Диссертация (1143140), страница 23

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

Текст из файла (страница 23)

3-11 представлены зависимости интеграла от импульсной характеристики вквадрате шумового источника э.д.с. от времени интегрирования для: а) неидеального112интегратора (приближение А, практически совпадает с приближением Б) ( RИ   )) и б)идеального интегратора (приближение В).Рис. 3-11. Зависимости интеграла от импульсной характеристики в квадрате шумовогоисточника э.д.с.

от времени интегрирования для:а) неидеального интегратора (приближение А, практически совпадает с приближением Б),б) идеального интегратора (приближение В).Расчет по приближению идеального фотоинтегратора существенно занижает вкладшумового источника э.д.с. в средний квадрат шумового напряжения на выходе.3.5 Пороговая чувствительность ФПУ на основе фотодиода.Пороговой чувствительностью фотоинтегратораP0 I0S(3.52)называется значение мощности оптического сигнала на входе интегратора, при которой навыходе электронной части фотоинтегратора среднеквадратичное напряжение сигнала равносреднеквадратичномузначению2222U вых_ сигнала  U ш _   U ш _ I  U ш _ eобщегошума.Тоестьвыполняетсядля нахождения порогового входного токачувствительность фотодетектора (фотодиода) к световому потоку,22уравнения U вых_ сигнала  U ш _ условиеI0 , S -А.

Для составленияВтнеобходимо квадрат переходной функции приравнять ксуммарному среднеквадратичному напряжению шума на выходе.Приближение Б)(CИ  Сd  Соу )I0  1U вых (Tint )  Tint 1111  1CИ   1CИRd RоуRd Rоу11 1CИRd RоуTintC С С1  e И d оу(3.53)113U ш2 _ I12  I ш11 R  R   1CИоу d2111 1 1CИRd Rоу  1CИ4  CИ  Сd  Соу  2CИ Сd Соу  Tint  Rd RоуTint eshTint  112CССИdоу  1CИRRdоу1 1C1ИR RTintCИ  Сd  Соу CССоу e И d оуsh  dTint   CИ  Сd  Соу 11  1CИ RR оу d11 1CИRd RоуU ш2 _ e2e  (C  Cd )  1CИ ш0 1 И 1  1  C2CИ1 ИR d Rоу3 112 1CИ  Rd RоуTint CИ  Cd 1  e(3.54)(3.55)Для компактности введем обозначения:11 1CИRd RоуTint(CИ  Сd  Соу )C С СK1  Tint 1  e И d оу11  1CИ Rd Rоу(3.56)1 1  1CИ4  CИ  Сd  Соу   2CИ Сd Соу  Tint  Rd RоуK 2  Tint esh Tint  11 2  CИ  Сd  Соу    1CИRd Rоу11 1CИRd RоуK3  1  eCИ Сd  Соу  11  1CИ  Rd Rоуe11 1CИRd RоуCИ Сd Соу Tint1 1 R  R   1CИоуsh  dTint  CИ  Сd  Соу 112 1CИ  Rd Rоу T intCИ  CdТогда пороговый фототок, при котором отношение сигнал/шум равно единице,определяется выражением:I0 e2  2C 2 (CИ  Cd )1I ш2   K 2  ш 0 1 И K3K1 112  1CИ R Rоу d(3.57)При выполнении условияTint CИ  Сd  Cоу11  1СИRd Rоу(3.58)114коэффициенты существенно упрощаются: K1  Tint , K 2  Tint , K 3  1 .

