RU2800159C1

RU2800159C1 - Light receiver

Info

Publication number: RU2800159C1
Application number: RU2022132774A
Authority: RU
Inventors: Евгений Иванович Чернов
Filing date: 2022-12-13
Publication date: 2023-07-19

Abstract

FIELD: measuring technology.

SUBSTANCE: invention relates to a photodetector. The photodetector comprises a photodiode, the first and second operational amplifiers, a switch, a control unit, an analog adder and an output unit. One photodiode electrode is connected to the inputs of the first and second keys of the switch, the other electrode of the photodiode is connected to the inputs of the third and fourth keys of the switch. The outputs of the first and third keys are connected to the inverting input of the first operational amplifier, the outputs of the second and fourth keys are connected to the inverting input of the second operational amplifier. The control inputs of the first and fourth keys are connected to the first output of the control unit, the second output of which is connected to the control inputs of the second and third keys of the switch. The outputs of the operational amplifiers are connected to the output of the photodetector through an analogue adder and an output unit. The third and fourth outputs of the control unit are connected to the output unit.

EFFECT: increased accuracy of recording light fluxes.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах разного назначения.The invention relates to measuring technology and can be used in information and measuring systems for various purposes.

Известно фотоприемное устройство, содержащее фотодиод и операционный усилитель, неинвертирующий вход которого подключен к общей шине, а инвертирующий вход подключен через резистор к его выходу и к одному из электродов фотодиода, другой электрод которого подключен к общей шине /1/.A photodetector is known, containing a photodiode and an operational amplifier, the non-inverting input of which is connected to a common bus, and the inverting input is connected through a resistor to its output and to one of the photodiode electrodes, the other electrode of which is connected to a common bus /1/.

Данное фотоприемное устройство не обеспечивает высокого отношения сигнал-шум и обладает значительными погрешностями из-за напряжения смещения и входного тока операционного усилителя и их температурных и временных дрейфов, что особенно сильно проявляется при работе устройства в широком диапазоне температур и регистрации слабых световых потоков.This photodetector device does not provide a high signal-to-noise ratio and has significant errors due to the bias voltage and input current of the operational amplifier and their temperature and time drifts, which is especially pronounced when the device operates in a wide temperature range and registers weak light fluxes.

Наиболее близким по технической сущности является фотоприемное устройство, содержащее фотодиод и два операционных усилителя /2/. Инвертирующий вход первого усилителя через первый резистор подключен к его выходу и к одному из электродов фотодиода, другой электрод которого подключен к инвертирующему входу второго усилителя, также подключенному через второй резистор к его выходу, неинвертирующие входы усилителей подключены к общей шине.The closest in technical essence is a photodetector containing a photodiode and two operational amplifiers /2/. The inverting input of the first amplifier is connected to its output through the first resistor and to one of the photodiode electrodes, the other electrode of which is connected to the inverting input of the second amplifier, also connected to its output through the second resistor, the non-inverting inputs of the amplifiers are connected to a common bus.

Благодаря тому, что в этом фотоприемном устройстве одновременно регистрируются втекающий и вытекающий фототоки фотодиода оно обеспечивает более высокое отношение сигнал-шум, чем предыдущее фотоприемное устройство, но оно также обладает значительными погрешностями из-за напряжений смещения и входных токов операционных усилителей и их температурных и временных дрейфов.Due to the fact that this photodetector simultaneously registers the incoming and outgoing photodiode photocurrents, it provides a higher signal-to-noise ratio than the previous photodetector, but it also suffers from significant errors due to bias voltages and input currents of operational amplifiers and their temperature and time drifts.

Задача, на решение которой направлено изобретение, связана с введением в фотоприемное устройство новых элементов и связей, приводящих к устранению погрешностей, обусловленных напряжениями смещений и входных токов усилителей и их температурными и временными дрейфами.The problem to be solved by the invention is associated with the introduction of new elements and connections into the photodetector, leading to the elimination of errors caused by bias voltages and input currents of amplifiers and their temperature and time drifts.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности регистрации световых потоков.The technical result from the use of the invention is to increase the accuracy of registration of light fluxes.

