RU2516007C2 - Optical radiation receiver - Google Patents

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.

SUBSTANCE: optical radiation receiver includes a radiation sensor (1), connected through alternating current to the input of the device (2), connected to the inverting input of a first (3) differential amplifier, the non-inverting input of which is connected to a common power supply bus (4), a feedback resistor (5) connected between the output of the first (3) differential amplifier, connected to the output of the device (6), and the inverting input of the first (3) differential amplifier. The inverting input of the first (3) differential amplifier is connected to the inverting input of an additional differential amplifier (7), the non-inverting input of which is connected to the common power supply bus (4), the non-inverting input of the first (3) differential amplifier is connected to the common power supply bus (4) through a first (8) additional resistor and is connected to the output of the additional differential amplifier (7) through a second (9) additional resistor, wherein a third (10) additional resistor is connected between the input of the device (2) and the output of the additional differential amplifier (7).

EFFECT: faster operation with radiation sensors in form of photodiodes, having considerable parasitic capacitance.

4 cl, 6 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и связи и может использоваться в оптических системах передачи информации, датчиках оптических излучений малой интенсивности, измерителях оптических сигналов в физике высоких энергий и т.п.The present invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used in optical information transmission systems, low-intensity optical radiation sensors, optical signal meters in high-energy physics, etc.

Оптическое излучение (ОИ) включает спектры ультрафиолетовых, видимых и инфракрасных диапазонов. Оно может регистрироваться различными типами фотоприемников, среди которых наиболее часто применяются фотодиоды, реагирующие, как правило, на определенный спектр излучений. Рассматриваемое устройство относится к таким типам фотоприемников.Optical radiation (OI) includes the spectra of the ultraviolet, visible and infrared ranges. It can be detected by various types of photodetectors, among which the most commonly used are photodiodes that respond, as a rule, to a certain spectrum of radiation. The device in question refers to these types of photodetectors.

В задачах выделения оптических сигналов сегодня широко используются приемники оптических излучений (ПОИ) на основе фотодиодов со специальными элементами RC-коррекции, формирующими заданную амплитудно-частотную характеристику [1-26]. Однако классическое построение таких ПОИ сопровождается значительными потерями в быстродействии, которые связаны в основном с паразитными емкостями фотодиодных преобразователей [1-26] и резисторов обратных связей. В этой связи весьма актуальной является задача построения приемников различных оптических излучений (видимое излучение, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение), которые обеспечивают повышенное быстродействие в сравнении с ПОИ на основе классических архитектур.In problems of isolating optical signals, optical radiation receivers (POIs) based on photodiodes with special RC correction elements that form a given amplitude-frequency characteristic are widely used today [1-26]. However, the classical construction of such POIs is accompanied by significant losses in speed, which are mainly associated with stray capacitances of photodiode converters [1-26] and feedback resistors. In this regard, it is very urgent to build receivers of various optical radiation (visible radiation, infrared radiation, ultraviolet radiation), which provide increased speed in comparison with POI based on classical architectures.

Известны схемы ПОИ на основе операционных усилителей (ОУ) с отрицательной обратной связью, которые обеспечивают формирование заданного коэффициента преобразователя оптического сигнала в напряжение в заданном диапазоне частот Δf=f_в-f_н [1-26].Known schemes POI based on operational amplifiers (op amps) with negative feedback, which provide the formation of a given coefficient of the converter of the optical signal into voltage in a given frequency range Δf = f _in -f _n [1-26].

Ближайшим прототипом заявляемого устройства является приемник оптических излучений, представленный в патенте US 5.521.555 fig.1, fig.2. Он содержит датчик излучений 1, подключенный по переменному току ко входу устройства 2, связанному с инвертирующим входом первого 3 дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 4, резистор обратной связи 5, включенный между выходом первого 3 дифференциального усилителя, соединенного с выходом устройства 6, и инвертирующим входом первого 3 дифференциального усилителя.The closest prototype of the claimed device is an optical radiation receiver, presented in patent US 5.521.555 fig.1, fig.2. It contains a radiation sensor 1 connected by alternating current to the input of device 2 connected to the inverting input of the first 3 differential amplifiers, the non-inverting input of which is connected to the common bus of power supplies 4, a feedback resistor 5 connected between the output of the first 3 differential amplifiers connected to the output of the device 6, and the inverting input of the first 3 differential amplifier.

Существенный недостаток известного ПОИ-прототипа состоит в том, что он не обеспечивает высокое быстродействие при импульсном изменении слабых излучений.A significant drawback of the known POI prototype is that it does not provide high performance when pulsed changes in weak radiation.

