ИМПУЛЬСНОЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО
PULSED PHOTOMETRIC DEVICE

Изобретение относится к области фотометрии и может быть использовано в оптико-электронных приборах с фотодиодными преобразователями излучений.
Известно устройство [Патент РФ 2248535, G01J 1/44, опубликовано 20.03.2005 г.], содержащее конденсатор, первый транзистор, фотодиод и источник питания, причем фотодиод включен в коллекторную цепь первого транзистора, а конденсатор подключен к базе первого транзистора, кроме того, в него введены неинвертирующий усилитель, нелинейный полосовой фильтр, второй транзистор, первый, второй и третий резисторы, разделительный конденсатор, второй вывод которого является одновременно выходом фотоприемного устройства, при этом катод фотодиода соединен с входом неинвертирующего усилителя, выход которого соединен с входом нелинейного полосового фильтра, с базой второго транзистора, со вторым резистором и с разделительным конденсатором, а второй вывод второго резистора соединен с базой первого транзистора, в эмиттерную цепь которого включен первый резистор, соединенный с источником питания, и с эмиттером второго транзистора, а выход нелинейного полосового фильтра через третий резистор соединен с катодом фотодиода и с коллектором второго транзистора.
Недостатком данного устройства является то, что такие компенсационные воздействия не обеспечивают температурную стабилизацию чувствительности фотодиода.
Также известно устройство [Патент РФ 2193761, G01J 1/44, опубликовано 27.11.2002 г.], содержащее фотодиод, источник питания и дифференциальный усилитель, при этом катод фотодиода соединен с первым входом дифференциального усилителя, а анод - со вторым входом указанного усилителя, выход которого является выходом устройства. Устройство также содержит регулируемое сопротивление, выполняющее функцию элемента отрицательной обратной связи, которое включено параллельно фотодиоду, а управляющий вход регулируемого сопротивления соединен с выходом дифференциального усилителя.
Схема этого устройства позволяет обеспечивать стабильность режима работы фотодиода, в частности позволяет компенсировать изменения выходного сигнала при изменении постоянной составляющей засветки фотодиода и изменении его чувствительности при изменении температуры окружающей среды. Это компенсационное воздействие формируется за счет изменения шунтирующего регулируемого сопротивления фотодиода, что позволяет поддерживать постоянство концентрации носителей зарядов (носителей тока) в полупроводниковом материале фотодиода.
Недостатком этого устройства является то, что при воздействии постоянной составляющей светового сигнала компенсационное уменьшение шунтирующего сопротивления вызовет не только компенсацию засветки, но и изменит чувствительность фотодиода. Так как функциональные зависимости изменения регулируемого сопротивления от засветки и от температуры не совпадают, что приводит к увеличению температурной погрешности при компенсационном воздействии, пропорционально уровню засветки. Соответственно, чем выше уровень постоянной засветки, тем больше погрешность компенсации температурной зависимости чувствительности фотодиода.
Наиболее близким к предлагаемому является устройство [Патент РФ 2194252, G01J 1/44, опубликовано 10.12.2002 г.], содержащее фотодиод, одним из электродов подключенный к общей шине, а вторым - ко входу повторителя напряжения и входу переключателя, выход которого соединен с генератором измерительного тока, а выход повторителя напряжения соединен со входами устройства выборки-хранения и другого переключателя, выход которого соединен с блоком деления, при этом выход устройства выборки-хранения соединен со вторым входом блока деления, а управляющий вход устройства выборки-хранения соединен с устройством управления переключателями, к которому также подсоединены переключатели.
Предлагаемая схема позволяет обеспечить более высокое быстродействие и надежность за счет того, что устройство выборки-хранения позволяет запомнить и хранить напряжение, соответствующее величине температурного воздействия на фотодиод, а блок деления позволяет удерживать коэффициент чувствительности фотодиода неизменным при изменении температуры за счет операции деления на напряжение, пропорциональное температурной зависимости чувствительности этого фотодиода.
