УСИЛИТЕЛЬ ИМПУЛЬСНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к технике измерения оптического излучения и может применяться в промышленности при построении приборов лазерного обнаружения газов в атмосфере методом абсорбционной спектроскопии или для измерения временных интервалов между отраженными импульсами, например, в лазерных дальномерах.
Из существующего уровня техники известен способ регистрации излучения фотодиодом (Чернов Е.И. Способ регистрации излучения фотодиодом. // Оптико-механическая промышленность, - 1988, - №9, - С. 41), где рассмотрен усилитель - преобразователь фототока общего применения, содержащий фотодиод, операционный усилитель и резистор обратной связи, подключенный между выходом и инвертирующим входом усилителя. Недостатком такого устройства является насыщение операционного усилителя при наличии интенсивной фоновой засветки фотоприемника.
Известно фотоприемное устройство (патент РФ №2231169, H01L 27/14, G01J 1/44, опубл. 20.06.2004), содержащее фотодиод, усилитель и интегратор, предназначенное для обеспечения оптимальной чувствительности и работоспособности, при заданной внешней освещенности и мощных лазерных сигналах.
Недостатком данного устройства является применение амплитудного ограничителя (нелинейного элемента) на входе усилителя, что вносит искажение при измерении полезного сигнала. Также, примененный способ включения фотодиода не характеризуется оптимальным быстродействием, что необходимо при приеме сигналов малой длительности.
Известен приемник импульсных оптических сигналов (патент РФ №2506547, G01J 1/44 опубл. 10.02.2014), содержащий фотоприемник (фотодиод) и усилитель. Изобретение направлено на повышение точности систем импульсной лазерной локации.
Недостатком такого устройства является его ограниченная применимость для работы в условиях действующей фоновой засветки фотоприемника, которая в реальных условиях может превышать полезный сигнал в десятки раз и приводить к насыщению усилительного каскада.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является усилитель фототока (авторское свидетельство СССР №1415426, H03F 17/00, опубл. 07.08.1988), содержащий фотодиод, включенный между инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, первый и второй резисторы, включенные между выходом и инвертирующим входом соответственно первого и второго операционных усилителей, при этом неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к общей шине, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, причем выходы первого и второго операционного усилителей являются дифференциальными выходами усилителя фототока.
Недостатком устройства являются ограниченные функциональные возможности, обусловленные тем, что при измерении импульсных оптических сигналов в условиях действующей фоновой засветки фотоприемника коэффициент усиления устройства должен быть ограничен для предотвращения насыщения операционных усилителей. Очевидно, что в таких условиях не удается обеспечивать приемлемое усиление полезного сигнала даже при использовании дополнительных, ограничивающих оптический спектр, фильтров. При последующей цифровой обработке большую часть рабочего диапазона аналого-цифрового преобразователя (АЦП) приходится резервировать под фоновую засветку, что снижает точность представления полезной составляющей сигнала, либо требует повышения разрядности и/или адаптивного задания опорного напряжения АЦП.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является расширение функциональных возможностей и области применения устройства.
Технический результат - обеспечение эффективного усиления импульсных оптических сигналов в широком диапазоне действующей фоновой засветки фотоприемника.
Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что усилитель фототока, содержащий фотодиод, включенный между инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей, первый и второй резисторы, включенные между выходом и инвертирующим входом соответственно первого и второго операционных усилителей, при этом неинвертирующий вход первого операционного усилителя подключен к общей шине, а неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя, причем выходы первого и второго операционного усилителей являются дифференциальными выходами усилителя фототока, согласно полезной модели, содержит интегратор, инвертирующий усилитель, первый резистор обратной связи и второй резистор обратной связи таким образом, что выход первого операционного усилителя соединен с инвертирующим входом интегратора, а выход второго операционного усилителя соединен с неинвертирующим входом интегратора, выход интегратора соединен с входом инвертирующего усилителя, причем первый резистор обратной связи подключен между выходом инвертирующего усилителя и инвертирующим входом первого операционного усилителя, а второй резистор обратной связи подключен между выходом интегратора и инвертирующим входом второго операционного усилителя.