Основная задача предполагаемого изобретения состоит в повышении быстродействия ПОИ при работе с датчиками излучений в виде фотодиодов, имеющими значительную паразитную емкость.The main objective of the proposed invention is to increase the speed of the POI when working with radiation sensors in the form of photodiodes having a significant stray capacitance.

Поставленная задача решается тем, что в приемнике оптических излучений фиг.1, содержащем датчик излучений 1, подключенный по переменному току ко входу устройства 2, связанному с инвертирующим входом первого 3 дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 4, резистор обратной связи 5, включенный между выходом первого 3 дифференциального усилителя, соединенного с выходом устройства 6, и инвертирующим входом первого 3 дифференциального усилителя, предусмотрены новые элементы и связи - инвертирующий вход первого 3 дифференциального усилителя соединен с инвертирующим входом дополнительного дифференциального усилителя 7, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 4, неинвертирующий вход первого 3 дифференциального усилителя связан с общей шиной источников питания 4 через первый 8 дополнительный резистор и подключен к выходу дополнительного дифференциального усилителя 7 через второй 9 дополнительный резистор, причем между входом устройства 2 и выходом дополнительного дифференциального усилителя 7 включен третий 10 дополнительный резистор.The problem is solved in that in the optical radiation receiver of FIG. 1, containing a radiation sensor 1, connected by alternating current to the input of device 2, connected to the inverting input of the first 3 differential amplifier, the non-inverting input of which is connected to the common bus of power supplies 4, a reverse resistor connection 5, connected between the output of the first 3 differential amplifier connected to the output of the device 6, and the inverting input of the first 3 differential amplifier, there are new elements and communications - inver the inverting input of the first 3 differential amplifier is connected to the inverting input of the additional differential amplifier 7, the non-inverting input of which is connected to the common bus of the power supplies 4, the non-inverting input of the first 3 differential amplifier is connected to the common bus of the power sources 4 through the first 8 additional resistor and connected to the output of the additional differential amplifier 7 through the second 9 additional resistor, and between the input of the device 2 and the output of the additional differential amplifier 7 the third 10 additional resistor is included.

Схема ПОИ-прототипа показана на чертеже фиг.1. На чертеже фиг.2 представлена схема заявляемого устройства в соответствии с формулой изобретения.Scheme POI prototype shown in the drawing of figure 1. The drawing of figure 2 presents a diagram of the inventive device in accordance with the claims.

На чертеже фиг.3 приведена эквивалентная схема ПОИ-прототипа фиг.1, которая использовалась при математическом и компьютерном моделировании его переходных процессов.The drawing of figure 3 shows the equivalent circuit of the POI prototype of figure 1, which was used in mathematical and computer modeling of its transients.

На чертеже фиг.4 показан переходных процесс в ПОИ-прототипе фиг.3 при импульсе тока фотодиода I_фмах=0,6 мкА и следующих параметрах элементов: R₅=R=168 кОм, С₁₃=С_к=0,26 пФ, R₁₂=R₀=350 кОм.The drawing of figure 4 shows the transient process in the POI prototype of figure 3 with a current pulse of the photodiode I _fm = 0.6 μA and the following parameters of the elements: R ₅ = R = 168 kOhm, C ₁₃ = C _k = 0.26 pF, R ₁₂ = R ₀ = 350 kOhm.

На чертеже фиг.5 приведена эквивалентная схема ПОИ для моделирования и аналитического описания свойств предлагаемой схемы фиг.2.The drawing of figure 5 shows the equivalent scheme POI for modeling and analytical description of the properties of the proposed scheme of figure 2.

На чертеже фиг.6 представлены переходные процессы ПОИ фиг.5 для установившегося значения U_вых=U_п=100 мВ при входном импульсе фототока I_ф=0,6 мкА и разных значений паразитной емкости фотодиода 1 (С₀=0,5 пФ, С₀=1 пФ, С₀=1,5 пФ).The figure 6 shows the transients MPU 5 for steady state value U _O = U _n = 100 mV when the input pulse photocurrent I _f = 0.6 microamps and different values of parasitic capacitance of the photodiode 1 (C ₀ = 0.5 pF, C ₀ = 1 pF, C ₀ = 1.5 pF).