Недостатком данного устройства является то, что фотодиод работает в фотогальваническом режиме и, следовательно, не обеспечивает более высокой чувствительности устройства и быстродействия, чем режим, когда фотодиод включен в фотодиодном режиме [Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1990. - стр.57].
Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и чувствительности при одновременном упрощении и сохранении точности.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство, содержащее фотодиод, переключатель, повторитель напряжения, устройство выборки и хранения и устройство управления, согласно изобретению, дополнительно введено регулируемое сопротивление, при этом катод фотодиода соединен с источником питания +Е, а анод соединен с повторителем напряжения и входом переключателя, выход которого соединен с регулируемым сопротивлением, второй вывод которого соединен с общей шиной, а выход повторителя напряжения, являющийся выходом устройства, соединен со входом устройства выборки и хранения, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого сопротивления, при этом управляющие входы переключателя и устройства выборки и хранения соединены с устройством управления.
На чертеже представлена функциональная схема импульсного фотометрического устройства.
Импульсное фотометрическое устройство содержит фотодиод 1, катод которого соединен с источником питания +Е, а анод соединен с повторителем напряжения 2 и входом переключателя 3, выход которого соединен с регулируемым сопротивлением 4, второй вывод которого соединен с общей шиной, а выход повторителя напряжения 2, являющийся выходом устройства, соединен со входом устройства выборки и хранения 5, выход которого соединен с управляющим входом регулируемого сопротивления 4, при этом управляющие входы переключателя 3 и устройства выборки и хранения 5 соединены с устройством управления 6.
Импульсное фотометрическое устройство работает следующим образом:
В исходном состоянии переключатель 3 разомкнут.Через фотодиод протекает темновой ток, пропорциональный температуре перехода (окружающей среды). Этот ток преобразуется в напряжение повторителем напряжения 2 и подается на устройство выборки и хранения 5, которым считывается, запоминается и масштабируется в напряжение, пропорциональное температурному коэффициенту чувствительности фотодиода. Это компенсационное напряжение изменяет величину регулируемого сопротивления. Одновременно с воздействием на фотодиод 1 импульса излучения на устройство управления 6 поступает импульс запуска, который приводит к замыканию переключателя 3 и прекращению считывания устройством выборки и хранения 5. Входным сигналом повторителя напряжения 2 становится падение напряжения на регулируемом сопротивлении 4, величина которого соответствует заданной чувствительности фотодиода. При этом напряжение, пропорциональное световому потоку, снимается с выхода повторителя напряжения 2. Таким образом, изменяя величину регулируемого сопротивления 4, возможно изменять уровень выходного сигнала пропорционального величине светового потока, т.е. компенсировать изменение чувствительности фотодиода при изменении температуры окружающей среды.
Предлагаемая схема позволяет обеспечить более высокое быстродействие и большую чувствительность при одновременном упрощении и сохранении точности. Устройство выборки-хранения позволяет запомнить и хранить напряжение, соответствующее величине температурного воздействия на фотодиод, а регулируемое сопротивление, включенное последовательно с фотодиодом, позволяет за счет компенсации изменения падения напряжения удерживать коэффициент чувствительности фотодиода неизменным при изменении температуры, за счет чего сохраняется точность устройства. В отличие от известного устройства новые элементы и схема их включения позволяют подключить фотодиод в фотодиодном режиме работы. При этом в фотодиодном режиме чувствительность фотоприемника выше нежели в фотогальваническом, кроме того, за счет наличия внешнего электрического поля в p-n-переходе фотодиода перенос неравновесных носителей заряда (генерируемых световым потоком) происходит значительно быстрее, что повышает быстродействие. Упрощение устройства достигнуто за счет исключения второго переключателя, генератора измерительного тока и блока деления. В то же время в предлагаемом устройстве сохраняется принцип формирования термокомпенсационного воздействия на зависимость чувствительности фотодиода, когда датчиком температуры является этот же фотодиод.