Существо полезной модели поясняется чертежом. На фиг. изображена структурная схема усилителя импульсных оптических сигналов.
Усилитель импульсных оптических сигналов состоит из фотодиода 1, включенного между инвертирующими входами первого 2 и второго 3 операционных усилителей, первого 4 и второго 5 резисторов, интегратора 6, инвертирующего усилителя 7, первого резистора обратной связи 8 и второго резистора обратной связи 9. Первый 4 и второй 5 резисторы включены между выходом и инвертирующим звеном соответственно первого 2 и второго 3 операционных усилителей. Неинвертирующий вход первого операционного усилителя 2 подключен к общей шине. Неинвертирующий вход второго операционного усилителя 3 соединен с инвертирующим входом первого операционного усилителя 2. Выходы первого 2 и второго 3 операционных усилителей являются дифференциальными выходами усилителя фототока. Выход первого операционного усилителя 2 соединен с инвертирующим входом интегратора 6. Выход второго операционного усилителя 3 соединен с неинвертирующим входом интегратора 6. Выход интегратора 6 соединен со входом инвертирующего усилителя 7. Первый резистор обратной связи 8 подключен между выходом инвертирующего усилителя 7 и инвертирующим входом первого операционного усилителя 2. Второй резистор обратной связи 9 подключен между выходом интегратора 6 и инвертирующим входом второго операционного усилителя 3.
Устройство работает следующим образом.
вых
Фототок фотодиода 1, состоящий из составляющих темнового тока, фототока фоновой засветки и фототока полезного сигнала протекает через первый 4 и второй 5 резисторы и обусловливает появление напряжения с положительным знаком на выходе первого операционного усилителя 2 и равного ему по значению напряжения с отрицательным знаком на выходе второго операционного усилителя 3, при этом сопротивления первого 4 и второго 5 резисторов выбраны равными. Работающий в режиме близком к режиму короткого замыкания фотодиод 1 обеспечивает минимальную инерционность. Выходным сигналом устройства U является разность противофазных напряжений между выходами первого 2 и второго 3 операционных усилителей. Эта разность подается на интегратор 6, который через второй резистор обратной связи 9 отбирает часть тока фотодиода 1, протекающего через второй резистор 5 таким образом, чтобы свести к нулю выходное напряжение устройства. Выходное напряжение интегратора 6 меняет знак на противоположный при помощи инвертирующего усилителя 7 и через первый резистор обратной связи 8 замещает собой часть тока фотодиода 1, протекающего через первый резистор 4, чтобы также свести к нулю выходное напряжение устройства. Таким образом, происходит компенсация влияния темнового тока и медленно меняющейся фоновой засветки фотоприемника. На быстропротекающие процессы - импульсные оптические сигналы малой длительности, это практически не влияет, ввиду инерционности интегратора 6, которая задается исходя из максимальной скорости изменения фоновой засветки. Диапазон компенсации фототока фоновой засветки зависит от напряжения насыщения первого 2 и второго 3 операционных усилителей и задается номиналами первого резистора обратной связи 8 и второго резистора обратной связи 9, которые выбираются равными. При этом, задаваемый диапазон компенсации может быть достаточно широк и обеспечивать возможность эффективного усиления полезной составляющей фототока при многократно превышающих значениях фоновой засветки, не приводящей при этом к насыщению операционных усилителей.
Предлагаемый усилитель импульсных оптических сигналов успешно прошел лабораторные опытные испытания в составе стационарной системы обнаружения метана в атмосферном воздухе технологических площадок компрессорных станций ОАО «Газпром», а также в лазерных детекторах метана, предназначенных для вертолетного обследования магистральных газопроводов на предмет утечек.