×
27.07.2015
216.013.686a

МИКРОМОЩНЫЙ ФОТОДАТЧИК С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Использование: для преобразования интенсивности светового потока инфракрасного, видимого и ультрафиолетового оптического диапазонов, а также рентгеновского излучения в частоту импульсов. Сущность изобретения заключается в том, что микромощный фотодатчик с частотным выходом содержит фотодиод, катод которого подключен к входу логического инвертора, выход которого соединен с первым выводом резистора, полевой транзистор, затвор которого подключен к второму выходу резистора, а сток и исток полевого транзистора подключены к входу логического инвертора, в качестве которого применен инвертирующий триггер Шмитта, анод фотодиода соединен с нулевой цепью, а выход триггера Шмитта является выходом устройства. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительности, расширения динамического диапазона преобразования излучения в частоту импульсов и уменьшения потребляемой мощности. 2 ил.
Основные результаты: Микромощный фотодатчик с частотным выходом, содержащий фотодиод, катод которого подключен к входу логического инвертора, выход которого соединен с первым выводом резистора, отличающийся тем, что в него дополнительно введен полевой транзистор, объединенные сток и исток которого подключены к второму выводу резистора, а затвор полевого транзистора подключен к входу логического инвертора, в качестве которого применен инвертирующий триггер Шмитта, причем анод фотодиода соединен с нулевой цепью, а выход инвертирующего триггера Шмитта является выходом устройства.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для преобразования интенсивности светового потока инфракрасного, видимого и ультрафиолетового оптического диапазонов, а также рентгеновского излучения в частоту импульсов.

Известен фотодатчик с преобразованием интенсивности потока светового излучения в частоту импульсов (Жарников С.Д., Игнатенко О.В., Кугейко М.М., Малевич И.А., Стальмаков И.В. Способ фотометрирования световых потоков и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2014574, МПК G01J 1/44. Опубл. 15.06.1994 г.), содержащий фотодиод, катод которого подключен к инвертирующему входу дифференциального усилителя, к выходу которого подключены резисторы и конденсатор цепи обратной связи для обеспечения работы устройства в автогенераторном режиме.

Недостатками такого устройства является малый динамический диапазон входного излучения и низкая чувствительность, которые ограничиваются сопротивлениями применяемых резисторов, увеличение которых приводит к повышению чувствительности и к сужению диапазона преобразования оптического сигнала в частоту импульсов напряжения, а уменьшение сопротивлений ухудшает чувствительность фотодатчика. Еще одним недостатком данного устройства является большое энергопотребление от источников питания, которое затрачивается на заряд и разряд конденсатора в цепи обратной связи усилителя, а также для питания дифференциального усилителя, т.к. для увеличения скорости нарастания выходного сигнала и сокращения длительности фронтов выходных импульсов необходимо повышать его ток питания до единиц миллиампер.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению аналогом (прототипом) является фотодатчик с частотным выходом (Алоец А.М., Решетников В.А. Способ измерения световых потоков и устройство для его осуществления. Патент на изобретение №2207525, МПК G01J 1/44. Опубл. 27.06.2003 г.), содержащий фотодиод, катод которого подключен к входу логического инвертора, выход которого соединен с первым выводом резистора. Кроме того, для формирования частоты колебаний в схеме этого устройства используется времязадающий конденсатор и дополнительные логические инверторы.

Недостатками данного устройства является низкая чувствительность и ограниченный динамический диапазон преобразования оптического излучения, которые ограничиваются сопротивлением резистора. При этом для повышения чувствительности необходимо увеличивать его сопротивление, а для расширения динамического диапазона преобразования, наоборот, уменьшать номинал этого резистора. Кроме того, к недостаткам данного фотодатчика относится сравнительно большая потребляемая мощность, необходимая для перезаряда времязадающего конденсатора и затрачиваемая на переключение нескольких логических инверторов в процессе формирования выходных импульсов.

Задачей изобретения является создание микромощного фотодатчика с частотным выходом, позволяющего получить повышение чувствительности, расширение динамического диапазона преобразования излучения в частоту импульсов и уменьшение потребляемой мощности.