Приемник оптических излучений фиг.2 содержит датчик излучений 1, подключенный по переменному току ко входу устройства 2, связанному с инвертирующим входом первого 3 дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 4, резистор обратной связи 5, включенный между выходом первого 3 дифференциального усилителя, соединенного с выходом устройства 6, и инвертирующим входом первого 3 дифференциального усилителя. Инвертирующий вход первого 3 дифференциального усилителя соединен с инвертирующим входом дополнительного дифференциального усилителя 7, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания 4, неинвертирующий вход первого 3 дифференциального усилителя связан с общей шиной источников питания 4 через первый 8 дополнительный резистор и подключен к выходу дополнительного дифференциального усилителя 7 через второй 9 дополнительный резистор, причем между входом устройства 2 и выходом дополнительного дифференциального усилителя 7 включен третий 10 дополнительный резистор.The optical radiation receiver of figure 2 contains a radiation sensor 1, connected by alternating current to the input of the device 2, connected to the inverting input of the first 3 differential amplifier, the non-inverting input of which is connected to the common bus of power supplies 4, a feedback resistor 5, connected between the output of the first 3 differential amplifier connected to the output of the device 6, and the inverting input of the first 3 differential amplifier. The inverting input of the first 3 differential amplifier is connected to the inverting input of the additional differential amplifier 7, the non-inverting input of which is connected to the common bus of power supplies 4, the non-inverting input of the first 3 differential amplifier is connected to the common bus of power supplies 4 through the first 8 additional resistor and connected to the output of the additional differential amplifier 7 through the second 9 additional resistor, and between the input of device 2 and the output of the additional differential force On the other hand, the third 10 additional resistor is switched on.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения, между входом устройства 2 и общей шиной источников питания 4 включен четвертый 11 дополнительный резистор.In the drawing of FIG. 2, in accordance with claim 2, between the input of the device 2 and the common bus of power supplies 4, a fourth 11 additional resistor is included.

Кроме этого, на чертеже фиг.2, в соответствии с п.3 формулы изобретения, неинвертирующий вход дополнительного дифференциального усилителя 7 связан с общей шиной источников питания 4 через пятый 12 дополнительный резистор.In addition, in the drawing of FIG. 2, in accordance with claim 3, a non-inverting input of an additional differential amplifier 7 is connected to a common bus of power supplies 4 through a fifth 12 additional resistor.

На чертеже фиг.2, в соответствии с п.4 формулы изобретения, параллельно резистору обратной связи 5 включен корректирующий конденсатор 13.In the drawing of FIG. 2, in accordance with claim 4, a correction capacitor 13 is connected in parallel with the feedback resistor 5.

Рассмотрим работу эквивалентной схемы ПОИ-прототипа фиг.3.Consider the work of the equivalent circuit POI prototype of figure 3.

В схеме фиг.3 вследствие действия глубокой отрицательной обратной связи напряжение на датчике излучений 1 (фотодиоде) при любом световом потоке практически равно нулю. Именно это исключает в нем ток утечки и ток термогенерации, что в конечном итоге благоприятно сказывается на основных качественных показателях такого класса фотоприемных устройств.In the circuit of FIG. 3, due to the action of deep negative feedback, the voltage at the radiation sensor 1 (photodiode) is practically zero at any light flux. It is this that eliminates the leakage current and the thermal generation current in it, which ultimately favorably affects the main quality indicators of this class of photodetector devices.

Из эквивалентной схемы фиг.3 можно определить передаточную функцию ПОИFrom the equivalent circuit of figure 3, you can determine the transfer function POI

$$F(p)=\frac{U_{П}(p)}{I_{Ф}}=\frac{-R{\omega }_p^2}{p^2+p{d}_p{\omega }_p+{\omega }_p^2},\left(1\right)$$

$$F(p)=\frac{U_P(p)}{I_F}=\frac{-R{\omega }_p^2}{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="p"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">p</figure-callout>}}^2+p{d}_p{\omega }_p+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\omega \; p"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\omega \; </figure-callout>}}_p^{}},\left(\mathrm{one}\right)$$

где U_п(p)=U_вых(p) - выходное напряжение ПОИ в операторной форме;where U _p (p) = U _o (p) is the output voltage POI in operator form;

d_P и ω_р - затухание и частота полюса ПОИ;d _P and ω _p - attenuation and frequency of the POI pole;

I_ф - величина импульсного входного фототока ПОИ.I _f - the value of the pulse input photocurrent POI.

Если в режиме преобразования светового потока в выходное напряжение U_п(p) пренебречь влиянием внутреннего дифференциального сопротивления датчика 1 ПОИ и влиянием статического коэффициента передачи по напряжению операционного усилителя (ОУ), тоIf in the mode of converting the light flux to the output voltage U _p (p), we neglect the influence of the internal differential resistance of the sensor 1 POI and the influence of the static transmission coefficient for the voltage of the operational amplifier (OA), then

$$d_p=\sqrt{\frac{1}{ПR(C_0+Cк)}}+\sqrt{\frac{ПR{C}_K^2}{C_0+C_K}},{\omega }_p=\sqrt{\frac{П}{R\left(C_{К}+C_0\right)}},(2)$$

, $$d_p=\sqrt{\frac{\mathrm{one}}{PR(C_0+C\mathrm{to})}}+\sqrt{\frac{PR{C}_K^2}{C_0+C_K}},{\omega }_p=\sqrt{\frac{P}{R\left(C_{\mathrm{TO}}+C_0\right)}},(2)$$

,

где П=2πf₁ - площадь усиления операционного усилителя ОУ.where P = 2πf ₁ is the gain area of the op-amp operational amplifier.

