ТРАНСРЕЗИСТИВНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ СИГНАЛОВ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ
TRANSRESISTIVE AMPLIFIER FOR SIGNALS OF AVALANCHE PHOTODIODES

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в системах обработки оптической информации, датчиках оптических излучений малой интенсивности, измерителях оптических сигналов в физике высоких энергий и т.п.
Оптическое излучение (ОИ) включает спектры ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных диапазонов. Оно может регистрироваться различными типами фотоприемников, среди которых наиболее часто применяются фотодиоды и кремниевые фотоумножители, реагирующие, как правило, на определенный спектр излучений. Рассматриваемое устройство относится к таким типам преобразователей сигналов.
0
В задачах выделения оптических сигналов сегодня широко используются преобразователи выходных токов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей в выходное напряжение, реализуемые на основе каскадов с низким входным сопротивлением - так называемых трансрезистивных усилителей (ТРУ) [1-10]. Их основной параметр -    сопротивление передачи R, определяет усилительные свойства ТРУ:
вых
вх
0
u=iR,
вх
вых
где i, u - входной ток и выходное напряжение ТРУ.
вх
вх.max
0
В зависимости от численных значений i=i схема ТРУ должна допускать изменение (по усмотрению разработчика) величины R в широких пределах без изменения статического режима активных элементов.
Ближайшим прототипом заявляемого устройства является преобразователь сигналов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей, представленный в монографии «Элементная база радиационно-стойких информационно-измерительных систем / Н.Н.Прокопенко, О.В.Дворников, С.Г.Крутчинский; под общ. ред. д.т.н. проф. Н.Н.Прокопенко - Шахты: ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. - С.22, рис.1.12». Он содержит входной каскад 1 с первым 2 и вторым 3 низкоомными токовыми входами и первым 4 и вторым 5 токовыми выходами, связанными с эмиттерами первого 6 и второго 7 согласующих транзисторов, базы которых объединены, а коллекторы связаны с первой 8 шиной источника питания через соответствующие первый 9 и второй 10 токостабилизирующие двухполюсники, а также соединены с базами соответствующих первого 11 и второго 12 выходных транзисторов, коллекторы которых подключены к первой 8 шине источника питания, а эмиттеры соединены с выходами устройства 13 и 14, первый 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между второй 16 шиной источника питания и первым 13 выходом устройства, второй 17 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между вторым 14 выходом устройства и второй 16 шиной источника питания.
0
Существенный недостаток известного трансрезистивного усилителя-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает широкий диапазон изменения сопротивления передачи R.
0
Основная задача предполагаемого изобретения состоит в расширении допустимого диапазона изменения сопротивления передачи R ТРУ, которое определяется в заявляемой схеме численными значениями сопротивления дополнительного резистора, не влияющего на статический режим транзисторов схемы.
Поставленная задача решается тем, что в трансрезистивном усилителе сигналов лавинных фотодиодов фиг.1, содержащем входной каскад 1 с первым 2 и вторым 3 низкоомными токовыми входами и первым 4 и вторым 5 токовыми выходами, связанными с эмиттерами первого 6 и второго 7 согласующих транзисторов, базы которых объединены, а коллекторы связаны с первой 8 шиной источника питания через соответствующие первый 9 и второй 10 токостабилизирующие двухполюсники, а также соединены с базами соответствующих первого 11 и второго 12 выходных транзисторов, коллекторы которых подключены к первой 8 шине источника питания, а эмиттеры соединены с выходами устройства 13 и 14, первый 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между второй 16 шиной источника питания и первым 13 выходом устройства, второй 17 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между вторым 14 выходом устройства и второй 16 шиной источника питания, предусмотрены новые элементы и связи - в схему введены первый 18 и второй 19 дополнительные транзисторы, базы которых связаны с источником вспомогательного напряжения 20, эмиттер первого 18 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру первого 6 согласующего транзистора, эмиттер второго 19 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго 7 согласующего транзистора, а объединенные базы первого 6 и второго 7 согласующих транзисторов соединены с первым 13 выходом устройства через первый 21 дополнительный резистор, а со вторым 14 выходом устройства - через второй 22 дополнительный резистор.
На чертеже фиг.1 представлена схема усилителя-прототипа, а на чертеже фиг.2 - схема заявляемого устройства в соответствии с пп.1-3 формулы изобретения.
На чертеже фиг.3 представлен частный случай выполнения входного каскада 1.
На чертеже фиг.4 представлена схема фиг.2 в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов ФГУП HI 111 «Пульсар».
На чертеже фиг.5 приведена зависимость коэффициента усиления от частоты усилителя фиг.4 при разных значениях сопротивления третьего 23 дополнительного резистора.
Чертеж фиг.6 характеризует зависимость коэффициента преобразования ТРУ фиг.4 от численных значений сопротивления третьего 23 дополнительного резистора.
