Быстродействующий преобразователь тока в напряжение

Быстродействующий преобразователь тока в напряжение
Полезная модель относится к области промышленной электроники и может быть использовано в приборостроении для создания быстродействующих устройств, в частности, при считывании сигналов линейных фотоприемников, используемых в современных рентгенографических аппаратах.
В настоящее время в большинстве медицинских учреждений для флюорографии и рентгенографии стали широко использоваться цифровые сканирующие системы, основанные на использовании линейных детекторов (фотоприемников), преобразующих интенсивность прошедщего через облучаемый объект излучения в электрический сигнал. При использовании указанных фотоприемников возможно существенно (в несколько десятков раз) снизить дозу облучения объекта исследования. Доза облучения в основном зависит от скорости сканирования веерным рентгеновским пучком излучения. Для обеспечения высоких скоростей сканирования, необходимо обеспечить высокую скорость считывания сигналов с линеек фотоприемников.
Указанные детекторы представляют собой линейные массивы светочувствительных элементов - фотодиодов, которые являются источниками тока. Все элементы массива подключаются поочередно коммутатором к общему выходу, с которого токовый сигнал поступает для преобразования в напряжение для последующей оцифровки и получения видеосигнала, который выводится на монитор компьютера в виде рентгеновского изображения. Суммарное количество элементов массива может достигать нескольких тысяч. Это создает больщую (несколько нанофарад) паразитную емкость, подключенную параллельно выходу массива. Кроме того, эта емкость зависит от освещенности массива и может меняться во время сканирования. Поэтому для создания быстродействующих фотоприемников встала задача создания преобразователя тока в напряжение, который при высоком быстродействии (десятки наносекунд) был бы нечувствителен к паразитной выходной емкости источника тока.
Известен преобразователь тока, (см. У. Титце, К. Шенк. Полупроводниковая схемотехника. Москва, «Мир, 1982г., стр.10), включающий источник тока и подключенный последовательно к нему резистор, преобразующий протекающий ток в напряжение по закону Ома. Данный преобразователь прост в реализации, однако из-за того, что выходное напряжение перезаряжает паразитную емкость Ся, обладает низким быстродействием, ограниченным значением постоянной времени определяемой вьфажение: т  ROTH  Сп , где Кптн - сопротивление резистора преобразователя, а Сп - паразитная емкость.
Кроме того, быстродействие такого преобразователя зависит от величины емкости Сп и выходного напряжения.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению (прототипом) является преобразователь тока, (см. П. Хоровиц, У. Хилл. Искусство схемотехники. Том 1. Москва, «Мир, 1993г., стр. 190-191), включающий инвертирующий усилитель, вход которого соединен с источником тока, между входом и выходом инвертирующего усилителя включен резистор, задающий коэффициент преобразования устройства, а выход инвертирующего усилителя является выходом преобразователя. Известный преобразователь лищен недостатков, связанных с перезарядкой паразитной емкости источника сигнала, т.к. выход источника сигнала всегда держится в нуле напряжения. Однако паразитная емкость источника сигнала оказывает влияние на обратную связь в операционном усилителе, внося дополнительный сдвиг фазы. Схема теряет запас устойчивости, вследствие чего реакцией на быстро изменяющийся сигнал будет медленно затухающий колебательный переходный процесс. Быстродействие этой схемы также будет зависеть от величины Сп и будет меняться с изменением емкости.
Технической задачей, решаемой настоящей полезной моделью является устранение зависимости выходного напряжения от паразитной емкости источника тока.
Указанная задача в быстродействующем преобразователе тока в напряжение, включающем инвертирующий усилитель между входом и выходом которого включен резистор, задающий коэффициент преобразования устройства, достигается тем, что в устройство дополнительно введен повторитель тока, вход которого соединен со входом преобразователя, а его выход подключен ко входу инвертирующего усилителя.
Введение повторителя тока отвязывает паразитную выходную емкость источника тока от усилителя, вследствие чего эта емкость перестает вносить дополнительный фазовый сдвиг в обратную связь усилителя. Быстродействие такого преобразователя не зависит ни от выходной емкости источника тока, ни от коэффициента преобразования и определяется только скоростями усилителя и повторителя тока.