Пороговый ток в этомслучае, определяется выражением:I0 1TintI ш2   Tint eш2 0 12CИ 2 (CИ  Cd )1 1 Tint12  1CИ R d RоуI ш2   Tint eш2 0 1CИ (CИ  Cd )2(3.59)На рис. 3-12 приведен вклад первого а) и второго б) слагаемых в выражении пороговоготока, в котором RИ  Рис. 3-12. Вклад а) первого иб) второго слагаемых в выражении порогового токаШумовые генераторы тока дают больший вклад с увеличением времени интегрирования.При временах интегрирования, несколько большихeш2 0 1CИ (CИ  Cd )2I ш2 , вкладом шумовойэ.д.с. можно пренебречь.Приближение В) Для идеального фотоинтегратора значение порогового токаопределяется выражением:1I0 TintI2шeш2 0 1CИ 2 Tint  1  e2 1Tint2При условии Tint I0 1TintI ш2   Tint (3.60)1выражение упрощается:f1eш2 0 1CИ 22(3.61)Подстановка спектральной плотности шумовых источников тока фотоинтегратора в(3.59) приводит к выражению:115 1eш2 0 1CИ (CИ  Cd )111 I0 2q  I Cш  I ОУ  2T (3.62)  Tint Tint2 RОУ Rd RИ  Как правило, дробовые шумы фототока 2qI Cш необходимо учитывать для фотоприборовс усилением: лавинных фотодиодов и фотоэлектронных умножителей.Часто бывает удобно воспользоваться величинами спектральной плотности шумовогоисточника токаSi _ оу [ AГц ]и шумового источника напряженияSu _ оу [ ВГц ],приведенных ко входу операционного усилителя.

Именно эти шумовые параметрыизмеряются экспериментально и приводятся фирмами-изготовителями в справочных данных.В этом случае дробовый шум входного тока и тепловой шум входного сопротивления ОУвключаются в спектральную плотность шумового источника тока и выражение для пороговоготока приобретает вид:1I0 Tint Su2_ оу 1CИ (CИ  Cd )2T 2T 2 2q  I Cш   Si _ оу  Tint RdRИ 2 (3.63)Чувствительность фотоприемного устройства по оптическому сигналу определяетсяпростым выражением P0 I0S[Вт], где S - интегральная токовая чувствительностьфотодетектора.3.6 Чувствительность фотоинтегратора газоанализатора на основе эффекта проявленияМоЯКПрактическая реализация фотоинтегратора базового детектора МоЯК осуществлена напрецизионном интегральном малошумящем усилителе с полевым транзистором на входе,интегрирующем конденсаторе и ключе с малыми потерями на полевом транзисторе,выпускаемыми в виде микросхемы IVC102 [145].

В качестве фотоприемника использовалсякремневый p-i-n фотодиод ВДУК II.Параметры фотоинтегратора, определяющие его чувствительность:емкость интегрирования CИ  100 пФ,входной ток ОУ I оу  100 1015 А,входная емкость ОУ Cоу  50 пФ,спектральная плотность шумовой э.д.с. ОУ Su _ оу  10 нВчастота единичного усиления ОУ f1  2 МГц,интегральная токовая чувствительность фотодиода S  0,5 A Вт ,Гц при f  103 Гц,116темновой ток фотодиода I d  1011 А ,емкость фотодиода Cd  600 пФ,сопротивление фотодиода Rd  1 ГОм,сопротивление закрытого ключа RИ  1 ГОм.Приведем результаты расчета для фотоинтегратора с указанными параметрами. На рис.3-13 и 3-14 представлены переходная и импульсная характеристики фотоинтегратора ППУ.Рис.

3-13. Переходная характеристика фотоинтегратора при малых временахинтегрированияРис. 3-14. Импульсная характеристика источника э.д.с.в приближениях А, Б, В.На рис. 3-15 представлены зависимости порогового тока от времени интегрирования,рассчитанные для приближений Б) и В).117Рис.

3-15. Зависимости порогового тока от времени интегрирования, рассчитанные:а) для приближения Б и б) для приближения ВНа рис. 3-16 представлены результаты расчета порогового тока с учетом вклада шумовойэ.д.с. и без ее учета.Рис. 3-16. Зависимость порогового тока от времени интегрирования:а) с учетом вклада шумовой э.д.с. и б) без учета вклада шумовой э.д.с.Шумовая э.д.с.

влияет очень сильно на величину порогового тока интегратора.3.7Пороговая чувствительность фотоинтегратора на основе фотоэлектронногоумножителяС целью повышения чувствительности фотоприемного устройства нефелометрабазового детектора газоанализатора на МоЯК разработан фотоинтегратор с использованием вкачестве фоточувствительного элемента фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) на основемодуля H6780 фирмы Hamamatsu [146].

