Источники и приёмники Излучения (1059978), страница 38
Текст из файла (страница 38)
с '+й' ../(йой *)+ 'г'Ь )й (6.5) По сравнению с выражениями (6.1) и (6.2) выражения (6.4) и (6.5) представляют собой более точные зависимости, учитываю. щие влияние параметров ОУ, ла и )с„. Очевидно, что при )хо.еЯвх (( ке выражения (6.4) и (6.5) приводятся к виду (6.1) и (6.2). Продифференцировав выражение (6.4) по й, и пренебрегая членами второго порядка малости, получим зависимо=гь относи- !69 тельного изменения сигнала на выходе ФПУ от нестабильности коэффициента усиления ОУ Лйо 6 = ~ и,/(/, = Р.,,/К„+ 1) (.И„Ъ,). (6.6) Для всех реальных ОУ параметры й„Я„и нестабильность й, в зависимости от температуры окружающей среды даются в справочнике.
Воспользовавшись выражением (6.6), можно найти предельное значение сопротивления Рш..„, если заданы предельная относительная погрешность измерения амплитуды сигнала и рабочий диапазон температур. Минимальное сопротивление в цепи обратной связи ОУ определяется из условия 1Яо с „„, «( (2е/,/4йТ) + Т/(КдТа) (6.7) где е — заряд электрона; /, — темновой ток фотодиода; Т— рабочая температура ФПУ, К; й — постоянная Больцмана; /7д— динамическое сопротивление фотодиода в рабочей точке вольтамперной характеристики; Т„ — температура резистора в цепи ОС. При работе с модулированным потоком оптического излучения следует учитывать зависимость входного сопротивления и коэффициента передачи преобразователя ток — напряжение от частоты огшвсо с (/с = 1+ гш,/(дг„) + 1/а! (6.8) 2 "= д+1~ьг,,,/г„' (6.9) где (/„Ло „Я„, й — соответственно выходное напряжение, со.
противление в цепи обратной связи, входное сопротивление и коэффициент усиления ОУ, записанные в комплексном виде. В реальных ОУ й и Л„ в значительной степени зависят от цепей коррекции, которые приходится включать, чтобы предотвратить самовозбуждение ОУ. Комплексное сопротивление в цепи обратной связи определяется следующим выражением: г,,, = Л,.,/(1+/ыС,,Л.,,), (6.10) где Сс с — паразитная емкость монтажа в цепи обратной связи; ав — угловая частота в спектре сигнала, ы = 2я/; / — цикличная частота, Гц.
Отметим, что при правильно выбранном ОУ, обладающем достаточным коэффициентом усиления в заданном диапазоне частот, наибольшее влияние на частотную характеристику фотоприемного узла оказывает цепь обратной связи, при этом 5и (/) С7йо, о/ (6.11) Последнее обстоятельство следует иметь в виду при выборе схемы управления чувствительностью ФПУ по цепи обратной связи. 170 Необходимо принимать меры для уменьшения монтажной емкости С При работе ФПУ в режиме малых сигналов существенное значение приобретают шумовые характеристики пары ФД вЂ” ОУ.
Напряжение шума на выходе ОУ в полосе частот Л/ = 1 Гц определяется выражением (/ш. вых— (6.12) ГДЕ Е,т, 1ш,т, 1 ф, 1„,, — СПЕКтРаЛЬНаи ПЛОтНОСтЬ НаПРЯжЕ- ния шума усилителя, шумового тока усилителя, шумового тока фотодиода и шумового тока сопротивления резистора Яо с соответственноо. Шумовые характерисгики ОУ обычно приведены в справочнике. Для большинства современных ОУ спектральная плотность шумового напряжения и шумового тока находятся соответственно в следующих пределах: е = (1 —;7) ! 0 — ' Вт/Гцпв! = (1 —;2). 10 — и А/Гцпв. Плотность шумового тока фотодиода, работающего в диодном режиме, 1 ф — — )72е!,.