Эта задача решается тем, что в микромощный фотодатчик с частотным выходом, содержащий фотодиод, катод которого подключен к входу логического инвертора, выход которого соединен с первым выводом резистора, согласно изобретению дополнительно введен полевой транзистор, объединенные сток и исток которого подключены к второму выводу резистора, а затвор полевого транзистора подключен к входу логического инвертора, в качестве которого применен инвертирующий триггер Шмитта. При этом анод фотодиода соединен с нулевой цепью, а выход инвертирующего триггера Шмитта является выходом устройства.

Заявляемое устройство поясняется чертежами, на которых показаны:

фиг. 1 - схема микромощного фотодатчика с частотным выходом;

фиг. 2 - временные диаграммы работы микромощного фотодатчика с частотным выходом.

Микромощный фотодатчик с частотным выходом содержит фотодиод 1, анод которого подключен к нулевой цепи, а катод - к входу триггера Шмитта 2 и к затвору полевого транзистора 3, объединенные исток и сток которого через резистор 4 соединены с выходом триггера Шмитта 2 и выходом устройства (фиг. 1).

Микромощный фотодатчик с частотным выходом работает следующим образом. В начальный момент времени емкость С1 фотодиода 1 разряжена, поэтому напряжение на входе инвертирующего триггера Шмитта U1≈0, поэтому его выходное напряжение примерно равно напряжению питания UВЫХ≈+UПИТ. Этим напряжением открывается полевой транзистор 3, выполняющий функцию диода, и емкость C1 фотодиода 1 быстро заряжается током, протекающим через резистор 4 и открытый полевой транзистор 3, до напряжения срабатывания UСРАБ триггера Шмитта 2. При выполнении условия U1≥UCPAБ триггер Шмитта 2 переключается в нулевое состояние, и его низким напряжением UВЫХ≈0 закрывается полевой транзистор 3.

Если на светочувствительную поверхность фотодиода 1 подается поток Ф исследуемого оптического или рентгеновского излучения, то под его воздействием фотодиод 1 вырабатывает фототок IФ>0. Этот фототок разряжает собственную емкость C1 фотодиода 1 по линейному закону, т.к. фотодиод 1 находится в закрытом состоянии из-за малого напряжения UВЫХ≈0, которое подается с выхода триггера Шмитта 2 через резистор 4 и полевой транзистор 3. Внутреннее сопротивление фотодиода 1 в закрытом состоянии составляет несколько гигаом, поэтому не влияет на линейность процесса разряда его емкости C1. Кроме того, при разряде этой емкости полевой транзистор 3 в диодном включении также закрыт, поэтому его ток затвора, как и входной ток триггера Шмитта 2 на КМОП микросхеме пренебрежимо мал и не оказывает влияния на линейность процесса разряда емкости С1 фотодиода 1 (фиг. 2).

Разряд внутренней емкости С1 фотодиода 1 фототоком IФ продолжается до тех пор, пока его напряжение U1 не сравняется с напряжением отпускания UОТП триггера Шмитта 2. При выполнении условия U1≤UОТП триггер Шмитта 2 переключается в высокое состояние, и его выходным напряжением UВЫХ≈+UПИТ открывается полевой транзистор 3, а емкость С1 фотодиода 1 быстро заряжается до напряжения срабатывания UСРАБ триггера Шмитта 2 током, протекающим через резистор 4 и полевой транзистор 3. При выполнении условия U1≥UСРАБ триггер Шмитта 2 переключается в нулевое состояние, и его выходное напряжение становится низким UВЫХ≈0. Этим напряжением снова закрывается полевой транзистор 3, после чего начинается следующий цикл разряда емкости С1 фототоком IФ фотодиода 1, т.е. процесс повторяется аналогичным образом.

Зона гистерезиса триггера Шмитта 2 зависит от его напряжения питания ΔUГ=UСРАБ-UОТП≈UПИТ/3, поэтому частота импульсов на его выходе прямо пропорциональна измеряемому фототоку IФ и зависит от зоны гистерезиса триггера Шмитта 2, сопротивления R4 резистора 4 и сопротивления R3 открытого канала полевого транзистора 3:

fВЫХ≈IФ(R3+R4)/2ΔUГtРАЗ.

Время разряда tРАЗ емкости С1 фотодиода 1 в пределах зоны гистерезиса нелинейно зависит от измеряемого фототока IФ и определяется выражением

tРАЗ=(R3+R41·[ln2+ln(1+IФtРАЗ1ΔUГ)].

