ФОТОДАТЧИК ИМПУЛЬСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Фотодатчик импульсного излучения

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения импульсного излучения в устройствах допускового контроля оптических свойств объектов и в распределенных системах контроля доступа на охраняемые объекты.

Известны фотодатчики излучения на основе фотодиода, который включают между входами дифференциального усилителя с резистором R_OC в цепи отрицательной обратной связи для линейного преобразования фототока I_Ф в напряжение U_ВЫХ=I_Ф⋅R_OC (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. В 3-х томах: Т. 3. Пер. с англ. - Москва: Мир, 1993. - С. 268, рис. 15.8-15.9). Такие устройства имеют одинаковую чувствительность к постоянному и к переменному световому излучению, что ограничивает их применение при изменении уровня внешней засветки в широком диапазоне.

Известен фотодатчик импульсного излучения, содержащий фотодиод, усилитель, источник питания, светодиод и интегратор, выход которого через резистор соединен с катодом фотодиода для компенсации фототока от внешней засветки, а переменное напряжение на фотодиоде от импульсов излучения выделяется усилителем (авторское свидетельство №1502967 от 23.08.1989 г., МПК G01J 1/44). Чувствительность этого фотодатчика к импульсам излучения ограничивается параллельным соединением входных сопротивлений усилителя, интегратора и резистора, через который компенсируется фототек от влияния внешней засветки.

Известен также фотодатчик импульсного излучения, содержащий источник напряжения, фотодиод, катод которого подключен к инвертирующему входу усилителя, и полевой транзистор, затвор которого через резистор соединен с выходом дифференциального усилителя (патент РФ №2193761 от 27.11.2002 г., МПК G01J 1/44). В этом устройстве полевой транзистор шунтирует фотодиод при повышении выходного напряжения усилителя, что приводит к уменьшению чувствительности фотодатчика к импульсному излучению при изменении величины внешней засветки.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является фотодатчик импульсного излучения, содержащий источник напряжения, резисторы, фотодиод, катод которого подключен к первому резистору, интегратор на операционном усилителе со вторым резистором на инвертирующем входе и конденсатором в цепи обратной связи, и полевой транзистор (патент РФ №2559331 от 30.04.2014 г., МПК G01J 1/44). В этом устройстве полевой транзистор применен для компенсации постоянного фототока, вырабатываемого фотодиодом при наличии внешней засветки.

В данной области техники существует техническая проблема, заключающаяся в том, в известных фотодатчиках их чувствительность изменяется в зависимости от уровня внешней засветки, что приводит к нелинейности характеристики преобразования и к уменьшению точности таких устройств.

Техническая проблема решается созданием фотодатчика импульсного излучения, обеспечивающего при его использовании повышение чувствительности и точности преобразования к импульсному излучению при высоком уровне внешней засветки.

Эта техническая проблема решается тем, что фотодатчик импульсного излучения, содержащий источник напряжения, резисторы, фотодиод, катод которого подключен к первому резистору, интегратор на операционном усилителе с вторым резистором на инвертирующем входе и конденсатором в цепи обратной связи, согласно изобретению дополнен светодиодом, усилителем и управляемый генератором тока на МОП-транзисторе, сток которого подключен к катоду фотодиода и к инвертирующему входу усилителя, который через первый резистор соединен с его выходом и с инвертирующим входом интегратора. Выход интегратора подключен к затвору МОП-транзистора, исток которого через третий резистор соединен с источником напряжения, к которому через четвертый резистор подключены неинвертирующие входы усилителя и интегратора, а также анод светодиода, катод которого соединен с нулевой цепью и с анодом фотодиода. Выход усилителя является выходом устройства.

Схема фотодатчика импульсного излучения приведена на чертеже.

Фотодатчик импульсного излучения содержит фотодиод 1, светодиод 2, усилитель 3 с первым резистором 4 в цепи обратной связи, интегратор 5 на усилителе 6 с вторым резистором 7 и конденсатором 8, управляемый генератор тока 9 на МОП-транзисторе 10 с третьим резистором 11 в цепи истока, четвертый резистор 12 и выходную клемму источника напряжения 13. Анод фотодиода 1 и катод светодиода 2 подключены к нулевой цепи источника напряжения, а катод фотодиода 1 соединен с выходом управляемого генератора тока 9 и с инвертирующим входом усилителя 3. Неинвертирующие входы усилителя 3 и интегратора 5 подключены к аноду светодиода 2, который применен в качестве стабилизатора опорного напряжения U_ОП. Выходное напряжение U_И интегратора 5 подается на затвор МОП-транзистора 10 для регулирования тока стока I_СП в зависимости от постоянного фототока I_ФП фотодиода 1. Выход усилителя 3 является выходом устройства.

Фотодатчик импульсного излучения работает следующим образом.

Если на фотодиод 1 поступает поток света Φ_Х, содержащий постоянную и импульсную составляющие излучения, то фотодиод 1 формирует сумму постоянного I_ФП и импульсного I_ФИ фототока, которая преобразуется в напряжение U_ВЫХ усилителем 3 с первым резистором 4 в цепи обратной связи. Постоянная составляющая этого напряжения интегрируется с помощью интегратора 5 на усилителе 6. Постоянная времени интегрирования зависит от сопротивления R₇ резистора 7, емкости С₈ конденсатора 8 и выбирается значительно больше длительности периода Т_Х импульсов излучения:

τ_И=R₇⋅С₈>>Т_Х.