Указанный технический результат достигается тем, что в фотоприемное устройство, содержащее фотодиод, первый и второй операционные усилители, неинвертирующие входы которых подключены к общей шине, инвертирующий вход первого усилителя через первый резистор подключен к его выходу, инвертирующий вход второго усилителя через второй резистор подключен к его выходу, в устройство дополнительно введены коммутатор, блок управления, аналоговый сумматор и выходной блок, при этом один электрод фотодиода подключен к входам первого и второго ключей коммутатора, другой электрод фотодиода подключен к входам третьего и четвертого ключей коммутатора, выходы первого и третьего ключей подключены к инвертирующему входу первого операционного усилителя, выходы второго и четвертого ключей подключены к инвертирующему входу второго операционного усилителя, управляющие входы первого и четвертого ключей подключены к первому выходу блока управления, второй выход которого подключен к управляющим входам второго и третьего ключей коммутатора, выходы операционных усилителей через аналоговый сумматор и выходной блок подключены к выходу фотоприемного устройства, третий и четвертый выходы блока управления подключены к выходному блоку.The specified technical result is achieved by the fact that in the photodetector containing a photodiode, the first and second operational amplifiers, the non-inverting inputs of which are connected to a common bus, the inverting input of the first amplifier is connected to its output through the first resistor, the inverting input of the second amplifier is connected to its output through the second resistor, a switch, a control unit, an analog adder and an output unit are additionally introduced into the device, while one photodiode electrode is connected to the inputs of the first and second keys of the switch, the other electrode of the photodiode is connected to the input m of the third and fourth keys of the switch, the outputs of the first and third keys are connected to the inverting input of the first operational amplifier, the outputs of the second and fourth keys are connected to the inverting input of the second operational amplifier, the control inputs of the first and fourth keys are connected to the first output of the control unit, the second output of which is connected to the control inputs of the second and third switches of the switch, the outputs of the operational amplifiers through an analog adder and the output unit are connected to the output of the photodetector, the third and fourth outputs of the unit controls are connected to the output unit.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема фотоприемного устройства.In FIG. 1 shows the circuit diagram of the photodetector.

Фотоприемное устройство включает в себя фотодиод 1, операционные усилители 2 (первый), 3 (второй), резисторы 4 (первый), 5 (второй), коммутатор 6 с ключами 61, 62, 63, 64, блок управления 7, аналоговый сумматор 8, входной блок 9. В качестве блока управления 7 может быть использован микроконтроллер. Блок 9 может иметь разное исполнение. На фиг. 1 блок 9 содержит конденсатор 91, резистор 92, ключи 93, 94, аналоговый сумматор 95, фильтр нижних частот 96.The photodetector includes a photodiode 1, operational amplifiers 2 (first), 3 (second), resistors 4 (first), 5 (second), switch 6 with keys 61, 62, 63, 64, control unit 7, analog adder 8, input unit 9. A microcontroller can be used as control unit 7. Block 9 may have different designs. In FIG. 1 block 9 contains a capacitor 91, a resistor 92, switches 93, 94, an analog adder 95, a low-pass filter 96.

Фотоприемное устройство работает следующим образом. С выходов 1, 2 блока управления 7 на управляющие входы ключей коммутатора 6 подаются управляющие сигналы в виде противофазных меандров. В зависимости от этих сигналов можно выделить два периодически повторяющихся рабочих такта. Во время первого такта ключи 61, 64 замкнуты, а ключи 62, 63 разомкнуты. При этом катод фотодиода 1 подключен к инвертирующему входу усилителя 2, а анод - к инвертирующему входу усилителя 3. На выходах усилителей 2, 3 формируются напряженияThe photodetector works as follows. From the outputs 1, 2 of the control unit 7 to the control inputs of the keys of the switch 6, control signals are supplied in the form of anti-phase meanders. Depending on these signals, two periodically repeating working cycles can be distinguished. During the first cycle, switches 61, 64 are closed and switches 62, 63 are open. In this case, the cathode of photodiode 1 is connected to the inverting input of amplifier 2, and the anode is connected to the inverting input of amplifier 3. Voltages are formed at the outputs of amplifiers 2, 3

где g - токовая чувствительность фотодиода 1, F₁ - поток излучения, падающий на входное окно фотодиода во время первого такта, R₄, R₅ - сопротивления соответственно резисторов 4, 5, U_cм2, U_см3 - напряжения смещения на выходах соответственно усилителей 2, 3, вызванные собственными напряжениями смещения операционных усилителей и их входными токами, протекающими соответственно через резисторы 4, 5. Во время первого такта на выходе сумматора 8 формируется напряжениеwhere G is the current sensitivity of the photodiode 1, F ₁ - the radiation flow that falls on the inpat window of the photodiode during the first tact, R ₄ , R ₅ - resistance of resistors 4, 5, U _CM2 , u _cm3 - displacement voltages 2, 3, caused by its own voltages of the displacement of operating amplifiers and their input currents, which flow respectively through resistors 4, 5. During the first tact of the exit on the exit, 5. summer 8, voltage is formed

