ФОТОДАТЧИК ПЕРЕМЕННОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
VARIABLE OPTICAL RADIATION PHOTOSENSOR

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для измерения переменного и импульсного оптического излучения в фотоэлектрических устройствах контроля допуска на охраняемые объекты и в системах допускового контроля оптических параметров объектов.
Известен фотодатчик (патент РФ №2038574 от 27.06.1995, МПК G01J 1/44), содержащий фотодиод, анод которого подключен к нулевой цепи источника питания, и дифференциальный усилитель со звеном отрицательной обратной связи с резисторами и конденсаторами, причем выход дифференциального усилителя подключен к первому резистору и является выходом устройства.
Наличие в этом устройстве звена отрицательной обратной связи позволяет при большом коэффициенте усиления дифференциального усилителя немного уменьшить нелинейность фотодатчика при повышенном уровне внешней фоновой засветки и селективно увеличить его чувствительность к переменному излучению в узкой полосе частот, определяемой параметрами обратной связи.
Недостатками данного устройства являются ограничение динамического диапазона внешней засветки и низкая чувствительность к переменному оптическому сигналу при большой постоянной составляющей освещенности, например, при ярком искусственном или солнечном освещении фотодатчика.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению (прототипом) является фотоприемное устройство оптического излучения (патент РФ №2193761 от 27.11.2002, МПК G01J 1/44), содержащий фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель и полевой транзистор, затвор которого подключен к одной обкладке первого конденсатора и через первый резистор соединен с выходом дифференциального усилителя.
ФП
MAX
OC
MAX
OC
OC
ВЫХ
Ф
OC
OC
Недостатком такого устройства является низкая чувствительность к переменному оптическому сигналу при большой величине внешней фоновой засветки, т.к. его работоспособность обеспечивается только при максимальном значении постоянного фототока I≤U/2R, ограниченного максимальным выходным напряжением U дифференциального усилителя и обратно пропорционального сопротивлению R резистора в цепи отрицательной обратной связи. Вследствие этого при большой яркости внешней фоновой засветки фотодиода необходимо уменьшать сопротивление в цепи R обратной связи дифференциального усилителя. В то же время для повышения амплитуды его выходного сигнала U=IR при контроле переменного оптического излучения и соответственного повышения чувствительности фотодатчика требуется увеличивать сопротивление R в цепи обратной связи.
OC
ФП
OC
Наличие таких ограничений связано со свойствами полевого транзистора, который в данном устройстве применен в качестве регулируемого сопротивления, шунтирующего фотодиод при большом уровне постоянной засветки. При малом падении напряжения на фотодиоде и, соответственно, малом напряжении между стоком и истоком полевого транзистора управляющее напряжение, подаваемое на его затвор, открывает оба полупроводниковых перехода «затвор-сток» и «затвор-исток» полевого транзистора, через которые протекает ток затвора. При этом только половина выходного тока дифференциального усилителя, протекающего через резистор R на затвор полевого транзистора, затрачивается на компенсацию постоянного фототока I, а вторая половина этого тока через переход «затвор-исток» протекает по нулевой цепи источника питания. В итоге сопротивление R в цепи обратной связи дифференциального усилителя ограничивается на уровне десятков килоом и не позволяет обеспечить высокую чувствительность фотодатчика к переменному оптическому излучению.
ФП
MAX
OC
MAX
ФП
Ф
ВЫХ
Например, при значении постоянного фототока I=100 мкА и максимальном выходном напряжении дифференциального усилителя U=10 В сопротивление в цепи его обратной связи должно быть R=U/2I≤50 кОм, и при малом переменном фототоке I=1 мкА амплитуда переменного сигнала на выходе дифференциального усилителя составит лишь U≤50 мВ.
Задачей изобретения является создание фотодатчика переменного оптического излучения, позволяющего повысить чувствительность к переменному оптическому сигналу в условиях большой постоянной освещенности и изменения уровня внешней засветки в широком диапазоне.
