U_ОТС+I_Ф·R₅)/R₆. По мере повышения фототока увеличивается ток питания I_ПИТ дифференциального усилителя 2 и, как следствие, обеспечивается его высокое быстродействие при возрастании интенсивности светового потока Ф.

Изменение (модуляция) тока питания дифференциального усилителя 2 в зависимости от уровня светового потока позволяет, в частности, сформировать выходные импульсы напряжения с большой крутизной фронтов при минимальном значении среднего тока питания усилителя. Это позволяет понизить как минимум в два раза энергопотребление фотодатчика при его использовании для преобразования световых импульсов в системах волоконно-оптической связи.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, тождественные всем признакам заявленного технического решения (модуляция тока питания дифференциального усилителя в зависимости от входного фототока), отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками применения полевого транзистора с третьим резистором в цепи истока в качестве генератора управляющего тока, причем ток изменяется в зависимости от интенсивности светового потока, и использования первого резистора в цепи затвора как для повышения коэффициента преобразования фотодатчика, так и для формирования напряжения регулировки управляющего тока, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Промышленная применимость изобретения обусловлена тем, что оно может быть осуществлено с помощью современной элементной базы, с достижением указанного в изобретении назначения. В частности, для преобразования светового потока в фототок можно использовать фотодиод типа ФД253, для формирования управляющего тока - полевой транзистор КП303А с напряжением отсечки U_OTC=0,5 В, в качестве дифференциального усилителя - микросхему КР140УД1208 с программируемым током питания и резисторы типа МЛТ.

Для оценки энергопотребления предлагаемого микромощного фотодатчика проведено его экспериментальное исследование. В схеме был применен полевой транзистор КП303А с напряжением отсечки U_OTC=0,5 В, фотодиод ФД253, микросхема усилителя КР140УД1208 и резисторы с сопротивлениями R₄=R₅=R₆=1 МОм. Результаты исследований контролировались цифровым вольтметром и микроамперметром, а форма выходных сигналов оценивалась с помощью осциллографа.

В результате исследований установлено, что при питающем напряжении дифференциального усилителя U_ПИТ=±12 В его ток потребления изменяется от минимального U_ПИТ.min=5 МКА до максимального значения U_ПИТ.max - 100 мкА при возрастании выходного напряжения усилителя U_ВЫХ от 0 до 10 В. Потребляемая мощность фотодатчика в этом случае изменяется в диапазоне Р_ПОТ=2U_ПИТ·I_ПИТ=(0,12…2,4) мВт, т.е. в 20 раз, а среднее значение потребляемой мощности при равномерном законе распределения светового излучения составляет

При этом за счет охвата дифференциального усилителя цепью стопроцентной отрицательной обратной связью его полоса пропускания расширяется до предельного значения 0,3 МГц за счет модуляции тока питания при большом уровне светового потока.

Экспериментально установлено, что модуляция тока питания дифференциального усилителя КР140УД1208 в диапазоне I_ПИТ=(5…100) мкА приводит к изменению начального напряжения смещения на ΔU_ВЫХ.СМ≤±1,5 мВ, но относительная погрешность от модуляции тока питания при этом сравнительно невелика и составляет δ_СМ=100·ΔU_ВЫХ.СМ/U_ВЫХ.max≤±0,015%.

Необходимо отметить, что высокое быстродействие и рабочую полосу частот до нескольких мегагерц в предлагаемом фотодатчике можно обеспечить при использовании в качестве дифференциального усилителя микросхемы типа TLC211B с однополярным напряжением питания U_ПИТ=(3…16) В при модуляции ее тока питания с помощью полевого транзистора в зависимости от интенсивности светового потока. Следовательно, предлагаемое изобретение позволяет значительно уменьшить среднее энергопотребление фотодатчика при сохранении высокого быстродействия, что позволяет его использовать в устройствах различного функционального назначения.