Результат интеллектуальной деятельности: ЧАСТОТНО-СЕЛЕКТИВНЫЙ ФОТОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области измерительной техники, системам связи и может быть использовано для измерения переменного и импульсного оптического излучения в устройствах фотоэлектрического контроля и в приемниках световых сигналов, передаваемых по волоконно-оптическим линиям связи.

Известен фотопреобразователь оптического излучения (патент РФ №2038574 от 27.06.1995, МПК G01J 1/44), содержащий фотодиод, анод которого подключен к нулевой цепи источника питания, и дифференциальный усилитель с резистивно-емкостным звеном отрицательной обратной связи, выход которого является выходом устройства.

Наличие в этом устройстве звена отрицательной обратной связи позволяет при большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя немного уменьшить нелинейность фотопреобразователя при повышенном уровне внешней фоновой засветки и селективно увеличить его чувствительность к переменному излучению в узкой полосе частот, определяемой параметрами обратной связи.

Недостатками данного устройства являются ограничение динамического диапазона внешней засветки и низкая чувствительность к переменному оптическому сигналу при большой постоянной составляющей освещенности, например при наличии яркого искусственного или солнечного освещения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является фотопреобразователь оптического излучения (патент РФ №2193761 от 27.11.2002, МПК G01J 1/44), содержащий фотодиод, источник питания, первый резистор, дифференциальный усилитель и полевой транзистор, затвор которого подключен к одной обкладке первого конденсатора.

Недостатком такого устройства является низкая чувствительность к переменному оптическому сигналу при большой величине фоновой засветки, так как его работоспособность обеспечивается только при максимальном значении постоянного фототока I_ФП≤U_MAX/2R_OC, ограниченного максимальным выходным напряжением U_MAX дифференциального усилителя, и обратно пропорционального сопротивлению R_OC резистора в цепи отрицательной обратной связи. Вследствие этого при большой яркости внешней фоновой засветки фотодиода необходимо уменьшать сопротивление R_OC в цепи обратной связи дифференциального усилителя. В то же время для повышения амплитуды его выходного сигнала U_ВЫХ=I_ФR_OC при контроле переменного оптического излучения и соответственного повышения чувствительности устройства требуется увеличивать сопротивление R_OC в цепи обратной связи.

Наличие таких ограничений связано со свойствами полевого транзистора, который в данном устройстве применен в качестве регулируемого сопротивления, шунтирующего фотодиод при большом уровне постоянной засветки. При малом падении напряжения на фотодиоде и, соответственно, малом напряжении между стоком и истоком полевого транзистора управляющее напряжение, подаваемое на его затвор, открывает оба полупроводниковых перехода «затвор-сток» и «затвор-исток» полевого транзистора, через которые протекает ток затвора. При этом только половина выходного тока дифференциального усилителя, протекающего через резистор R_OC на затвор полевого транзистора, затрачивается на компенсацию постоянного фототока I_ФП, а вторая половина этого тока через переход «затвор-исток» стекает к нулевой цепи источника питания. В итоге сопротивление R_OC в цепи обратной связи дифференциального усилителя ограничивается на уровне десятков килом, что не позволяет обеспечить высокую чувствительность фотодатчика к переменному оптическому излучению.

Например, при значении постоянного фототока I_ФП=100 мкА и максимальном выходном напряжении дифференциального усилителя U_MAX=10 В сопротивление в цепи его обратной связи должно быть R_OC=U_MAX/2I_ФП≤50 кОм, и при малом переменном фототоке I_ФП=1 мкА амплитуда переменного сигнала на выходе дифференциального усилителя составит лишь U_ВЫХ≤50 мВ.

Аналогичные ограничения по чувствительности и влиянию световой засветки справедливы при использовании известного устройства для фотоэлектрического преобразования световых сигналов в современных системах связи, при функционировании которых по волоконно-оптическим линиям связи кроме информационных сигналов передается поток постоянного излучения для контроля целостности таких каналов связи.

Задачей изобретения является создание частотно-селективного фотопреобразователя оптического излучения, позволяющего обеспечить высокую селективную чувствительности к переменному или импульсному световому сигналу в узкой полосе частот при наличии большой постоянной освещенности или при наличии шумового излучения.

Эта задача решается тем, что в частотно-селективный фотопреобразователь оптического излучения, содержащий фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель первый резистор и полевой транзистор, затвор которого подключен к одной обкладке первого конденсатора, дополнительно введены второй и третий резисторы, второй и третий конденсаторы, источник управляющего напряжения, варикап и параллельный индуктивно-емкостной контур. При этом выход дифференциального усилителя через параллельный индуктивно-емкостной контур соединен с затвором полевого транзистора, исток которого через первый резистор подключен к второй обкладке первого конденсатора и к катоду фотодиода, который через второй резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя. Инвертирующий вход дифференциального усилителя через второй конденсатор подключен к его выходу. Неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с нулевой шиной, к которой подключены анод фотодиода и анод варикапа. Кроме того, катод варикапа через третий резистор соединен с источником управляющего напряжения, а также через третий конденсатор подключен к затвору полевого транзистора, сток которого соединен с источником питания, а исток полевого транзистора соединен с выходом устройства.