Из соотношения (1) следует, что в установившемся режиме выходное напряжение схемы фиг.3 (при чувствительности U_п к изменению R: $$S_R^{Uп}=1$$

)From relation (1) it follows that in the steady state the output voltage of the circuit of figure 3 (with sensitivity U _p to the change in R: $$S_R^{UP}=\mathrm{one}$$

)

$$U_{вых}=U_{П}=-R{I}_{ф}=-F_{и}{I}_{ф}\left(3\right)$$

$$U_{\mathrm{at}sx}=U_P=-R{I}_f=-F_{\mathrm{and}}{I}_f\left(3\right)$$

не только не зависит от паразитных параметров датчика излучений (фотодиода) 1, но также не зависит от частоты единичного усиления ОУ. Таким образом, фотоприемники непрерывного действия фиг.3 (фиг.1) могут обеспечить практически любую крутизну характеристики передачи «вход-выход».not only does not depend on the spurious parameters of the radiation sensor (photodiode) 1, but also does not depend on the frequency of unity gain of the op-amp. Thus, the continuous photodetector of figure 3 (figure 1) can provide almost any slope of the transmission characteristics of the input-output ".

Приведенные выше соотношения показывают, что влияние паразитных параметров схемы С₀, С_к=С₁₃ существенно сказывается на длительности и характере переходного процесса ПОИ фиг.1:The above ratios show that the influence of the parasitic parameters of the circuit With ₀ , With _To = C ₁₃ significantly affects the duration and nature of the transition process POI figure 1:

$$h(t)=\frac{1}{{\omega }_p\sqrt{1-d_p^2/4}}\cdot e^{-\frac{d_p}{2}{\omega }_{p}t}\cdot \sin {\omega }_p\sqrt{1-d_p^2/4}\cdot t.\left(4\right)$$

$$h(t)=\frac{\mathrm{one}}{{\omega }_p\sqrt{\mathrm{one}-{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="d\; p"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">d\; </figure-callout>}}_p^{}/\mathrm{four}}}\cdot e^{-\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="d\; p"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">d\; </figure-callout>}}_p}{2}{\omega }_{p}t}\cdot \sin {\omega }_p\sqrt{\mathrm{one}-{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="d\; p"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">d\; </figure-callout>}}_p^{}/\mathrm{four}}\cdot t.\left(\mathrm{four}\right)$$

Параметрически оптимальные параметры такого устройства характеризуются следующими величинами:The parametrically optimal parameters of such a device are characterized by the following values:

$$d_{popt}=\sqrt{2}\text{, }{t}_{З}=\frac{N}{{\omega }_p}\text{, }\frac{\Delta h{\left(t\right)}_{\max }}{h}=5\%.(5)$$

. $$d_{popt}=\sqrt{2}\text{,}{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="t"\; filenames="00000018.png,00000021.png"\; state="\{\{state\}\}">t</figure-callout>}}_3=\frac{N}{{\omega }_p}\text{,}\frac{\Delta h{\left(t\right)}_{\max }}{h}=5\%.(5)$$

.

где N≈З; t₃ - время задержки включения (выхода на режим).where N≈3; t ₃ - time delay on (exit to mode).

В этом случае максимальная чувствительность ПОИIn this case, the maximum sensitivity of the POI

$$S_{C_0}^{h(t)}\max =-3\sqrt{2}\frac{C_0}{C_0+C_K},\left(6\right)$$

$$S_{C_0}^{h(t)}\max =-3\sqrt{2}\frac{C_0}{C_0+C_K},\left(6\right)$$

которая в основном определяется соотношением емкости датчика излучений (фотодиода) 1 и корректирующей емкости C_К.which is mainly determined by the ratio of the capacitance of the radiation sensor (photodiode) 1 and the correction capacitance C _K.