Линейное преобразование фототока IФ в частоту импульсов обеспечивается при большом токе разряда IРАЗ=2ΔUГ/(R3+R4)>>IФ емкости C1, с учетом которого время ее разряда составляет

tРАЗ≈(R3+R41·ln2≈0,7(R3+R41,

а частота выходных импульсов фотодатчика определяется выражением

fВЫХ≈0,7IФ/ΔUГС1.

Высокая чувствительность предлагаемого устройства к потоку излучения Ф при одновременном расширении диапазона преобразования обеспечивается за счет разделения цепей заряда и разряда емкости С1 фотодиода 1 посредством применения в цепи обратной связи полевого транзистора 3, выполняющего функцию высококачественного диода с малым обратным током. Разрешающая способность предлагаемого фотодатчика ограничивается снизу обратным током IОБР≈(10…20) нА закрытого фотодиода 1, входным током IВХ≤1 нА триггера Шмитта 2 и током затвора IЗ≤1 нА полевого транзистора 3. Максимальное значение фототока в этом устройстве ограничивается только сопротивлением R4 резистора 4 и определяется выражением

IФ.МАХ≤(UПИТ-UСРАБ-U3)/R4.

Например, при напряжении питания UПИТ=5 В и пороге срабатывания UСРАБ=3 В триггера Шмитта, падении напряжения U3≈0,5 В на открытом канале полевого транзистора 3 и сопротивлении R4=1 кОм резистора 4 максимальное значение фототока составляет IФ.МАХ≤1,5 мА. При минимальном значении IФ.MIN≥30 нА фототока диапазон преобразования превышает четыре порядка: D=IФ.МАХ/IФ.МIN≈1,5·10-3/30·10-9=50000.

Уменьшение потребляемой мощности в предлагаемом устройстве по сравнению с аналогами и прототипом обеспечивается за счет применения одного логического КМОП элемента типа «Триггер Шмита» вместо нескольких логических инверторов, а также за счет использования собственной емкости фотодиода в качестве времязадающего элемента. Это позволило исключить ток перезаряда дополнительного конденсатора, применяемого в известных устройствах для формирования колебаний в генераторах с положительной обратной связью. Вследствие этого ток питания предлагаемого фотодатчика зависит, в основном, от значения измеряемого фототока IФ и не превышает единиц микроампер при контроле слабых потоков Ф оптического и рентгеновского излучения.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения (применение полевого транзистора в качестве диода с малым обратным током, использование собственной емкости фотодиода в качестве времязадающего элемента и триггера Шмитта в качестве инвертора), отсутствуют, что указывает на соответствие изобретения условию патентоспособности «новизна».

Отличительные признаки изобретения: применение полевого транзистора в диодном включении для разделения цепей заряда и разряда емкости фотодиода, использование этой емкости в качестве времязадающего звена 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».

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 фототек можно использовать фотодиод типа ФД253, для формирования тока разряда - полевой транзистор КП303Е с током стока IC≤0,1 нА, резистор 4 типа С2-29В с сопротивлением R4=1 кОм и инвертирующий триггер Шмитта на микросхеме типа К561ТЛ2 или КР1554ТЛ2.

Для оценки энергопотребления предлагаемого фотодатчика проведено его экспериментальное исследование, в результате которого установлено, что при питающем напряжении UПИТ=+5 В ток потребления фотодатчика изменяется от минимального значения IПИТ.MIN=4 мкА при затемнении светочувствительного окна фотодиода до максимального уровня IПИТ.MAX=112 мкА при возрастании фототока до значения IФ=100 мкА. Предварительно была измерена собственная емкость закрытого фотодиода типа ФД253, которая составила С1=985 пФ. В результате установлено, что при изменении фототока в диапазоне IФ=(0,02…100) мкА частота выходных импульсов изменяется от начального значения fВЫХ НАЧ=9 Гц до fВЫХ MAX=43 кГц, что также подтверждает высокую чувствительность предлагаемого устройства к измеряемому излучению.

Таким образом, при такой совокупности существенных признаков предлагаемый микромощный фотодатчик с частотным выходом позволяет значительно повысить чувствительность к оптическому излучению, расширить диапазон преобразования и уменьшить среднее энергопотребление при минимальных аппаратурных затратах, что позволяет его использовать в устройствах фотоэлектрического контроля различного функционального назначения.