Схема предлагаемого частотно-селективного фотопреобразователя оптического излучения приведена на фиг.1.

Частотно-селективный фотопреобразователь оптического излучения содержит фотодиод 1, первый резистор 2, полевой транзистор 3, первый конденсатор 4, второй резистор 5, дифференциальный усилитель 6, второй конденсатор 7, третий резистор 8, варикап 9, третий конденсатор 10, параллельный индуктивно-емкостной контур 11 на основе конденсатора 12 и катушки индуктивности 13, клемму 14 источника питания и клемму 15 источника управляющего напряжения.

Анод фотодиода 1 подключен к нулевой цепи, а его катод через первый резистор 2 соединен с истоком полевого транзистора 3. К затвору полевого транзистора 3 через первый конденсатор 4 подключен катод фотодиода 1, который через второй резистор 5 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 6, неинвертирующий вход которого подключен к нулевой цепи. Второй конденсатор 7 включен между инвертирующим входом и выходом дифференциального усилителя 6, который через параллельный колебательный контур 11 подключен к затвору полевого транзистора 3, сток которого соединен с клеммой 14 источника питания. Анод варикапа 9 подключен к нулевой цепи, а его катод через третий резистор 8 соединен с клеммой 15 источника управляющего напряжения и через третий конденсатор 10 подключен к затвору полевого транзистора 3, исток которого является выходом устройства.

Частотно-селективный фотопреобразователь оптического излучения работает следующим образом.

В исходном состоянии, когда световой поток Ф=0, фотодиод 1 не вырабатывает фототока (I_ФП=0). Поэтому постоянное выходное напряжение дифференциального усилителя 6, подаваемое на затвор полевого транзистора 3 по цепи отрицательной обратной связи через катушку индуктивности 13 параллельного индуктивно-емкостного контура 11, уменьшает его ток стока до минимального уровня I_C→0.

При наличии внешней фоновой засветки фотодиод 1 формирует постоянный фототок I_ФП, который приводит к появлению отрицательного напряжения U₁<0 на катоде фотодиода 1. Это напряжение интегрируется инвертирующим интегратором на основе дифференциального усилителя 6 с резистором 5 на входе и с конденсатором 7 в цепи обратной связи. В результате интегрирования выходное напряжение дифференциального усилителя 6 нарастает во времени по линейному закону:

U₆(t)=U₁·t/R₅C₇.

Повышение этого напряжения приводит к увеличению тока стока полевого транзистора 3, который зависит от его напряжения отсечки U_ОТС и сопротивления R₂ первого резистора 2 и определяется выражением

I_СП≈(U₆+U_ОТС)/R₂.

Полевой транзистор 3 с первым резистором 5 в цепи истока представляет собой управляемый генератор постоянного тока I_СП который регулируется выходным напряжением U₆ дифференциального усилителя 6 вплоть до момента равенства тока стока I_C полевого транзистора 3 с постоянным фототоком I_СП фотодиода 1, т.е. до выполнения условия I_СП≈I_ФП. Медленные изменения величины внешней фоновой засветки приводят к соответствующему регулированию постоянного тока стока I_СП полевого транзистора 3, который компенсирует изменения постоянного фототока I_ФП. Поэтому падение напряжения на фотодиоде 1 пренебрежимо мало (U_1П≈0) даже при внешней засветке, превышающей переменный световой поток в сотни раз.

При появлении переменного или импульсного потока Ф светового излучения фотодиод 1 преобразует его в переменный фототок I_Ф, а на катоде фотодиода 1 появляется переменное или импульсное напряжение, которое через первый конденсатор 4 поступает на затвор полевого транзистора 3 и на параллельный индуктивно-емкостной контур 11. При частоте переменного или импульсного оптического сигнала f_Ф, примерно равной резонансной частоте f_p индуктивно-емкостного контура 11, его резонансное сопротивление бесконечно велико (R₁₁→∞). Вследствие этого обеспечивается одновременное появление переменного или импульсного напряжения одинаковой амплитуды как на катоде фотодиода 1, так и на затворе полевого транзистора 3, а разность напряжений между ними остается постоянной, поэтому переменный ток через первый резистор 2 не протекает. В итоге на истоке полевого транзистора 3 и на выходе устройства появляется переменное или импульсное напряжение U_ВЫХ=I_Ф·R₅, пропорциональное переменной составляющей фототока I_Ф и зависящее только от сопротивления R₅ второго резистора 5, а номинал R₂ первого резистора 2 не оказывает практического влияния на его амплитуду.