Аналогично можно найти чувствительность ПОИSimilarly, you can find the sensitivity of POI

$$S_{C_{к}}^{h(t)}\max =-3\sqrt{2}\frac{C_{К}R\Pi }{1+C_{К}R\Pi },\left(7\right)$$

$$S_{C_{\mathrm{to}}}^{h(t)}\max =-3\sqrt{2}\frac{C_{\mathrm{TO}}R\Pi }{\mathrm{one}+C_{\mathrm{TO}}R\Pi },\left(7\right)$$

Эта величина определяет (при заданной крутизне переходной характеристики) значение затухания полюса.This value determines (for a given transconductance slope) the pole attenuation value.

В этой связи для реализации высокого динамического диапазона в ПОИ фиг.1 необходимо использовать прецизионные ОУ. Рассмотренная схема позволяет использовать стандартные типы фотодиодов и ОУ. Например, если применить прецизионный ОУ с частотой единичного усиления 49 МГц и типовые фотодиоды, то для I_ф=0,6 мкА переходные характеристики будут иметь вид, приведенный на чертеже фиг.4. Характеристики получены моделированием схемы фиг.3 в среде SPICE при использовании моделей 3 уровня. При этом считалось, что для существующих технологических погрешностей изготовления фотодиодов точность получения паразитной емкости С₀ составляет 50%.In this regard, to implement the high dynamic range in the POI of FIG. 1, it is necessary to use precision op-amps. The considered circuit allows the use of standard types of photodiodes and op-amps. For example, if you apply a precision op amp with a frequency of unity gain of 49 MHz and typical photodiodes, then for I _f = 0.6 μA, the transition characteristics will be as shown in the drawing of Fig. 4. Characteristics obtained by modeling the circuit of figure 3 in the SPICE environment when using level 3 models. It was believed that for the existing technological errors in the manufacture of photodiodes, the accuracy of obtaining parasitic capacitance C ₀ is 50%.

Рассмотрим далее работу заявляемого приемника фиг.2 на основе анализа его эквивалентной схемы фиг.5.Consider further the operation of the inventive receiver of figure 2 based on the analysis of its equivalent circuit of figure 5.

Для уменьшения влияния паразитных параметров датчика излучений (фотодиода) 1 и активных элементов ПОИ в схему введены специальные компенсирующие обратные связи в соответствии с формулой изобретения.To reduce the influence of spurious parameters of the radiation sensor (photodiode) 1 and the active elements of the POI, special compensating feedbacks are introduced into the circuit in accordance with the claims.

Если не учитывать слагаемое, обратно пропорциональное произведению площадей усиления ОУ 7 и 3, то передаточная функция ПОИ в обозначениях элементов на чертеже фиг.5If you do not take into account the term inversely proportional to the product of the gain areas of the op amp 7 and 3, then the transfer function of the POI in the notation of the elements in the drawing of figure 5

$$F(p)=R\frac{p{a}_1+{\omega }_p^2}{p^2+p{d}_p{\omega }_p+{\omega }_p^2},\left(8\right)$$

$$F(p)=R\frac{p{a}_{\mathrm{one}}+{\omega }_p^2}{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="p"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">p</figure-callout>}}^2+p{d}_p{\omega }_p+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\omega \; p"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\omega \; </figure-callout>}}_p^{}},\left(8\right)$$

гдеWhere

$$\begin{array}{l}{\omega }_p=\sqrt{\frac{{П}_1{\beta }_2\ae }{{\tau }_{К}}},a_1=\frac{{\beta }_2}{{\tau }_{К}},{\text{ F}}_{\text{è}}=\text{R }\text{,}\\ d_p=\sqrt{\frac{{П}_1\ae }{{\beta }_2{\tau }_{К}}}\cdot \left[t_{К}+\frac{{\beta }_1}{{П}_1\ae }+\frac{{\beta }_2}{\ae }\frac{1}{{П}_1}\right],\\ {\tau }_{К}=C_{К}R,{\beta }_2=\frac{1/R}{1/R+1/R_1+1/R_2}\text{, }{\beta }_1=\frac{1/R_1}{1/R+1/R_1+1/R_2},(9)\\ \text{æ}=\frac{{\text{R}}_{\text{4}}}{{\text{R}}_{\text{3}}+{\text{R}}_{\text{4}}}.\end{array}$$