Плотность шумового тока фотодиода, работающего в фотогальваническом режиме, 1йш ф = )'4йТ/Гтд. Плотность шумового тока резистора -ХсвгТК.. зв. С вЂ” „„в * ф в в; в— постоянная Больцмана; Т вЂ” температура р — и-перехода; Р динамическое сопротивление несмещенного р-п-перехода. При использовании малошумящих ОУ преобладающую роль играют шумы фотодиода и резистор Я,,с Поэтому (/ш. вых (6.13) При этом отношение сигнал/шум на выходе ФПУ в единичной полосе частот можно рассчитать по формуле ((/с/(/ш~вых = Б7Фс/ 1/сСш. фд+ 1Я, (6.14) При работе фотодиода в фотогальваническом режиме сопротивление резистора Ро,, выбирается обычно больше, чем эквивалентное сопротивлейие несмещенного фотодиода (Яо,, > /тд).
В этом случае спектральная плотность шума фотодиода 1ш фд намного больше спектральной плотности шума сопротивления нагрузки и отношение сигнал/шум в единичной полосе частот преобразуется к виду (и,/и ~,„, = Ь,Ф,; ) 4йТ~К„. (6.15) На рис. 6.5 приведена принципиальная схема включения четырехплощадочного фотодиода в оптико-электронной измерительной системе, работающей с модулированным потоком оптического излучения.
171 конденсаторов обычно составляет несколько пикофарад и подбираются при настройке. Резисторы Я1-1 (2, 3, 4) служат для увеличения динамического диапазона преобразователей ток — напряжение за счет компенсации постоянных составляющих темнсвых токов фото- диодов и фототока от возможной постоянной фоновой засветки. Сопротивления резисторов /с1-1 (2, 3, 4) рекомендуется выбирать равными сопротивлениям резисторов в цепи обратной связи. Емкости конденсаторов С1-1 (2, 3, 4) должны быть достаточными, чтобы для нижней граничной частоты в спектре видеосигнала сопротивления конденсаторов Х, = 1/(2я/ С) были близки к нулю и неинвентирующие входы ОУ (+) находились под нулевыми потенциалами по переменному току: Х, = 1/(2я/ С1) (0,1К1, т, е.
С1)~ 1О/(2я/„Я1), (6.17) мв Рис. 6.о. Полвая схема включения четмрехэлементного фотодиода в коорди- натно-чувствительном оптико-электронном устройстве Аноды фотодиода У! (А, В, С, 0) подключены ко входам преобразователей ток — напряжение, которые реализованы на операционных усилителях А1-1, А1-2, А1-3 и А1-4. Операционные усилители А2-1 и А2-2 выполняют функции аналоговых сумматоров сигналов, снимаемых со смежных каналов В + х! и А -1- С в соответствии с алгоритмом, показанным ва рис. 6.2.
В качестве схемы вычитания, формирующей разностный сигнал (В -1- 0) — (А + С), пропорциональный смещению вдоль оси х, используется ОУ АЗ. С выхода АЗ сигнал поступает на вход синхронного детектора (на рисунке не показан). Разностный сигнал (А -1- В) — (С -1- х!), пропорциональный смещению вдоль оси (7, можно получить с помощью аналогичной схемы. При этом целесообразно использовать одни и те же ОУ А1-1, А1-2, А1-3 и А!-4. Но сигналы на вход первого сумматора следует подавать с выходов ОУ А1-2 и А1-4 (точки а1), а на вход второго сумматора — соответственно с выходов А1-1 и А1-3.
Выбирать ОУ, выполняющие роль преобразователей ток— напряжение, следует с учетом вышеуказанных рекомендаций. Кроме того, желательно стремиться к тому, чтобы вся схема была реализована на микросхемах одной серии, что позволяет свести к минимуму число питающих напряжений и упростить конструкцию прибора в целом. На приведенной схеме (рис. 6.5) в качестве примера использованы ОУ серии 15ЗУД1. Конденсаторы С2-1 (2, 3, 4), так же как и конденсаторы С4-1 (2) и Сб, служат для коррекции частотной характеристики ОУ с целью предотвратить их самовозбуждения.