Фотосенсорный модуль H6780, кроме миниатюрногофотоэлектронного умножителя (ФЭУ), содержит встроенный высоковольтный источник.Высоковольтное анодное напряжение задается управляющим напряжением 0,25 – 0,9 В.118Зависимости основных параметров модуля ФЭУ от анодного напряжения представленына рис. 3-17.а) Зависимость аноднойчувствительности S a и усиленияФЭУ от анодного напряженияб) Зависимость анодного темнового токаI da ФЭУ от анодного напряженияРис. 3-17. Зависимость параметров модуля ФЭУот анодного напряжения [147].Зависимость анодного темнового тока I da ФЭУ от анодного напряжения разделена натри специфических участка, на которых преобладают: а) ток утечки, b) термоэлектроннаяэмиссия фотокатода и c) автоэлектронные разряды и сцинтилляции стеклянного корпуса иэлектродов.

Режим b) характеризуется максимальным отношением сигнал/шум и являетсяоптимальным для работы ФЭУ.ФЭУ обладает следующими техническими характеристиками: Анодная чувствительность к световому потоку Sa  4,3 104 A Вт , Анодный темновой ток I da  0.2нА , Максимальное усиление   1106 , Динамическая емкость CФЭУ  0.5 пФ, Диаметр эффективной фоточувствительной площадки 8 мм, Напряжение источника питания +15 В, Размеры 25∙50∙18 мм.Для учета шумовых источников ФЭУ к вышеописанным источникам шума добавляютсядва источника дробовых шумов: дробовый шум сигнального тока I c и шум темновогоанодного тока I da . Спектральная плотность дробового шума термоэмиссионного тока катодаI к рассчитываются по известной формуле Шоттки: Sк  2qI к , средний квадрат шумовоготермоэмиссионного тока iдр2  2qI к f .

Флюктуации эмиссионного тока первого динода ФЭУвызваны флюктуациями как фотокатодного тока, так и тока вторичной эмиссии1192i 2 Д 1  iдр1   2qI k f , где  1и i Д 1 - коэффициент усиления (коэффициент вторичнойэмиссии) и ток первого динода [148]. Поскольку i Д 1  I k1 ,i Д21  2qI к f12  2qI k1f  iдр2 1 1  1(3.64)Шум эмиссионного тока второго динода i Д2 2  iдр2 1 2 1   2  1 2  ,где  2 - коэффициент усиления второго каскада.На выходе умножительной системы из n каскадовnI др2  iдр2 1   n  ...   n n 1...1  j(3.65)j 1В случае равенства коэффициентов усиления всех каскадов nI a2  iдр2  2 , где   Спектральная плотность среднего квадрата дробового шума сигнального и темновогоанодных токов ФЭУ определяется выражением:S N  2q( I a  I da )(3.66)Таким образом, средний квадрат суммарного шумового напряжения на выходе ФЭУинтегратор определяется выражением:kT  11U ш2   2q  ( I a  I da )   I ОУ  2 q  RОУ RФЭУ  Т int eш2 0 1 (CИ  CФЭУ ),   2 2CИ  СИ(3.67)где введены новые обозначения RФЭУ и СФЭУ - входные емкость и сопротивление ФЭУ.Выходное напряжение определяется переходной характеристикой интегратора:U c2  I a2 Tint2CИ2(3.68)Отношение сигнал/шум на выходе фотоинтегратора:I a2  Tint2U c2S   2  N  U шkT  112q  ( I a  I da )   I ОУ  2 q  RОУ RФЭУ  eш2 0 1CИ (CИ  CФЭУ ) 2  Tint(3.69)Значение коэффициента усиления по току ФЭУ  достигает величины порядка 106 ,поэтому выражение сильно упрощаютсяU c2I a2  TintS 2 N  U ш 2q( I a  I da ) 2(3.70)Пороговая чувствительность определяется как входная оптическая мощность, прикоторой средний квадрат выходного напряжения равен среднеквадратичному напряжениюшума на выходе системы, то есть отношение сигнал/шум (S/N) равно 1.

Характеристики

Список файлов диссертации