$$\begin{array}{l}{\omega }_p=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{one}}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2\ae }{{\tau }_{\mathrm{TO}}}},a_{\mathrm{one}}=\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2}{{\tau }_{\mathrm{TO}}},{\text{F}}_{\text{è}}=\text{R}\text{,}\\ d_p=\sqrt{\frac{P_{\mathrm{one}}\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\ae \; \beta "\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\ae \; </figure-callout>}}{{\beta }_{}}}\cdot \left[t_{\mathrm{TO}}+\frac{{\beta }_{\mathrm{one}}}{P_{\mathrm{one}}\ae }+\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2}{\ae }\frac{\mathrm{one}}{P_{\mathrm{one}}}\right],\\ {\tau }_{\mathrm{TO}}=C_{\mathrm{TO}}R,{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2=\frac{\mathrm{one}/R}{\mathrm{one}/R+\mathrm{one}/R_{\mathrm{one}}+\mathrm{one}/{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="R"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}_2}\text{,}{\beta }_{\mathrm{one}}=\frac{\mathrm{one}/R_{\mathrm{one}}}{\mathrm{one}/R+\mathrm{one}/R_{\mathrm{one}}+\mathrm{one}/{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="R"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}_2},(9)\\ \text{æ}=\frac{{\text{R}}_{\text{four}}}{{\text{<figure-callout id="3" label="R" filenames="00000018.png,00000021.png" state="{{state}}">R</figure-callout>}}_{\text{3}}+{\text{R}}_{\text{four}}}.\end{array}$$

Следовательно, коэффициент преобразования оптического излучения (инфракрасного, ультрафиолетового или видимого), связанного с фототоком I_ф, в выходное напряжение ПОИ определяется сопротивлением резистора R.Consequently, the conversion coefficient of the optical radiation (infrared, ultraviolet or visible) associated with the photocurrent I _f into the output voltage of the POI is determined by the resistance of the resistor R.

Таким образом, параметры передаточной функции ПОИ фиг.2 (фиг.5) не зависят от емкости датчика излучений (фотодиода) 1, что в конечном итоге и подтверждает эффективность собственной компенсации. Однако, если в схеме ПОИ необходимо обеспечить максимальное быстродействие, то указанное выше условие не выполняется и рассматриваемое устройство описывается передаточной функцией третьего порядкаThus, the parameters of the transfer function POI figure 2 (figure 5) do not depend on the capacitance of the radiation sensor (photodiode) 1, which ultimately confirms the effectiveness of its own compensation. However, if it is necessary to ensure maximum performance in the POI scheme, then the above condition is not satisfied and the device in question is described by a third-order transfer function

гдеWhere

$$b_2=\frac{{П}_2{\tau }_{К}+1}{{П}_1{П}_2{\beta }_2\ae }\text{, }{b}_1=\frac{{П}_1{П}_2\ae {\tau }_{\text{К}}+{П}_1{\beta }_1+{П}_2{\beta }_2}{{П}_1{П}_2{\beta }_2\ae }.(11)$$

$${\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="b"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">b</figure-callout>}}_2=\frac{{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="P"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">P</figure-callout>}}_2{\tau }_{\mathrm{TO}}+\mathrm{one}}{P_{\mathrm{one}}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="P"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">P</figure-callout>}}_2{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2\ae }\text{,}{b}_{\mathrm{one}}=\frac{P_{\mathrm{one}}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="P"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">P</figure-callout>}}_2\ae {\tau }_{\text{TO}}+P_{\mathrm{one}}{\beta }_{\mathrm{one}}+{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="P"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">P</figure-callout>}}_2{\beta }_2}{P_{\mathrm{one}}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="P"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">P</figure-callout>}}_2{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2\ae }.(\mathrm{eleven})$$

Введя нормированный операторIntroducing the normalized operator

$$S=\frac{p}{{\omega }_H}\text{, }{\omega }_H=\sqrt[3]{\frac{{П}_1{П}_2{\beta }_2\ae }{{\tau }_0}},(12)$$

$$S=\frac{p}{{\omega }_H}\text{,}{\omega }_H=\sqrt[3]{\frac{P_{\mathrm{one}}{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="P"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">P</figure-callout>}}_2{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\beta "\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\beta </figure-callout>}}_2\ae }{{\tau }_0}},(12)$$

получимwe get

$$\begin{array}{l}F(S)=F_{и}\frac{BS+1}{S^3+A_2{S}^2+A_{1}S+1},\\ B=a_1{\omega }_H,A_2=b_2{\omega }_H^2,\left(13\right)\\ {\text{A}}_{\text{1}}={\text{b}}_{\text{1}}{\omega }_H.\end{array}$$

$$\begin{array}{l}F(S)=F_{\mathrm{and}}\frac{BS+\mathrm{one}}{{\mathrm{<figure-callout\; id="3"\; label="S"\; filenames="00000018.png,00000021.png"\; state="\{\{state\}\}">S</figure-callout>}}^3+A_2{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="S"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">S</figure-callout>}}^2+A_{\mathrm{one}}S+\mathrm{one}},\\ B=a_{\mathrm{one}}{\omega }_H,A_2={\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="b"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">b</figure-callout>}}_2{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\omega \; H"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\omega \; </figure-callout>}}_H^{},\left(13\right)\\ {\text{A}}_{\text{one}}={\text{b}}_{\text{one}}{\omega }_H.\end{array}$$