где K₊, K_- - коэффициенты передачи сумматора 8 соответственно по входам «+» и «-». Во время второго такта ключи 61, 64 коммутатора 6 размыкаются, а ключи 62, 63 замыкаются. При этом анод фотодиода 1 подключается к инвертирующему входу усилителя 2, а катод - к инвертирующему входу усилителя 3. На входах усилителей 2, 3 и сумматора 8 формируются напряженияwhere K ₊ , K _- - transfer coefficients of the adder 8, respectively, on the inputs "+" and "-". During the second cycle, the keys 61, 64 of the switch 6 are opened, and the keys 62, 63 are closed. In this case, the anode of photodiode 1 is connected to the inverting input of amplifier 2, and the cathode is connected to the inverting input of amplifier 3. Voltages are formed at the inputs of amplifiers 2, 3 and adder 8

где F₂ - поток излучения, падающий на входное окно фотодиода во время второго такта. Как следует из выражений (2), (3) напряжение на выходе сумматора 8 состоит из двух составляющих - переменной, зависящей от светового потока, и постоянной. При прохождении выходного сигнала сумматора 8 через разделительный конденсатор 91 выходного блока 9 постоянная составляющая пропадает. Во время первого такта с выхода (3) блока управления 7 на управляющий вход ключа 93 подается импульс, замыкающий этот ключ. Ключ 94 при этом разомкнут. Во время второго такта управляющий импульс с выхода (4) блока управления 7 поступает на управляющий вход ключа 94. Ключ 94 при этом замкнут, а ключ 93 разомкнут. На выходе сумматора 95 формируется сигнал одной полярности. При прохождении через фильтр нижних частот 96 выделяется постоянная составляющая, пропорциональная входному световому потоку, падающему на фотодиод 1.where F ₂ is the radiation flux incident on the input window of the photodiode during the second cycle. As follows from expressions (2), (3) the voltage at the output of the adder 8 consists of two components - a variable that depends on the luminous flux, and a constant. When the output signal of the adder 8 passes through the coupling capacitor 91 of the output unit 9, the DC component disappears. During the first cycle from the output (3) of the control unit 7 to the control input of the key 93, a pulse is applied that closes this key. Key 94 is open. During the second cycle, the control pulse from the output (4) of the control unit 7 is fed to the control input of the key 94. The key 94 is closed, and the key 93 is open. At the output of the adder 95, a signal of one polarity is formed. When passing through the low-pass filter 96, a constant component is allocated, proportional to the input light flux incident on the photodiode 1.

Следует отметить, что импульсы с выходов 3, 4 блока управления 7 по длительности короче импульсов с выходов 1, 2 этого же блока и не захватывают области, соответствующие переходным процессам, обусловленным переключением ключей коммутатора 6. Благодаря этому в устройстве отсутствуют коммутационные помехи.It should be noted that the pulses from the outputs 3, 4 of the control unit 7 are shorter in duration than the pulses from the outputs 1, 2 of the same unit and do not cover the areas corresponding to the transient processes caused by switching the keys of the switch 6. Due to this, there is no switching interference in the device.

Заявленное фотоприемное устройство позволяет регистрировать слабые световые потоки в широком температурном диапазоне с минимальными погрешностями.The claimed photodetector allows you to register weak light fluxes in a wide temperature range with minimal errors.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. Носов Ю.Р., Сидоров А.С. Оптроны и их применение. М., «Радио и связь», 1981, с. 215, рис. 5.9а.1. Nosov Yu.R., Sidorov A.S. Optocouplers and their application. M., "Radio and communication", 1981, p. 215, fig. 5.9a.

2. Чернов Е.И. О фотоприемных устройствах на основе фотодиода и двух операционных усилителей. // Автометрия, 1990, №6, с. 55-61 (прототип).2. Chernov E.I. On photodetectors based on a photodiode and two operational amplifiers. // Avtometry, 1990, No. 6, p. 55-61 (prototype).

Claims

A photodetector device containing a photodiode, the first and second operational amplifiers, the non-inverting inputs of which are connected to a common bus, the inverting input of the first amplifier is connected to its output through the first resistor, the inverting input of the second amplifier is connected to its output through the second resistor, characterized in that the device additionally contains a switch, a control unit, an analog adder and an output unit, while one photodiode electrode is connected to the inputs of the first and second keys of the switch, the other photodiode electrode is connected to the inputs of the third and fourth keys switch, the outputs of the first and third keys are connected to the inverting input of the first operational amplifier, the outputs of the second and fourth keys are connected to the inverting input of the second operational amplifier, the control inputs of the first and fourth keys are connected to the first output of the control unit, the second output of which is connected to the control inputs of the second and third keys of the switch, the outputs of the operational amplifiers through an analog adder and the output unit are connected to the output of the photodetector, the third and fourth outputs of the control unit are connected to the output unit y.