Микромощный фотодатчик с частотным выходом, содержащий фотодиод, катод которого подключен к входу логического инвертора, выход которого соединен с первым выводом резистора, отличающийся тем, что в него дополнительно введен полевой транзистор, объединенные сток и исток которого подключены к второму выводу резистора, а затвор полевого транзистора подключен к входу логического инвертора, в качестве которого применен инвертирующий триггер Шмитта, причем анод фотодиода соединен с нулевой цепью, а выход инвертирующего триггера Шмитта является выходом устройства.
МИКРОМОЩНЫЙ ФОТОДАТЧИК С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ
МИКРОМОЩНЫЙ ФОТОДАТЧИК С ЧАСТОТНЫМ ВЫХОДОМ
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 64.
10.01.2013
№216.012.1a91

Способ неблокируемой маршрутизации

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к технике электросвязи, и, в частности, может применяться на волоконно-оптических сетях связи при необходимости обеспечения неблокируемой маршрутизации для любого из узлов сети. Технический результат заключается в уменьшении аппаратурной сложности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002472293
Дата охранного документа: 10.01.2013
27.04.2013
№216.012.3bf7

Способ цифровой оптической связи

Изобретение относится к области цифровых оптических систем связи и может быть использовано при создании и совершенствовании таких систем. Техническим результатом является снижение задержки передачи данных при цифровой оптической связи. Результат достигается реализацией «разгоняющего» принципа...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002480912
Дата охранного документа: 27.04.2013
10.05.2013
№216.012.3f0e

Способ передачи мультипротокольных информационных потоков и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к области многоканальных волоконно-оптических систем передачи, в частности к системам, использующим спектральное мультиплексирование каналов. Технический результат состоит в разработке способа передачи мультипротокольных информационных потоков и устройства для его...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002481709
Дата охранного документа: 10.05.2013
20.05.2013
№216.012.424c

Способ установления подлинности оригиналов бумажных документов

Изобретение относится к средствам установления подлинности бумажного документа при его получении исполнителем для ознакомления с цифровой копией его оригинала, согласованного, подписанного и утвержденного ответственными лицами оригинала, единожды занесенного в электронную базу данных....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002482542
Дата охранного документа: 20.05.2013
10.08.2013
№216.012.5d3c

Способ определения бактерицидных свойств сыворотки крови

Изобретение относится к области биомедицинских измерительных технологий. Сущностью изобретения является количественная оценка воздействия сыворотки крови человека или животных на лабораторный штамм Bacillus subtilis ВКПМ В-10548, эффективно экспрессирующий luxAB-гены грамотрицательного морского...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489489
Дата охранного документа: 10.08.2013
10.02.2014
№216.012.9d94

Способ определения ложности передаваемой информации по динамике параметров невербального поведения человека

Изобретение относится к области когнитивной психологии и психофизиологии и может быть использовано для установления достоверности содержания передаваемой человеком информации в интеллектуальных инфокоммуникационных системах, а также при проведении служебных расследований. Проводят...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002506048
Дата охранного документа: 10.02.2014
10.04.2014
№216.012.b0b8

Способ обнаружения эмоций по голосу

Изобретение относится к средствам распознавания эмоций человека по голосу. Технический результат заключается в повышении точности определения эмоционального состояния русскоязычного абонента. Обнаруживают интенсивности голоса и темпа, определяемого скоростью, с которой появляется голос,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002510955
Дата охранного документа: 10.04.2014
27.04.2014
№216.012.bd15

Способ моделирования поиска подвижных абонентов на сетях связи

Изобретение относится к области моделирования сетей связи. Техническим результатом является повышение достоверности оценки моделируемых процессов функционирования и состояний динамически перемещающихся абонентов сетей связи относительно реально функционирующих (существующих) в реальном масштабе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002514144
Дата охранного документа: 27.04.2014
20.08.2014
№216.012.ebc3

Способ прогнозирования риска развития инфекционно-воспалительных осложнений у женщин с внутриматочной патологией после гистероскопии

Изобретение относится к медицине, в частности к гинекологии, и может быть использовано для прогнозирования риска развития инфекционно-воспалительных осложнений у женщин с внутриматочной патологией после гистероскопии. Способ включает учет следующих клинических, анамнестических и лабораторных...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002526163
Дата охранного документа: 20.08.2014
27.09.2014
№216.012.f85d