Следовательно, при оптимальном выборе параметров B, A₂, A₁ длительность переходного процесса определяется частотой настройки схемы. Параметрическая оптимизация схемы фиг.2 (фиг.5) дает следующие результаты:Therefore, with the optimal choice of parameters B, A ₂ , A _{1, the} duration of the transient process is determined by the frequency of tuning the circuit. Parametric optimization of the circuit of figure 2 (figure 5) gives the following results:

$$B=\mathrm{0,875}{A}_1\text{, }{A}_1=\mathrm{6,35,}{A}_2=\mathrm{5,1.}\left(14\right)$$

$$B=0.875A_{\mathrm{one}}\text{,}{A}_{\mathrm{one}}=\mathrm{6.35,}{A}_2=\mathrm{5.1.}\left(\mathrm{fourteen}\right)$$

Поэтому выбор параметров ее элементов осуществляется из следующих выраженийTherefore, the selection of the parameters of its elements is carried out from the following expressions

$$\begin{array}{l}\frac{1}{\ae }=\sqrt{B^3{C}_{0}RП}\text{; }\frac{R}{R_2}=\frac{A_2}{\frac{1}{B}\frac{C_K}{C_0+C_K}+B\sqrt{\frac{\ae }{\left({\text{C}}_{\text{0}}+{\text{C}}_{\text{K}}\right)RП}}};\\ \text{ (15)}\\ \frac{R}{R_1}=\frac{A_1}{B}-1-\frac{ПC_K{R}^2\ae }{R_2}.\end{array}$$

$$\begin{array}{l}\frac{\mathrm{one}}{\ae }=\sqrt{B^3{C}_{0}RP}\text{;}\frac{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="R\; R"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">R\; </figure-callout>}}{R_{}}=\frac{A_2}{\frac{\mathrm{one}}{B}\frac{C_K}{C_0+C_K}+B\sqrt{\frac{\ae }{\left({\text{C}}_{\text{0}}+{\text{C}}_{\text{K}}\right)RP}}};\\ \text{(fifteen)}\\ \frac{R}{R_{\mathrm{one}}}=\frac{A_{\mathrm{one}}}{B}-\mathrm{one}-\frac{P{\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="C\; K\; R"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">C\; </figure-callout>}}_K{R}^{}{}^2\mathrm{<figure-callout\; id="2"\; label="\ae \; R"\; filenames="00000018.png"\; state="\{\{state\}\}">\ae \; </figure-callout>}}{R_{}}.\end{array}$$

Результаты моделирования принципиальной схемы фиг.5 при использовании типовых ОУ в системе SPICE (модели третьего уровня) приведены на рис.6 и показывают, что длительность переходных процессов в заявляемом ПОУ на порядок на порядок меньше, чем в схеме фиг.3 и в значительной степени зависит от технологической погрешности емкости С₀(ΔС₀/С₀±50%). Поэтому время задержки ПОИ должно определяться в наихудшем случае исходя из допустимой погрешности измерения светового потока (ΔU_п/U_п).The results of modeling the schematic diagram of Fig. 5 when using typical op-amps in the SPICE system (third-level model) are shown in Fig. 6 and show that the duration of the transient processes in the claimed POC is an order of magnitude less than in the circuit of Fig. 3 and to a large extent depends on the technological error of the capacitance С ₀ (ΔС ₀ / С ₀ ± 50%). Therefore, the POI delay time should be determined in the worst case based on the permissible error in measuring the light flux (ΔU _p / U _p ).

Представленные на чертежах фиг.4, фиг.6 результаты моделирования предлагаемого приемника оптических излучений подтверждают указанные свойства заявляемой схемы.Presented on the drawings figure 4, 6, the simulation results of the proposed receiver of optical radiation confirm these properties of the claimed circuit.

Таким образом, предлагаемые схемотехнические решения ПОИ характеризуется более высоким быстродействием.Thus, the proposed circuitry solutions POI is characterized by higher speed.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОКBIBLIOGRAPHIC LIST

1. Патент US 6.832.054, fig.41. Patent US 6.832.054, fig. 4

2. Патент DE 27206142. Patent DE 2720614

3. Патент US 5.455.7053. Patent US 5.455.705

4. Патент US 5.257.285, fig.34. Patent US 5.257.285, fig. 3

5. Патент US 5.008.5245. Patent US 5.008.524

6. Патент US 5.311.3536. Patent US 5.311.353

7. Патент US 5.202.5537. Patent US 5.202.553

8. Патентная заявка US 2002/0122233, fig.18. Patent application US 2002/0122233, fig.1

