Автореферат (1143137), страница 6

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 6)

2-2. Зависимость интегральной чувствительности отскорости передачи данных при разных сопротивленияхтрансимпедансаSNR kT CD 3 , где SNR –S  mотношениесигнал/шум,чувствительность–Sфотодиода,токовая4kTCи4kTω2D – частотно-независимая и частотнозависимаяплотностикомпонентысреднегоспектральнойквадрата22эквивалентного шумового тока. Полученное выражение позволяет оптимизировать параметрыФПУ с целью достижения компромиссных требований по чувствительности и быстродействиюфотоприёмного устройства ППУ.

Результаты теоретических расчётов чувствительности ФПУнаходятся в хорошем соответствии (в пределах нескольких процентов) с экспериментальнымизначениями (рис. 2-2), как полученными в процессе собственных исследований автора работы, таки опубликованными другими исследователями для широкого спектра используемых в ФПУактивных элементов (биполярных и полевых транзисторов, транзисторов с гетеропереходом(HBT), псевдоморфных транзисторов с высокой подвижностью электронов (PHEMT) и арсенидгаллиевых полевых транзисторов (GaAs FET) в микроволновом диапазоне).В главе 3 «Радиотехнические приемно-преобразующие устройства на основе интеграторовтока» обосновывается усовершенствованная методика расчета чувствительности фотоприёмныхустройств ППУ с интегрированием фототока.

Задача решена в приближениях: А) реальногофотоинтегратора, Б) фотоинтегратора с идеальными интегрирующим конденсатором и ключомсброса интегратора, В) идеального фотоинтегратора (бесконечная полоса пропускания усилителя).Эквивалентная шумовая схема фотоинтегратора приведена на рис. 3-1. На схеме введеныобозначения: RD – динамическое сопротивлениефотодиода, C D – емкость p-n перехода фотодиода,ROA , COA – входные сопротивление и емкостьоперационногоинтегратора,Рис.

3-1. Эквивалентная шумовая схемафотоинтегратораусилителя,CI–емкостьRI – сопротивление разомкнутогоключа интегратора, I S – фототок фотодиода (ФД).К параметрам операционного усилителя (ОУ) относятся: постоянная времени T0 , коэффициентпередачи A  A0 1  pT0  , частота единичного усиления 1  A0 T0 . Эквивалентные шумовыегенераторы токов I N 1 , I N 2 ..

I N 5 и э.д.с. eN описывают случайные шумовые процессы и имеютспектральные плотности: I N 1 - дробовые шумы тока фотодиода, S N 1  2qI S ; I N 2 - дробовые шумывходного тока ОУ, S N 2  2qIOA ; I N 3 - тепловые шумы динамического сопротивления ФД,SN3=4kT/RD; I N 4 - тепловые шумы входного сопротивления ОУ, SN4=4kT/ROA; I N 5 - тепловые шумысопротивления разомкнутого ключа интегратора, SN5=4kT/RI; E NSE  4kTRn .Среднийквадратшумовоготоканавходе- тепловые шумы ОУ,ОУ:I N  _ I 2  S N  _ I  f ,гдеSN_ I  SN 1  SN 2  SN 3  SN 4  SN 5 . Среднеквадратичное значение шумового напряжения на выходеФПУ определяется сверткой автокорреляционной функции случайного процесса на входе и23tимпульсной характеристики исследуемой линейной цепи. Для «белого» шума U I2  I N2  _ I  hI 2 ( )d0, где hI(t) – импульсная характеристика цепи для источников тока на входе.

Изображение поЛапласу передаточной характеристики фотоинтегратора определяется двухполюсной функциейкомплекснойчастотыH I ( p) RИ,p  m  p  1где2 21  CI  СD  COA m, 111RI    1СI  RD RI ROA2 111RI     1СI  RD RI ROA . Импульсная характеристика фотоинтегратора определяется обратным1преобразованием Лапласа от передаточной характеристики: hI (t ) ВыходноенапряженияU OUT _ S (TINT )  I 0 TINTинтеграторатокапридействиинаt2 RI1  4m. e 2 m  sh2 m 1  4mвходескачкаhI (t )dt .

Пороговая чувствительность фотоинтегратора P0=I0/SтокаI0:(значение0мощности оптического сигнала на входе интегратора, при которой на выходе фотоинтеграторасреднеквадратичное напряжение сигнала равно среднеквадратичному значению общего шума)22определяется из уравнения U OUT, где S - чувствительность фотодетектора (фотодиода) к_S  UN _световому потоку, А/Вт. При выполнении условия TINT  CI  СD  COA11 1СIRDопределяется выражением: I 0  1TINTУпрощенноевыражение 1112q  I S  I OA  2T  ROA RD RIчувствительностифотоэлектронного умножителя (ФЭУ): P0 FMP 1SAпороговый токROAeN2 1CI (CI  CD ) .  TINT 2фотоинтеграторасиспользованием2qI DA , где μ– коэффициент внутреннегоTINTусиления лавины, SA– крутизна преобразования , IDA –темновойанодныйпороговойток.Рассчитанноечувствительностизначениефотоприемногоустройства ППУ газоанализатора на основе эффектапроявления МоЯК при времени интегрирования 1с наоснове фотодиода составляет значение P0 FD=0.9·10-14Рис.