Способ подготовки полиграфолога

Изобретение относится к области медицины, а именно к области проведения психофизических опытов, и может быть использовано в психологии, физиологии, подготовке специалиста полиграфолога, оценке пригодности полиграфолога для задач функциональной диагностики, требующих развития и тренировки...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002529418
Дата охранного документа: 27.09.2014
Показаны записи 1-10 из 96.
10.01.2013
№216.012.1a91

Способ неблокируемой маршрутизации

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к технике электросвязи, и, в частности, может применяться на волоконно-оптических сетях связи при необходимости обеспечения неблокируемой маршрутизации для любого из узлов сети. Технический результат заключается в уменьшении аппаратурной сложности...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002472293
Дата охранного документа: 10.01.2013
20.01.2013
№216.012.1dc4

Устройство диагностирования каналов передачи цифровой информации

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в повышении достоверности диагностирования КПЦИ за счет вероятностного прогнозирования возможности возникновения отказов (сбоев) в измеряемых приемниках и комплектах оконечной аппаратуры на заданный интервал...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002473114
Дата охранного документа: 20.01.2013
27.01.2013
№216.012.210f

Способ обнаружения идентификационных признаков для различных буквенно-знаковых систем письменности

Изобретение относится к области информатики и вычислительной техники и может использоваться для обработки информационных потоков и обнаружения в них заданных эталонных признаков, представленных в различных буквенно-знаковых системах письменности. Техническим результатом является расширение...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002473964
Дата охранного документа: 27.01.2013
10.05.2013
№216.012.3f0e

Способ передачи мультипротокольных информационных потоков и устройство для его осуществления

Изобретения относятся к области многоканальных волоконно-оптических систем передачи, в частности к системам, использующим спектральное мультиплексирование каналов. Технический результат состоит в разработке способа передачи мультипротокольных информационных потоков и устройства для его...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002481709
Дата охранного документа: 10.05.2013
20.05.2013
№216.012.424c

Способ установления подлинности оригиналов бумажных документов

Изобретение относится к средствам установления подлинности бумажного документа при его получении исполнителем для ознакомления с цифровой копией его оригинала, согласованного, подписанного и утвержденного ответственными лицами оригинала, единожды занесенного в электронную базу данных....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002482542
Дата охранного документа: 20.05.2013
20.06.2013
№216.012.4e1a

Система управления жизненным циклом компьютерных систем на основе интегрированной модели

Изобретение относится к средствам управления компьютерными системами и приложениями. Техническим результатом является повышение результативности управления компьютерными системами и приложениями. Система содержит компонент концептуального управления, компонент интеграции и управления, компонент...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485576
Дата охранного документа: 20.06.2013
20.06.2013
№216.012.4e24

Способ идентификации сигналов

Изобретение относится к способам идентификации сигналов. Техническим результатом является снижение временной длительности процедуры идентификации анализируемого сигнала с эталонами и сокращение памяти, необходимой для хранения эталонных образцов сигналов. Технический результат заявленного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002485586
Дата охранного документа: 20.06.2013
27.06.2013
№216.012.5261

Устройство синхронизации псевдослучайной последовательности с функцией исправления ошибок

Изобретение относится к технике передачи дискретной информации и предназначено для синхронизации псевдослучайных последовательностей. Технический результат - обеспечение правильной синхронизации при снижении качества канала связи одновременно с отсутствием возможности ложной синхронизации. Для...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002486682
Дата охранного документа: 27.06.2013
20.08.2013
№216.012.6229

Рамочная двухвитковая антенна в защитном корпусе

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к антенной технике, и может быть использовано в качестве приемных и передающих антенн средств связи декаметрового диапазона радиоволн. Технический результат - повышение КПД антенны, защита от климатических и механических воздействий....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002490761
Дата охранного документа: 20.08.2013
10.10.2013
№216.012.7497

Способ снижения скорости передачи низкоскоростных вокодеров с линейным предсказанием

Изобретение относится к области цифровой связи и может быть использовано в системах телеинформационных коммуникаций для эффективного кодирования речевых сигналов. Техническим результатом предлагаемого способа является уменьшение скорости передачи данных по каналам связи при эффективном...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002495504
Дата охранного документа: 10.10.2013
+ добавить свой РИД