Если частота переменного или импульсного излучения находится за пределами полосы пропускания индуктивно-емкостного контура 11, то его эквивалентное сопротивление становится очень малым (R₁₁→0) и шунтирует второй резистор 5. Поэтому переменное напряжение U₁ на фотодиоде 1 значительно уменьшается, так как переменный фототок I_Ф протекает через первый конденсатор 4 и малое сопротивление R₁₁ индуктивно-емкостного контура 11 на выход дифференциального усилителя 6, который также имеет очень малое выходное сопротивление R_ВЫХ6→0. В этом случае амплитуда переменного выходного напряжения устройства определяется выражением U_ВЫХ≈I_Ф·(R₁₁+U_ВЫХ6) и пренебрежимо мала при выполнении условия R₅>>R₁₁+R_ВЫХ6. Таким образом, при использовании в предлагаемом устройстве индуктивно-емкостного контура 11 с большой добротностью Q>100 обеспечивается преобразование оптического излучения только в узкой частотной полосе с подавлением постоянного уровня внешней засветки и оптических сигналов, передаваемых на других частотах.

Для регулировки и точной настройки резонансной частоты индуктивно-емкостного контура 11 в схеме устройства применен варикап 9, емкость C₉ которого регулируется напряжением U_УПР, подаваемым через третий резистор 8 от источника управляющего напряжения 15. В этом случае частота резонанса индуктивно-емкостного контура 11 изменяется обратно пропорционально емкости C₉ варикапа, которая уменьшается при увеличении напряжения U_УПР на выходе источника управляющего напряжения 15.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает высокую селективную чувствительности к переменному или импульсному световому сигналу в узкой полосе частот при наличии большой постоянной освещенности или при наличии шумового излучения.

Высокая чувствительность устройства к переменному или импульсному излучению резонансной частоты обеспечивается за счет применения первого конденсатора 4 в цепи положительной обратной связи полевого транзистора 3 по переменному току и использования параллельного индуктивно-емкостного контура 11 в цепи отрицательной обратной связи. Применение конденсатора 4 позволяет разделить компенсацию постоянного фототока I_ФП, обусловленного влиянием внешней фоновой засветки, с усилением переменного излучения в полосе пропускания индуктивно-емкостного контура 11. Влияние внешней фоновой засветки ослабляется в схеме за счет применения интегратора на дифференциальном усилителе 6 с вторым резистором 8 и вторым конденсатором 7 в цепи отрицательной обратной связи по постоянному току. Поэтому влияние постоянного фототока I_ФП от внешней фоновой засветки на работу фотопреобразователя при большом коэффициенте усиления K₆≥10⁵ дифференциального усилителя 6 ослабляется примерно в K≥10⁵ раз.

Повышение чувствительности к переменному оптическому излучению в предлагаемом устройстве обеспечивается за счет работы полевого транзистора 3 в активном режиме с малым током затвора (I_З≤1 нА), поэтому его входное сопротивление не влияет на амплитуду выходного сигнала на частоте резонанса индуктивно-емкостного контура 11. Кроме того, применение дифференциального усилителя 6 на МОП транзисторах с низким входным током I_ВХ6<1 нА позволяет использовать в схеме высокоомный второй резистор 5 с сопротивлением R₅≥1 МОм. В то же время можно использовать первый резистор 2 в цепи истока полевого транзистора 3 с сопротивлением R₅≈(1…10) кОм, чтобы компенсировать влияние внешней засветки в широком диапазоне.

Например, при выборе полевого транзистора 3 с напряжением отсечки U_ОТС=1,0 В и резисторов 2 и 5 с сопротивлениями R₂=10 кОм и R₅=1 МОм выходное напряжение фотодатчика составит U_ВЫХ=1 В при переменном фототоке I_Ф=1 мкА. В этом случае при напряжении питания U_ПИТ=5 В и выходном напряжении дифференциального усилителя U₆≤3 В можно обеспечить компенсацию постоянного фототока от влияния внешней фоновой засветки, составляющего I_ФП≈(U₆+U_ОТС)/R₂≤400 мкА.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на его соответствие условию патентоспособности «новизна».

Отличительные признаки изобретения - введение дополнительных конденсаторов и резисторов для разделения цепей отрицательной обратной связи по постоянному току и положительной обратной связи по переменному току, а также использование полевого транзистора в качестве управляемого генератора тока с подключением выхода устройства к истоку полевого транзистора и применение параллельного индуктивно-емкостного контура для усиления излучения только в узкой полосе частот, регулируемой с помощью варикапа - в аналогах не встречаются. Результаты поиска известных решений с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. 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».

Кроме того, предлагаемое изобретение имеет широкие функциональные возможности, так как по выходному напряжению дифференциального усилителя можно судить об уровне внешней засветки, а по амплитуде выходного сигнала контролировать качество или целостность волоконно-оптических линий связи.

Промышленная применимость изобретения обусловлена тем, что оно может быть осуществлено с помощью современной элементной базы с достижением указанного в изобретении назначения. Так можно использовать фотодиод ФД24К, микромощный дифференциальный усилитель типа К140УД12, полевой транзистор типа КП303, варикап типа К109В, резисторы типов С2-23 и конденсаторы типа К10-17.

Таким образом, при аналогичных параметрах светового потока предлагаемый частотно-селективный фотопреобразователь оптического излучения в задаваемой полосе частот обеспечивает более чем десятикратный выигрыш по чувствительности с расширением в сотни раз относительного диапазона внешней засветки по сравнению с прототипом, что подтверждает возможность решения поставленной задачи.