RU2800159C1

RU2800159C1 - Фотоприёмное устройство

Info

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

Abstract

Изобретение относится к области измерительной техники и касается фотоприемного устройства. Фотоприемное устройство содержит фотодиод, первый и второй операционные усилители, коммутатор, блок управления, аналоговый сумматор и выходной блок. 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. Технический результат заключается в повышении точности регистрации световых потоков. 1 ил.

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах разного назначения.

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/.

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.

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.

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.

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.

Технический результат от использования изобретения заключается в повышении точности регистрации световых потоков.

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.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема фотоприемного устройства.

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.

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 напряжения

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 напряжение

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 напряжения

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.

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.

Заявленное фотоприемное устройство позволяет регистрировать слабые световые потоки в широком температурном диапазоне с минимальными погрешностями.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Носов Ю.Р., Сидоров А.С. Оптроны и их применение. М., «Радио и связь», 1981, с. 215, рис. 5.9а.

2. Чернов Е.И. О фотоприемных устройствах на основе фотодиода и двух операционных усилителей. // Автометрия, 1990, №6, с. 55-61 (прототип).

Claims

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, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит 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.