ТРАНСИМПЕДАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СИГНАЛОВ ЛАВИННЫХ ФОТОДИОДОВ И КРЕМНИЕВЫХ ФОТОУМНОЖИТЕЛЕЙ
TRANSIMPEDANCE CONVERTER OF SIGNALS OF AVALANCHE PHOTODETECTORS AND SILICON PHOTOMULTIPLIERS

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.
В задачах выделения оптических сигналов сегодня широко используются преобразователи токов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей на основе каскадов с низким входным сопротивлением - трансимпедансных усилителей (схем с общей базой, каскодных усилителей и т.д.) [1-10]. Для уменьшения уровня собственных шумов таких преобразователей применяется параллельное включение 10-50 элементарных транзисторов [11], образующих входную каскодную структуру. Однако при таком построении микросхем существенно сужается диапазон рабочих частот, что связано, в основном, с эквивалентными паразитными емкостями большого числа (10-50) параллельно включенных транзисторов - их емкостями на подложку и емкостями коллектор-база. В этой связи весьма актуальной является задача построения преобразователей сигналов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей, которые обладают более широким диапазоном рабочих частот при сохранении малого уровня шумов, обусловленными входными транзисторами.
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 токовый источник сигнала 1, соединенный с токовым входом устройства 2 и эмиттером входного транзистора 3, токостабилизирующий двухполюсник 4, включенный между эмиттером входного транзистора 3 и первой 5 шиной источника питания, источник первого 6 вспомогательного напряжения, соединенный с базой входного транзистора 3, источник второго 7 вспомогательного напряжения, соединенный с базой выходного транзистора 8, эмиттер которого подключен к коллектору входного транзистора 3, двухполюсник коллекторной нагрузки 9, включенный между коллектором выходного транзистора 8 и второй 10 шиной источника питания, буферный усилитель 11, вход которого соединен с коллектором выходного транзистора 8, а выход является выходом устройства 12.
Существенный недостаток известного трансимпедансного преобразователя сигналов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей - прототипа состоит в том, что он обладает недостаточно широким диапазоном рабочих частот, что ограничивает его применение в быстродействующих приемниках оптического излучения.
в
Основная задача предлагаемого изобретения состоит в повышении диапазона рабочих частот, который определяется верхней граничной частотой f устройства (по уровню -3дБ).
Поставленная задача решается тем, что в преобразователе сигналов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей фиг.1, содержащем токовый источник сигнала 1, соединенный с токовым входом устройства 2 и эмиттером входного транзистора 3, токостабилизирующий двухполюсник 4, включенный между эмиттером входного транзистора 3 и первой 5 шиной источника питания, источник первого 6 вспомогательного напряжения, соединенный с базой входного транзистора 3, источник второго 7 вспомогательного напряжения, соединенный с базой выходного транзистора 8, эмиттер которого подключен к коллектору входного транзистора 3, двухполюсник коллекторной нагрузки 9, включенный между коллектором выходного транзистора 8 и второй 10 шиной источника питания, буферный усилитель 11, вход которого соединен с коллектором выходного транзистора 8, а выход является выходом устройства 12, предусмотрены новые элементы и связи - выход устройства 12 соединен с эмиттером выходного транзистора 8 через корректирующий конденсатор 13.
На фиг.1 приведен входной каскад серийно выпускаемой микросхемы Ampl 1-18 [11].
На фиг.2 представлена функциональная схема трансимпедансного преобразователя сигналов (ТПС) лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей, соответствующая фиг.1.
На фиг.3 приведена предлагаемая схема трансимпедансного преобразователя сигналов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей.
На фиг.4 показана эквивалентная схема входного каскада трансимпедансного преобразователя сигналов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей в среде PSpice на моделях интегральных транзисторов «АБМК» (Транзисторы: npn GC1E, pnp JFpnp, abmk l.4 (ОАО ″МНИПИ″).
На фиг.5 представлены ЛАЧХ входного каскада фиг.4 при различных значениях емкости корректирующего конденсатора С1=С13.
