ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО (ФПУ) НА ОСНОВЕ МАЛОШУМЯЩЕГО КАСКОДНОГО УСИЛИТЕЛЯ

Заявляемая полезная модель относится к полупроводниковым приборам, чувствительным к видимому и инфракрасному (ИК) излучению, и может быть использована при изготовлении ФПУ на область спектра, определяемую используемым фоточувствительным элементом.
Известное устройство, принятое в качестве аналога, которое содержит входной каскад широкополосного усилителя с низким уровнем шумов построено по, так называемой, каскодной схеме (см., например, Цыкина А.В. Электронные усилители. 2-е изд. М.: Радио и связь, 1982. стр.209 рис.2).
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа является устройство, описанное в источнике информации см., /например, Цыкина А.В. Электронные усилители. 2-е изд. М.: Радио и связь, 1982. стр.209 рис.1.
Известное устройство содержит полевой транзистор, к стоку которого подключены токозадающий резистор и эмиттер биполярного транзистора, а к затвору подключены разделительный конденсатор, ограничительный диод и резистор утечки тока затвора, к истоку полевого транзистора подключены диод, являющийся цепью автосмещения и термокомпенсации, блокирующий конденсатор и последовательно соединенные первый резистор смещения, термокомпенсирующий диод, второй резистор смещения, вывод второго резистора смещения объединен с выводами токозадающего резистора, резистором нагрузки каскодного усилителя и подключен к шине питания каскодного усилителя, причем второй вывод резистора нагрузки каскодного усилителя, подключен к коллектору биполярного транзистора и выходу каскодного усилителя, база биполярного транзистора подключена к объединенным выводам термокомпенсирующего диода, первому резистору смещения и фильтрующему конденсатору, другой вывод
фильтрующего конденсатора объединен с выводами ограничительного диода, диода цепи автосмещения и термокомпенсации, блокировочного конденсатора и подключен к общей шине.
Однако, недостатками известного устройства являются: сложность его трансформации к усилителю постоянного тока с отрицательной параллельной обратной связью по напряжению, с целью снижения эквивалетного входного сопротивления усилителя и отказа от цепей коррекции по высокой частоте, сильная зависимость коэффициента усиления усилителя и режима по постоянному току от разброса параметров полевого транзистора.
Для устранения указанных недостатков, а также для снижения и упрощения требований, как к коэффициенту усиления, так и к коэффициенту шума последующих каскадов, повышения значения коэффициентов усиления и устойчивости к самовозбуждению, за счет обеспечения минимальной постоянной времени коллектора усилительного каскада, обеспечения возможности применения последующей радиоэлектронной аппаратуры без разработки и использования мер по защите от выхода из строя ее входных каскадов, расширения диапазона рабочих температур, благодаря термокомпенсации режимов усилительных элементов, разработано фотоприемное устройство (ФПУ) на основе широкополосного малошумящего каскодного усилителя постоянного тока, содержащее полевой транзистор, к стоку которого подключены токозадающий резистор и эмиттер биполярного транзистора, а к затвору подключены разделительный конденсатор, ограничительный диод, резистор утечки тока затвора, к истоку полевого транзистора подключены диод, являющийся цепью автосмещения и термокомпенсации, блокирующий конденсатор и последовательно соединенные первый резистор смещения, термокомпенсирующий диод, второй резистор смещения, вывод второго резистора смещения объединен с выводами токозадающего резистора, резистором нагрузки каскодного усилителя и подключен к шине питания каскодного усилителя, причем второй вывод резистора нагрузки каскодного усилителя, подключен к коллектору биполярного транзистора и выходу каскодного усилителя, база биполярного n-р-n транзистора подключена к объединенным выводам термокомпенсирующего диода, первому резистору смещения и фильтрующему конденсатору, другой вывод фильтрующего конденсатора объединен с выводами ограничительного диода, диода цепи смещения, автосмещения и термокомпенсации, конденсатором блокировки и подключен к общей шине, дополнительно введены:
соединенные между собой дополнительный биполярный р-n-р транзистор и второй резистор нагрузки каскодного усилителя, фотоприемный модуль и сложный повторитель, выход сложного повторителя через резистор утечки тока затвора подключен к затвору полевого транзистора, выводу ограничительного диода и выводу разделительного конденсатора, второй вывод которого соединен с выходом фотоприемного модуля и охватывающий весь усилительный тракт ФПУ отрицательной параллельной обратной связью по напряжению.
Заявленная полезная модель поясняется принципиальной схемой фотоприемного устройства на основе широкополосного малошумящего каскодного усилителя постоянного тока (фиг.1), где:
1 - полевой транзистор;
2 - токозадающий резистор;
3 - биполярный n-р-n транзистор;
4 - разделительный конденсатор;
5 - ограничительный диод;
6 - резистор утечки тока затвора;
7 - диод, являющийся цепью автосмещения и термокомпенсации;
8 - блокирующий конденсатор;
9 - первый резистор смещения;
10 - термокомпенсирующий диод;
11 - второй резистор смещения;
12 - резистор нагрузки каскодного усилителя;
13 - шина питания каскодного усилителя;
14 - фильтрующий конденсатор;
15 - дополнительный биполярный р-n-р транзистор;
16 - второй резистор нагрузки каскодного усилителя;
17 - фотоприемный модуль;
18 - сложный повторитель;
19 - общая шина;
20 - первый выход каскодного усилителя;
21 - вход каскодного усилителя;
22 - второй выход каскодного усилителя;
23 - выход сложного повторителя;
24 - шина питания фотоприемного модуля.