3-2. Зависимость порогового тока ФПУот времени интегрирования:а) с учетом вклада шумовой э.д.с. иб) без учета вклада шумовой э.д.с.Вт, на основе ФЭУ – P0 FMP=0.48·10-15 Вт. На рис. 3 - 2представленазависимостьпороговоготокафотоприемного устройства ППУ газоанализатора на24основе эффекта проявления МоЯК от времени интегрирования.Использование в составе фотоинтегратора ФЭУ совместно с прецизионным малошумящимусилителем, а также большие времена интегрирования (порядка 1 с), позволяют существеннымобразом упростить выражения для расчета чувствительности фотоприемного устройства ППУгазоанализатора на основе эффекта проявления МоЯК.

Однако такая ситуация реализуется далеконе во всех случаях. Во многих практических применениях требуются позиционно-чувствительныедатчики оптического излучения, что определяет использование фотодиодов. Характерное времяизмерения достигает долей миллисекунд и меньше. В этом случае для расчета чувствительностиФПУ должны использоваться выражения приближений А), Б). В качестве примера можнопривести позиционно-чувствительный датчик проникающего рентгеновского излучения в ППУрентгено-абсорбционных сепараторов.

Время интегрирования в них определяет скоростьдвижения конвейера с минералами и не превышает значения долей миллисекунд.В Главе 4 «Приемно-преобразующее устройство газоанализатора на основе эффектапроявления молекулярных ядер конденсации» развит комплексный подход к решению задачиучета фундаментальных ограничений, определяемых ППУ газоанализатора, к которым относятся:а) предельная чувствительность фотоприемного устройства ППУ газоанализатора и б) рассеяниеэлектромагнитных волн оптического диапазона (светорассеяние) аэрозольными частицами ивоздухом в фотометрируемом объеме аэрозольной камеры фотометра. ППУ оптико-электроннойсистемы газоанализатора на основе метода МоЯК включает фотометр и блок управления,регистрации и обработки информации (УРОИ).

ППУ и конденсационные устройства (КУСТ)газоанализатора объединяются термином «детектор МоЯК».Научно-техническая проблема конструирования фотометра ППУ газоанализатора на основепроявления МоЯК заключается в правильном выборе источника и угла освещения аэрозольныхчастиц в фотометрируемом объеме, определении параметров формируемых в конденсационныхустройствах аэрозольных частиц (радиуса, показателя преломления и др.), достижениимаксимальной чувствительности ФПУ газоанализатора при быстродействии, определяемом самимпринципом проявления МоЯК. Фотометр ППУ газоанализатора выполнен по нефелометрическойсхеме, то есть в нем измеряется рассеянное оптическое излучение под углами, отличными отнулевого значения. В газоанализаторах, основанных на эффекте проявления МоЯК, радиусырассеивающих частиц имеют малый разброс и составляют r0=0.25 мкм, что сопоставимо с длинойволны оптического излучения.

Поэтому применима теория Ми, рассматривающая рассеяние светана сферических частицах, размеры которых сравнимы с длиной световой волны λ. Теория Ми,основанная на теории электромагнитного поля, представляет собой строгое решение задачирассеяния электромагнитных волн и не имеет ограничений на радиус рассеивающих частиц посравнению с длиной волны оптического излучения.25Интенсивность рассеянного света имеет вид I s 1 122  S1  S2  I i , где k – волновой2k R 22вектор, S1 и S2 - элементы амплитудной матрицы рассеяния, индекс i – определяет падающуюволну, индекс s - рассеянную.

Значения элементов амплитудной матрицы рассеяния S1 и S2 дляоднородного шара были рассчитаны Ми:S1  n2n  1 an n  bn n  ;nn  1S2  n2n  1an n  bn n  ,nn  1где an , bn – коэффициенты рассеянного поля (коэффициенты Ми);  n ,  n – угловые коэффициентырассеяния. Коэффициенты рассеянного поля принимают значения:an m 2 jn mxxjn x   1 jn x mxjn mxm 2 jn mxxhn1 x   1hn1 x mxjn mx, bn 1 jn mxxjn x   jn x mxjn mx1 jn mxxhn1 x   hn1 x mxjn mx,где штрих означает дифференцирование по аргументу, стоящему в круглых скобках, а через xи m обозначены соответственно параметр дифракции x  kr0 показатель преломления m 2  N  r0и относительныйk1 N1, N1 и N – показатели преломления частицы и средыk Nсоответственно. В выражении введены общепринятые обозначения: – длина волнырассеиваемого света; jn – сферическая функция Бесселя порядка n; hn1 - сферическая функцияГанкеля порядка n.

Угловые коэффициенты рассеяния представляют собой функции  n n dPn1, где Pn1 - присоединенные функции Лежандра первого рода. Значения угловыхdкоэффициентовn Pn1иsin рассеяниявычисляются2n  1n cos    n 1   n 2 иn 1n 1спомощьюрекуррентныхформул: n  n cos    n  n  1  n1 . Параметры аэрозольныхчастиц в ППУ газоанализатора определяются самим принципом МоЯК, расчеты светорассеянияими было проведено впервые.Светорассеяние воздухом в фотометрируемом объеме представляет собой паразитнуюфоновую засветку, поэтому важно представлять количественное соотношение светорассеянийодной аэрозольной частицей и воздухом.

Характеристики

Список файлов диссертации