Трансимпедансный преобразователь сигналов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей содержит токовый источник сигнала 1, соединенный с токовым входом устройства 2 и эмиттером входного транзистора 3, токостабилизирующий двухполюсник 4, включенный между эмиттером входного транзистора 3 и первой 5 шиной источника питания, источник первого 6 вспомогательного напряжения, соединенный с базой входного транзистора 3, источник второго 7 вспомогательного напряжения, соединенный с базой выходного транзистора 8, эмиттер которого подключен к коллектору входного транзистора 3, двухполюсник коллекторной нагрузки 9, включенный между коллектором выходного транзистора 8 и второй 10 шиной источника питания, буферный усилитель 11, вход которого соединен с коллектором выходного транзистора 8, а выход является выходом устройства 12. Выход устройства 12 соединен с эмиттером выходного транзистора 8 через корректирующий конденсатор 13.
Рассмотрим работу схемы трансимпедансного преобразователя сигналов - прототипа фиг.2.
в
вх
вых
12
Постоянная времени τ, определяющая верхнюю граничную частоту коэффициента преобразования R(jω) входного тока (i) в выходное напряжение U=U, определяется с учетом формул:
<mrow><mi>R</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>j</mi><mi>ω</mi><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>Σ</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mover accent="true"><mi>U</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mover accent="true"><mi>I</mi><mo>˙</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>j</mi><mi>ω</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>Σ</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
14
15
14
15
где С, С - паразитные емкости на подложку (С) и емкости коллектор-база (C) m=10÷50 параллельно включенных элементарных транзисторов в структуре выходного транзистора 8.
Как следствие, верхняя граничная частота ТПС фиг.2 в уравнении его частотной зависимости R(jω) (1) определяется выражением
<mrow><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>τ</mi><mrow><mi>в</mi><mi>Σ</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
в
В связи с тем, что число элементарных транзисторов в элементе 8, определяющих f устройства, достаточно велико, диапазон рабочих частот ТПС фиг.2 получается небольшим.
эфΣ
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow>
В предлагаемом ТПС фиг.3 эквивалентная емкость С на входе буферного усилителя 11 уменьшается и, как следствие,
повышается в 7-10 раз. Можно показать, что эквивалентная емкость в коллекторной цепи транзистора 8:
<mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mi>э</mi><mi>ф</mi><mo>.</mo><mi>Σ</mi></mrow></msub><mo>≈</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mn>8</mn></msub><msub><mi>K</mi><mrow><mi>у</mi><mn>11</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
у11
где К ≈ 1 - коэффициент передачи по напряжению буферного усилителя 11.
Как следствие, верхняя граничная частота ТПС фиг.3
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>*</mo></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>R</mi><mn>9</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>C</mi><mrow><mn>14</mn></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>C</mi><mrow><mn>15</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mn>8</mn></msub><msub><mi>K</mi><mrow><mi>у</mi><mn>11</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow>
в
При этом выигрыш по
по сравнению с f схемы фиг.2 достигает значений
<mrow><msub><mi>N</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>f</mi><mi>в</mi><mo>*</mo></msubsup></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>α</mi><mn>8</mn></msub><msub><mi>K</mi><mrow><mi>у</mi><mn>11</mn></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>≥</mo><mn>1</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
в
где f - верхняя граничная частота ТПС-прототипа фиг.2, определяемая формулой (3).
Результаты моделирования схемы фиг.3 подтверждают эффект увеличения верхней граничной частоты в заявляемом ТПС - введение новых элементов и связей между ними расширяет диапазон рабочих частот трансимпедансного преобразователя фиг.3 в 7-10 раз.
Таким образом, предлагаемое схемотехническое решение трансимпедансного преобразователя сигналов лавинных фотодиодов и кремниевых фотоумножителей характеризуется более высоким быстродействием.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Патент US 6.590.455fig.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.3.
10. Патент US 5.345.073 fig.3.
11. Элементная база радиационно-стойких информационно-измерительных систем: монография / Н.Н.Прокопенко, О.В.Дворников, С.Г.Крутчинский; под общ. ред. д.т.н. проф. Н.Н.Прокопенко;
ФГБОУ ВПО «Южно-Рос. гос. ун-т. экономики и сервиса». - Шахты:
ФГБОУ ВПО «ЮРГУЭС», 2011. - С.22, рис.1.12.