9. Патент US 6.639.473, fig.19. Patent US 6.639.473, fig. 1

10. Патент СА 128532510. Patent CA 1285325

11. Патентная заявка US 2006/006771311. Patent application US 2006/0067713

12. Патент US 6.803.825,12. US Patent 6.803.825,

13. Патент US 6.956.43913. Patent US 6.956.439

14. Патентная заявка US 2003/010743914. Patent application US 2003/0107439

15. Топильский В.Б. Схемотехника измерительных устройств / В.Б. Топильский. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2005. - С.106, рис.2.63, С.125, рис.3.11.15. Topilsky V.B. Circuitry of measuring devices / VB Topilsky. - M .: BINOM. Laboratory of Knowledge, 2005. - P.106, Fig. 2.63, P.125, Fig. 3.11.

16. Патент US №5.386.109 fig.216. US patent No. 5.386.109 fig.2

17. Патент US №4.868.896 fig.417. US patent No. 4.868.896 fig. 4

18. Патент US №5.565.672 fig.218. US patent No. 5.565.672 fig.2

19. Патент US №6.462.327 fig.1, fig.4a19. US patent No. 6.462.327 fig. 1, fig. 4a

20. Патент US №5.773.815 fig.120. US patent No. 5.773.815 fig. 1

21. Патент US №5.007.106 fig.521. US patent No. 5.007.106 fig.5

22. Патент US №6.862.322 fig.3В22. US patent No. 6.862.322 fig.3B

23. Патент US №5.477.370 fig.223. US patent No. 5.477.370 fig.2

24. Патент US №4.724.31524. US patent No. 4.724.315

25. Патент US №6.307.660 fig.125. US patent No. 6.307.660 fig.1

26. Патент US №6.525.858 fig.326. US patent No. 6.525.858 fig.3

Claims (4)

1. Приемник оптических излучений, содержащий датчик излучений (1), подключенный по переменному току к входу устройства (2), связанному с инвертирующим входом первого (3) дифференциального усилителя, неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания (4), резистор обратной связи (5), включенный между выходом первого (3) дифференциального усилителя, соединенного с выходом устройства (6), и инвертирующим входом первого (3) дифференциального усилителя, отличающийся тем, что инвертирующий вход первого (3) дифференциального усилителя соединен с инвертирующим входом дополнительного дифференциального усилителя (7), неинвертирующий вход которого связан с общей шиной источников питания (4), неинвертирующий вход первого (3) дифференциального усилителя связан с общей шиной источников питания (4) через первый (8) дополнительный резистор и подключен к выходу дополнительного дифференциального усилителя (7) через второй (9) дополнительный резистор, причем между входом устройства (2) и выходом дополнительного дифференциального усилителя (7) включен третий (10) дополнительный резистор.1. An optical radiation receiver comprising a radiation sensor (1) connected by alternating current to the input of the device (2) connected to the inverting input of the first (3) differential amplifier, the non-inverting input of which is connected to a common bus of power sources (4), a reverse resistor connection (5), connected between the output of the first (3) differential amplifier connected to the output of the device (6), and the inverting input of the first (3) differential amplifier, characterized in that the inverting input of the first (3) differential amplifier connected to the inverting input of the additional differential amplifier (7), the non-inverting input of which is connected to the common bus of the power sources (4), the non-inverting input of the first (3) differential amplifier is connected to the common bus of the power sources (4) through the first (8) additional resistor and connected to the output of the additional differential amplifier (7) through the second (9) additional resistor, and a third (10) additional resistor is connected between the input of the device (2) and the output of the additional differential amplifier (7) . 2. Приемник оптических излучений по п.1, отличающийся тем, что между входом устройства (2) и общей шиной источников питания (4) включен четвертый (11) дополнительный резистор.2. The optical radiation receiver according to claim 1, characterized in that a fourth (11) additional resistor is connected between the input of the device (2) and the common bus of the power sources (4). 3. Приемник оптических излучений по п.1, отличающийся тем, что неинвертирующий вход дополнительного дифференциального усилителя (7) связан с общей шиной источников питания (4) через пятый (12) дополнительный резистор.3. The optical radiation receiver according to claim 1, characterized in that the non-inverting input of the additional differential amplifier (7) is connected to a common bus of power sources (4) through a fifth (12) additional resistor. 4. Приемник оптических излучений по п.1, отличающийся тем, что параллельно резистору обратной связи (5) включен корректирующий конденсатор (13). 4. The optical radiation receiver according to claim 1, characterized in that a correction capacitor (13) is connected in parallel with the feedback resistor (5).

Images