Емкости этих 172 где /, — нижняя граничная частота в спектре сигнала. При модуляции оптического излучения импульсами прямоугольной формы /, можно найти из условия (6.18) / = о/(2ят м„), где а — максимально допустимый относительный спад вершины импульса, возникающий при ограничении спектра в области нижних частот, обычно а ~( 0,1; т,„, — длительность излучаемых импульсов. Разделительные конденсаторы СЗ-1 (2, 3, 4) необходимы для обеспечения «развязки» между каскадами по постоянному току, что позволяет исключить влияние дрейфа постоянных составляющих выходных напряжений ОУ. Резисторы ВЗ-1 (2, 3, 4) служат для ослабления взаимного влияния сигналов, снимаемых с различных площадок фотодиода.
С этой целью сопротивления резисторов /13-1 (2, 3, 4) допжны быть значительно больше выходных сопротивлений ОУ. Например, для ОУ серии 153УД!, обладающих выходным сопротивлением порядка 300 Ом, в качестве «развязывающих» резисторов можно рекомендовать 1«3 = 150 кОм. Резисторы В4-1 (2) необходимы для выравнивания коэффициентов передачи суммируемых сигналов при настройке сумматоров на ОУ А2-1 (2). Коэффициент передачи сумматора йк на ОУ определяется соотношением сопротивлений резисторов /«3, Я4 и В6 йк ж 2В6/(йЗ + 0,5Я4). Чтобы обеспечить высокую точность суммирования, не следует стремиться к получению большого коэффициента передачи. Рекомендуемое значение йх =- 1 —:3.
При этом в приведенном примере сопротивление резистора /сб составит 75 — 230 кОм. 173 снима)елл) Резисторы )75-1 (2) служат для повышения стабильности режима работы сумматора на ОУ. Значение сопротивления )75 надо выбирать из условия О,5 (гЗ+ 0,5)74) Д6 0,5 ()73 + 0,5М4) + )76 Операционный усилитель АЗ выполняет роль схемы вычитания (сравнения) сигналов (В -1- й) и (А -~- С). Точную настройку схемы вычитания осуществляют с помощью резистора )79, сопротивление которого должно составлять 0,3 — 0,5 от сопротивления )с7.
Коэффициенты передачи, т. е. масштабные коэффициенты сравниваемых сигналов, определяются соотношением сопротив- лений )7П+ 0,5)гз,, ЯИ )~+~) Я7 -)- 0,5Я0 ' )~+~) кз Рис. 6.6. Структурная схема матричного много: элементного приемника налучения с послеяова тельным опросом беа накопления сигнала Для того чтобы обеспечить условия стабильной работы схемы, следует стремиться к тому, чтобы Я7 т 0,5Я9 ж )78; )711 + + 0,5)79 = Я10. При этом конкретные значения сопротивлений резисторов )77 †)7!1 определяются с учетом требуемого усиления АЗ: ялэ ж )410Я8. Отметим, что для ОУ серии 153УД1 )710 и )411 не должны превышать единиц мегаом. При выборе емкостей разделительных конденсаторов необходимо соблюдать условия: Хса = 17(2и)нСЗ) ~(0,!ЯЗ* Хсе = 17(2и)' С5) ~(0 1)77 где 7„— нижняя граничная частота спектра сигнала, определяемая в соответствии с выражением (6.18).
Конденсаторы С8 — С1! выполняют роль фильтров в цепях питания. Причем в приведенной схеме С8 и С10 — электролнтические конденсаторы большей емкости, чем конденсаторы С9 и С!1. Керамические конденсаторы С9 и С!1 в отличие от электролитическнх являются практически безиндуктивными и более эффективно работают на высоких частотах, в то время как электролитические конденсаторы С8 и С10 — на более низких. Емкости следует выбирать максимально большими с учетом рабочих напряжений и допустимых габаритных размеров конденсаторов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