Эта задача решается тем, что в фотодатчик переменного оптического излучения, содержащий фотодиод, источник питания, дифференциальный усилитель и полевой транзистор, затвор которого подключен к одной обкладке первого конденсатора и через первый резистор соединен с выходом дифференциального усилителя, дополнительно введены второй, третий резисторы и второй конденсатор, который включен между выходом и инвертирующим входом дифференциального усилителя. Неинвертирующий вход дифференциального усилителя соединен с нулевой цепью и анодом фотодиода, катод которого подключен ко второй обкладке первого конденсатора и через второй резистор соединен с истоком полевого транзистора, сток которого соединен с источником питания. Кроме того, катод фотодиода через третий резистор соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя. Выходом устройства а является исток полевого транзистора.
Схема предлагаемого фотодатчика переменного оптического излучения приведена на фиг.1.
Фотодатчик переменного оптического излучения содержит фотодиод 1, первый резистор 2, полевой транзистор 3, первый конденсатор 4, второй резистор 5, дифференциальный усилитель 6, второй конденсатор 7, третий резистор 8 и клемму 9 источника питания. Анод фотодиода 1 подключен к нулевой цепи, а его катод через второй резистор 5 соединен с истоком полевого транзистора 3 и выходом устройства. К затвору полевого транзистора 3 через первый конденсатор 4 подключен катод фотодиода 1, который через третий резистор 8 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 6, неинвертирующий вход которого подключен к нулевой цепи. Второй конденсатор 7 включен между инвертирующим входом и выходом дифференциального усилителя 6. Выход дифференциального усилителя 6 через первый резистор 2 подключен к затвору полевого транзистора 3, сток которого соединен с клеммой 9 источника питания.
Фотодатчик переменного оптического излучения работает следующим образом.
ФП
C
В исходном состоянии, когда световой поток Ф=0, фотодиод 1 не вырабатывает фототок (I=0), поэтому выходное напряжение дифференциального усилителя 6, подаваемое на затвор полевого транзистора 3 через первый резистор 2 по цепи отрицательной обратной связи, уменьшает его ток стока до минимального уровня I→0.
ФП
1
При наличии внешней фоновой засветки фотодиод 1 формирует постоянный фототок I, который приводит к появлению отрицательного напряжения U<0 на катоде фотодиода 1. Это напряжение интегрируется инвертирующим интегратором на основе дифференциального усилителя 6 с резистором 8 на входе и конденсатором 7 в цепи обратной связи, и в результате интегрирования выходное напряжение дифференциального усилителя 6 нарастает во времени по линейному закону
6
1
8
7
U(t)=U·t/RC.
OТС
5
Повышение этого напряжения приводит к увеличению тока стока полевого транзистора 3, который зависит от его напряжения отсечки U и сопротивления R второго резистора 5 и определяется выражением
СП
6
ОТС
5
I≈(U+U)/R.
СП,
6
СП
ФП
СП
ФП
1П
Полевой транзистор 3 с вторым резистором 5 в цепи истока представляет собой управляемый генератор постоянного тока I который регулируется выходным напряжением U дифференциального усилителя 6 вплоть до момента равенства тока стока полевого транзистора 3 постоянному фототоку на катоде фотодиода 1, т.е. до выполнения условия I≈I. Медленные изменения величины внешней фоновой засветки приводят к соответствующему регулированию постоянного тока стока I полевого транзистора 3, который компенсирует изменения постоянного фототока I, поэтому падение напряжения на фотодиоде 1 пренебрежимо мало U≈0 даже при внешней засветке, превышающей переменный световой поток в сотни раз.