Полезная модель представляет собой фотоприемное устройство на основе широкополосного малошумящего каскодного усилителя постоянного тока и содержит полевой транзистор 1, к стоку которого подключены токозадающий резистор 2 и эмиттер биполярного n-р-n транзистора 3, а к затвору подключены разделительный конденсатор 4, ограничительный диод 5, резистор утечки тока затвора 6. (одновременно выполняющий функцию нагрузки фотоприемного модуля и охватывающий весь усилительный тракт ФПУ отрицательной параллельной обратной связью по напряжению).
К истоку полевого транзистора 1 подключены диод 7, являющийся цепью автосмещения и термокомпенсации, блокирующий конденсатор 8 и последовательно соединенные первый резистор смещения 9, термокомпенсирующий диод 10 и второй резистор смещения 11.
Вывод второго резистора смещения 11 объединен с выводами токозадающего резистора 2, резистором нагрузки каскодного усилителя 12 и подключен к шине питания каскодного усилителя 13.
Другой вывод резистора нагрузки каскодного усилителя 12, подключен к коллектору биполярного транзистора 3 и первому выходу каскодного усилителя 20.
База биполярного n-р-n транзистора 3 подключена к объединенным выводам термокомпенсирующего диода 10, первого резистора смещения 9 и фильтрующего конденсатора 14.
Другой вывод фильтрующего конденсатора 14 объединен с выводами ограничительного диода 5 и диода цепи смещения, автосмещения и термокомпенсации 7, блокировочным конденсатором 8 и подключен к общей шине 19.
Коллектор дополнительного биполярного р-n-р транзистор 15 и второй резистор нагрузки 16 каскодного усилителя соединены между собой, а другой вывод второго резистора нагрузки 16 каскодного усилителя подключен к общей шине 19. База дополнительного биполярного р-n-р транзистора 15 подсоединена к точке соединения базы биполярного n-р-n транзистора 3, термокомпенсирующего диода 10, первого резистора смещения 9 и фильтрующего конденсатора 14. Эмиттер дополнительного биполярного р-n-р транзистор 15 соединяется с первым выходом каскодного усилителя 20. Резистор утечки тока затвора 6 (одновременно выполняющий функцию нагрузки фотоприемного модуля и охватывающий весь усилительный тракт ФПУ отрицательной параллельной обратной связью по напряжению) подключен между затвором полевого транзистора 1 и выходом сложного повторителя 23.
Фотоприемный модуль 17, содержащий высоковольтный фильтр питания, токоограничитель, быстродействующий pin фотодиод и высокоомный резистор нагрузки, подключен к входу каскодного усилителя 21, шине питания фотоприемного модуля 24 и к общей шине 19. Сложный повторитель 18 подключен ко второму выходу каскодного усилителя 22, шине питания 13 и общей шине 19, его выход 23 через резистор утечки тока затвора 6 подключен к затвору полевого транзистора 1, выводу ограничительного диода 5 и выводу разделительного конденсатора 4, второй вывод которого соединен с выходом фотоприемного модуля 17.
Фотоприемное устройство на основе широкополосного малошумящего каскодного усилителя постоянного тока работает следующим образом.
Импульсный фотосигнал, при попадании на фоточувствительную область фотодиода фотоприемного модуля 17, вызывает в нем фототек пропорциональный падающей мощности. Далее импульсный сигнал, отрицательной полярности, с фотоприемного модуля 17 поступает на вход каскодного усилителя 21, где, с целью устранения влияния фоновых и темновых токов утечек фотоприемного модуля на режим каскодного усилителя по постоянному току, использован разделительный конденсатор 4, после которого фототок, с помощью усилителя, охваченного отрицательной параллельной обратной связью по напряжению резистором 6, преобразуется на выходе сложного повторителя 23 в напряжение положительной полярности.
С целью достижения оптимальных шумовых характеристик на входе каскодного усилителя применен малошумящий полевой транзистор 1, токозадающий резистор 2 обеспечивает повышенное значение рабочего тока, необходимого для получения максимальной крутизны и оптимального режима работы полевого транзистора. Для защиты входного тракта каскодного усилителя от выхода из строя, при воздействии предельных значений мощностей оптических сигналов, использованы токоограничительный резистор, в фотоприемном модуле 17, и ограничительный диод 5.
Благодаря введению в состав каскодного усилителя дополнительного транзистора 15 и резистора 16 и трансформации схемы к схеме "зеркала тока", состоящей из последовательно соединенных резистора 11, диода 10, резистора 9 и диода 7, а также цепи состоящей из резистора 12, транзистора 15, резистора 16 и транзистора 3, представленная полезная модель обеспечивает
следующие преимущества по сравнению с существующими схемотехническими решениями:
- отсутствие делителей по выходному сигналу, что снижает и упрощает требования, как к коэффициенту усиления, так и к коэффициенту шума последующих усилительных каскадов;
- повышенным значением коэффициентов усиления и устойчивости к самовозбуждению, за счет обеспечения минимальной постоянной времени коллектора усилительного каскада;
- простотой и удобством обеспечения требуемого значения максимальной амплитуды сигнала на выходе;
9
- отсутствием режима насыщения всех активных элементов схемы, в динамическом диапазоне входных сигналов более чем 10 раз, что обеспечивает пониженные значения времени разрешения и восстановления;
- обеспечением возможности применения последующей радиоэлектронной аппаратуры без разработки и использования мер по защите от выхода из строя ее входных каскадов;
- расширенный диапазон рабочих температур, благодаря термокомпенсации режимов усилительных элементов схемы;
- малую зависимость режима по постоянному току и основным фотоэлектрическим параметрам благодаря применению схемы с отрицательной параллельной обратной связью по напряжению.