Трансрезистивный усилитель сигналов лавинных фотодиодов фиг.2 содержит входной каскад 1 с первым 2 и вторым 3 низкоомными токовыми входами и первым 4 и вторым 5 токовыми выходами, связанными с эмиттерами первого 6 и второго 7 согласующих транзисторов, базы которых объединены, а коллекторы связаны с первой 8 шиной источника питания через соответствующие первый 9 и второй 10 токостабилизирующие двухполюсники, а также соединены с базами соответствующих первого 11 и второго 12 выходных транзисторов, коллекторы которых подключены к первой 8 шине источника питания, а эмиттеры соединены с выходами устройства 13 и 14, первый 15 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между второй 16 шиной источника питания и первым 13 выходом устройства, второй 17 токостабилизирующий двухполюсник, включенный между вторым 14 выходом устройства и второй 16 шиной источника питания. В схему введены первый 18 и второй 19 дополнительные транзисторы, базы которых связаны с источником вспомогательного напряжения 20, эмиттер первого 18 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру первого 6 согласующего транзистора, эмиттер второго 19 дополнительного транзистора подключен к эмиттеру второго 7 согласующего транзистора, а объединенные базы первого 6 и второго 7 согласующих транзисторов соединены с первым 13 выходом устройства через первый 21 дополнительный резистор, а со вторым 14 выходом устройства - через второй 22 дополнительный резистор.
В частном случае (фиг.2) входной каскад 1 содержит транзисторы 25, 26, разделительные конденсаторы 28, 31, резисторы цепи стабилизации статического режима 29, 30 и источник отрицательного напряжения смещения 27.
На чертеже фиг.3 представлен частный случай выполнения входного каскада 1, который реализован на основе токостабилизирующих двухполюсников 34, 35 и разделительных конденсаторов 32, 33.
На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между базами первого 11 и второго 12 выходных транзисторов включен третий 23 дополнительный резистор, определяющий величину усилительного параметра заявляемого устройства.
На чертеже фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, в качестве источника вспомогательного напряжения 20 используется общая шина источников питания 24.
вх.1
Рассмотрим работу схемы фиг.2 для случая, когда на вход Вх.1(2) подается ток I от фотодиода, а второй вход (Вх.2) не используется.
Изменение входного тока ТРУ вызывает соответствующее изменение эмиттерного и коллекторного тока транзистора 25:
<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>к</mi><mn>25</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>i</mi><mrow><mi>э</mi><mn>25</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>i</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext>                                             (1)</mtext></mrow>
4
Выходной ток i входного каскада делится между эмиттерами транзисторов 6 и 18:
<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>э</mi><mn>6</mn></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>К</mi><mi>д</mi></msub><msub><mi>i</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>К</mi><mi>д</mi></msub><msub><mi>i</mi><mrow><mn>25</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>К</mi><mi>д</mi></msub><msub><mi>i</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext>                                      (2)</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>К</mi><mi>д</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>э</mi><mn>18</mn></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mrow><mi>э</mi><mn>18</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>r</mi><mrow><mi>э</mi><mn>6</mn></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
4
где
- коэффициент деления тока i между эмиттерами транзисторов 6 и 18;
эi
r - сопротивление эмиттерного перехода i-гo транзистора.
э18
э6
д
Причем за счет выбора площадей эмиттерных переходов r>r. Поэтому К≈0,8÷0,9.
Приращение коллекторного тока транзисторов 6 передается в нагрузку 23 и вызывает (за счет отрицательной обратной связи) соответствующее изменение выходного дифференциального напряжения ТРУ:
<mrow><msub><mi>u</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>К</mi><mi>д</mi></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>23</mn></mrow></msub><msub><mi>i</mi><mrow><mi>в</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>.</mo><mtext>                                          (3)</mtext></mrow>
Таким образом, сопротивление передачи заявляемого ТРУ определяется величиной сопротивления третьего 23 дополнительного резистора, не влияющего на статический режим схемы
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>К</mi><mi>д</mi></msub><msub><mi>R</mi><mrow><mn>23</mn></mrow></msub><mo>.</mo><mtext>                                                (4)</mtext></mrow>
0
Результаты моделирования схемы фиг.3 подтверждают эффект существенного расширения допустимого диапазона изменения сопротивления передачи R, которое обеспечивается без изменения статического режима транзисторов.
0
Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение трансрезистивного усилителя сигналов характеризуется широким диапазоном регулировки усилительного параметра R (например, от -20 дБ до 60 дБ), что является его существенным преимуществом в сравнении с прототипом.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 6.590.455 fig.1
2. Патент US 6.069.534 fig.6
3. Патент US 6.801.084
4. Патент US 6.218.905
5. Патент US 6.639.477 fig.3В
6. Патент US 6.809.594 fig.1
7. Патент US 5.714.909 fig.2
8. Патент US 7.042.295
9. Патент US 4.511.857 fig.3a
10. Патент US 5.345.073 fig.3.