Ф
ВЫХ
Ф
2
8
При появлении переменного потока Ф оптического излучения фотодиод 1 преобразует его в переменный фототек I, приводящий к появлению переменного напряжения на катоде фотодиода 1, которое через первый конденсатор 4 поступает на затвор полевого транзистора 3 и на первый резистор 2. Этим обеспечивается одновременное появление переменного напряжения одинаковой амплитуды как на катоде фотодиода 1, так и на затворе полевого транзистора 3, поэтому разность напряжений между ними остается постоянной и переменный ток через второй резистор 5 не протекает. В итоге на истоке полевого транзистора 3 и выходе фотодатчика появляется переменное напряжение U, амплитуда которого пропорциональна переменному фототоку I и, независимо от номинала второго резистора 5, определяется только параллельным соединением сопротивлений R и R, первого и третьего резисторов 2 и 8, которое определяется выражением
вых
Ф
2
8
2
8
U=I·R·R/(R+R).
ФП
6
5
5
Высокая чувствительность к переменному или импульсному оптическому излучению в схеме устройства обеспечивается за счет применения первого конденсатора 4 в цепи положительной обратной связи полевого транзистора 3 по переменному току. Применение этого конденсатора позволяет разделить компенсацию постоянного фототока I от влияния внешней фоновой засветки с усилением сигнала переменного излучения. Влияние уровня внешней засветки ослабляется за счет применения интегратора на дифференциальном усилителе 6 с третьим резистором 8 и вторым конденсатором 7 в цепи отрицательной обратной связи по постоянному току. Поэтому при большом коэффициенте усиления K≥10 операционного усилителя 6 влияние постоянного фототока от внешней засветки на работу фотодатчика ослабляется примерно в K≥10 раз.
З
2
ВХ6
8
8
5
Повышение чувствительности к переменному оптическому излучению в предлагаемом фотодатчике обеспечивается за счет работы полевого транзистора 3 в активном режиме, при котором значение его тока затвора пренебрежимо мало (I≤1 нА), поэтому в схеме можно применять первый резистор 2 с большим сопротивлением R≥1 МОм. Кроме того, применение микросхемы дифференциального усилителя 6 на МОП транзисторах с входными токами I<1 нА также позволяет повысить сопротивление R третьего резистора 8 до аналогичного значения R≥1 МОм. В то же время можно использовать второй резистор 5 в цепи истока полевого транзистора 3 с небольшим сопротивлением R≈(1…10) кОм, чтобы обеспечить компенсацию влияния внешней фоновой засветки в широком диапазоне.
ОТС
2
5
8
Ф
ВЫХ
ПИТ
6
ФП
6
ОТС
5
Например, при выборе полевого транзистора 3 с напряжением отсечки U=1 В и резисторов 2, 5 и 8 с сопротивлениями R=2 МОм, R=10 кОм и R=2 МОм выходное напряжение фотодатчика при значении переменного фототока I=1 мкА составит U=1 В. В этом случае при напряжении питания U=5 В и выходном напряжении дифференциального усилителя U≤3 В обеспечивается компенсация постоянного фототока от влияния внешней фоновой засветки, составляющего I≈(U+U)/R≤400 мкА.
Таким образом, при аналогичных параметрах светового потока предлагаемый фотодатчик переменного оптического излучения обеспечивает десятикратный выигрыш в чувствительности при расширении в сотни раз относительного диапазона внешней засветки по сравнению с прототипом.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на его соответствие условию патентоспособности «новизна».
Отличительные признаки изобретения: введение второго конденсатора и дополнительных резисторов для разделения цепей отрицательной обратной связи по постоянному току и положительной обратной связи по переменному току, а также использование полевого транзистора в качестве управляемого генератора тока с подключением выхода устройства к истоку полевого транзистора, 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 предлагаемого фотодатчика переменного оптического излучения обусловлена наличием современной элементной базы, на основе которой оно может быть выполнено. В частности, можно использовать фотодиод ФД24К, микромощный дифференциальный усилитель типа К140УД12 и полевой транзистор типа КП303, резисторы типов С2-23 и конденсаторы типа К10-17.