В качестве повторителя тока может быть использован биполярный транзистор, включенный по схеме с общей базой, эмиттер которого соединен со входом преобразователя, база соединена с общей щиной а коллектор подключен ко входу инвертирующего усилителя. Данный вариант выполнения преобразователя отличается простотой в изготовлении и высоким быстродействием, однако для ее реализации требуются транзисторы, не выходящие из линейного режима при уменьшении напряжения Икэ ДО нуля. Кроме того, указанный преобразователь не имеет элементов термостабилизации, что делает его чувствительным к изменениям температуры.
Выгодно в качестве повторителя тока использовать трехполюсник, вьшолненный на базе двух комплементарных транзисторов, соединенных по схеме «токового зеркала. Указанная реализация преобразователя нечувствительна к изменениям температуры и обладает высоким быстродействием.
В качестве инвертирующего усилителя можно использовать операционный усилитель, между инвертирующим входом и выходом которого включен резистор, задающий коэффициент преобразования, инвертирующий вход соединен с выходом повторителя тока и через источник тока сдвига подключен к источнику отрицательного питания, а неинвертирующий вход через источник смещения подключен к общей шине. Подобный преобразователь обладает высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном и гибкостью к выбору элементов повторителя тока.
Указанное вьшолнение преобразователя позволяет осуществлять операцию преобразования тока в напряжение от источников тока с высоким быстродействием, не зависящим от величины входной паразитной емкости, что не имеет аналогов среди известных преобразователей, а значит, соответствует критерию «изобретательский уровень.
На фиг.1 приведена блок-схема заявляемого преобразователя, включающая: инвертирующий усилитель 1, между входом и выходом которого включен резистор 2 (Кптн), задающий коэффициент преобразования устройства; повторитель тока 3, вход которого соединен со входом преобразователя, к которому подключен входной источник тока 4 с паразитной емкостью 5, а выход повторителя тока 3 подключен ко входу инвертирующего усилителя 1.
На фиг.2 приведена блок-схема заявляемого преобразователя с использованием в качестве повторителя тока 3 биполярного транзистора 6.
На фиг.З приведена блок-схема заявляемого преобразователя с использованием в качестве повторителя тока схемы трехполюсника, выполненного по схеме «токового зеркала 7.
На фиг.4 приведена блок-схема заявляемого преобразователя с использованием в качестве повторителя тока биполярного транзистора 6, а в качестве инвертирующего усилителя - операционного усилителя 8, инвертирующий вход которого соединен с выходом повторителя тока и через источник тока сдвига 9 подключен к источнику отрицательного питания, а неинвертирующий вход через источник смещения 10 подключен к общей шине.
чего является повторителем тока. Этот повторитель не охвачен петлей обратной связи, и потенциал на его входе практически не меняется во всем диапазоне входных токов. Таким образом, влияние паразитной выходной емкости Сп источника на выходной сигнал преобразователя ивых сводится на нет (она исключается из формирования петли обратной связи преобразователя, а постоянная времени   C/j  R мала вследствие малости RBX).
Заявляемое устройство (фиг.2) было изготовлено и испытано. В качестве биполярного транзистора 6 был использован транзистор BC857BS (Philips), а в качестве инвертирующего усилителя 1 - операционный усилитель - AD8021 (Analog Device). В качестве входных источников тока использовался массив из 256 фотоэлементов.
Суммарная паразитная выходная емкости Сп массива фотоэлементов  ЗнФ.
Амплитуда импульсов тока 3 мА.
Динамический диапазон 60000 (16-ти разрядный АЦП)
Преобразователь, взятый в качестве прототипа обеспечивал опрос каждого элемента за 5мкс, а заявляемый - за 0.3 Эмке.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет создать быстродействующий преобразователь тока в напряжение, способный компенсировать существующие паразитные емкости линеек фотодетекторов, а значит существенно увеличить скорость преобразования прощедшего через облучаемый объект излучения в электрический сигнал.