Выходное напряжение интегратора 5 изменяется по линейному закону U_И(t)=-U_ВЫХ⋅t/С₈⋅R₇ и подается на затвор МОП-транзистора 10, который с резистором 11 в цепи истока выполняет функцию управляемого генератора тока 9. Изменение напряжения U_И на выходе интегратора 5 увеличивает постоянный ток стока I_CП МОП транзистора 10, которым компенсируется постоянная составляющая фототока I_ФП на катоде фотодиода 1. Регулирование тока стока I_СП МОП транзистора 10 выполняется до полной компенсации влияния внешней засветки, пока этот ток не станет равным значению постоянного фототока I_СП=I_ФП на катоде фотодиода 1.

Медленные изменения внешней засветки приводят к соответствующему регулированию тока стока I_CП МОП-транзистора 10, который компенсирует низкочастотные изменения фототока I_ФП. Поэтому падение напряжения на фотодиоде 1 даже при большой внешней засветке, превышающей в сотни раз импульсы излучения, мало отличается от опорного напряжения U_ОП≈1,5 В, для получения которого применяется светодиод 2 с четвертым резистором 12, ограничивающим ток светодиода 2 на микроамперном уровне, исключающем его свечение и температурный нагрев при стабилизации опорного напряжения U_ОП.

В результате автоматической компенсации внешней засветки на выходе фотодатчика формируются импульсы напряжения U_ВЫХ=I_ФИ⋅R₄, амплитуда которых пропорциональна импульсам фототока I_ФИ и сопротивлению R₄ первого резистора 4, которым обеспечивается высокая чувствительность к импульсному излучению. Влияние внешней засветки ослабляется интегратором 5 в цепи отрицательной обратной связи фотодатчика, и при большом коэффициенте усиления K_U3≥10⁵ усилителя 3 влияние постоянного фототока I_ФП также ослабляется в K≥10⁵ раз по сравнению с током I_ФИ от импульсов излучения.

Применение МОП транзистора 10 и усилителя 3 с малыми входными токами позволяет повысить чувствительность к импульсному излучению за счет применения первого резистора 4 с большим сопротивлением R₄≥1 МОм.

Например, при выборе МОП транзистора 10 с пороговым напряжением U_ПОР≤1,0 В и резисторов 4 и 11 с сопротивлениями R₄=1 МОм, R₁₁=3 кОм амплитуда выходного напряжения фотоприемника составляет U_ВЫХ=1 В при импульсах фототока I_Ф=1 мкА, а постоянный фототок компенсируется до максимального значения I_ФП=300 мкА при напряжении питания U_ПИТ=5 В.

В отличие от прототипа, постоянная составляющая фототока I_ФП в предлагаемом устройстве компенсируется током стока МОП-транзистора 10, сопротивление стока которого превышает единицы-десятки мегаом и практически не влияет на чувствительность и точность устройства независимо от внешней засветки. Кроме того, в предлагаемом устройстве нагрузка фотодатчика не оказывает влияния на характеристику преобразования, так как подключается к усилителю 3 с низким выходным сопротивлением (R_ВЫХ3≤1 Ом).

Для компенсации влияния внешней засветки при высокой чувствительности фотодатчика к импульсному излучению следует устанавливать постоянную времени интегратора 5 в зависимости от минимальной частоты ƒ_{X min} импульсов излучения по условию: τ_И=R₇⋅С₈>>1/ƒ_{X min}.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков - введение управляемого генератора тока на МОП-транзисторе, ток которого регулируется интегратором, и компенсация внешней засветки за счет применения общей цепи отрицательной обратной связи по постоянному току - обеспечивает повышение чувствительности и точности преобразования к импульсному излучению при высоком уровне внешней засветки.

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

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения 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. Усилители 3 и 6 можно реализовать на одной микросхеме TS942 с током питания I_ПИТ≈2,5 мкА от источника напряжения U_ПИТ=5 В, которая работает в диапазоне частот до ƒ_max=10 кГц. При использовании предлагаемого фотодатчика в фотоприемнике импульсного излучения для систем волоконно-оптической связи целесообразно реализовать усилители 3 и 6 на одной микросхеме AD8032, содержащей два МОП-усилителя с однополярным напряжением питания и входными токами I_ВХ<1 нА, которые работают в частотной полосе до ƒ_MAX=80 МГц при общем токе потребления I_ПИТ=1,6 мА.

Экспериментально установлено, что увеличение уровня внешней засветки приводит к снижению чувствительности и коэффициента преобразования фотодатчика-прототипа относительно номинального значения, составляющего K_ПР=U_ВЫХ/I_Ф=1 В/мкА при нулевом значении постоянного фототока I_ФП=0. Изменение постоянной составляющей фототока в диапазоне I_ФП=10…100 мкА уменьшает коэффициент преобразования соответственно от 3,4 до 10,5%. При исключении сопротивления из цепи истока чувствительность понижается соответственно на 4,4-30,6%, а увеличение сопротивления резистора в схеме сужает диапазон компенсации влияния внешней засветки. Применение в заявляемом устройстве МОП-транзистора BST100 с пороговым напряжением U_ПОР≤2,0 В и двух усилителей на микросхеме TS942IN позволяет скомпенсировать влияние внешней засветки в диапазоне постоянного фототока 0≤I_ФП≤500 мкА при напряжении питания U_ПИТ=+5 В. Такой фотодатчик имеет высокую линейность характеристики преобразования, и при установке резисторов R₁=R₂=1 МОм, R₃=10 кОм, R₄=1 кОм амплитуда импульсов выходного напряжения составляет U_ВЫХ=1 В при импульсах фототока I_ФИ=1 мкА.

Таким образом, при такой совокупности существенных признаков и при аналогичных параметрах потока излучения предлагаемый фотодатчик импульсного излечения обеспечивает значительный выигрыш в чувствительности и точности преобразования в широком диапазоне внешней засветки, что указывает на решение поставленной проблемы.