Фотоэлектрические измерения.

Фотоэлектрические измерения приходится проводить в очень многих областях науки и техники. Это оптика (измерение освещенности, автофокусировка, управление вспышкой в фотоаппаратах), медицина (анализ крови), телекоммуникации (приемники оптоволоконной связи), промышленность (датчики положения, лазерные принтеры). Один из наиболее распространенных фотодатчиков — фотодиод. Он обладает высоким быстродействием и линейной зависимостью тока короткого замыкания от освещенности. Например, фотодиод SD-020-12-001, предназначенный для точных измерений, обладает следующими характеристиками:

• чувствительность — 100 нА/лк;

• линейная шкала выходного тока — 0 мкА;

• площадь светочувствительной поверхности — 0.2 мм²;

• емкость — 50 пФ при 10 В обратного напряжения;

• внутреннее сопротивление при коротком замыкании — 1000 Мом;

• время отклика — 12 нс.

Как правило, фотодиоды работают в одном из двух режимов: фотовольтаическом а) или фотодиодном б).

В первом случае фотодиод работает в режиме короткого замыкания, во втором — при обратном смещении. Ниже приведены сравнительные характеристики обоих режимов.

 

 

Схемы включения фотодиодов в режимах:

а — фотовольтаическом, б — фотодиодном

Фотовольтаический режим

• нулевое смещение;

• нет темнового тока;

• нелинейный;

• низкий уровень шума (джонсона);

• прецизионные схемы.

Режим фотодиода

• обратное смещение;

• есть темновой ток;.

• линейный;

• повышенный шум (джонсона + дробовой);

• скоростные схемы.

 

В фотовольтаическом режиме фотодиод может быть представлен источником тока с внутренним сопротивлением в виде параллельной цепочки R _D С _D.

Расчетная схема фотодиода в фотовольтаическом режиме

 

В этом случае ОУ работает в режиме преобразователя тока в напряжение. При медленных изменениях светового потока влиянием емкости С _D можно пренебречь. Поскольку на инвертирующем входе ОУ поддерживается практически нулевой потенциал (виртуальная земля), ток через сопротивление R _D равен нулю. Если считать, что входной ток ОУ близок к нулю, то весь фототок будет протекать через резистор R ₁ и

При изменении освещенности от 0.003 лк (ясная безлунная ночь) до 3000 лк (прямой солнечный свет) фототок диода изменяется в пределах 30 пА …30 мкА. Это соответствует динамическому диапазону 120 дБ. Для того чтобы влияние входного тока ОУ было несущественным, он должен быть менее 3 пА. Если требуется измерение освещенности в широких пределах, то сопротивление резистора обратной связи должно быть не слишком большим (в пределах 10 МОм). Тогда на нижней границе диапазона освещенности выходное напряжение составит

что требует применения ОУ с напряжением смещения нуля не более 100 мкВ.

Поскольку фотодиод обладает заметной емкостью, в цепи обратной связи ОУ образуются инерционные звенья со значительными постоянными времени. Например, при включении SD-020-12-001 совместно с резистором R ₁ = 100 МОм постоянная времени R ₁ C _D > составит 4 мс. Это заметно увеличивает фазовое запаздывание в петле обратной связи ОУ в области средних и высоких частот и ведет к неустойчивости схемы. Для компенсации следует включить параллельно резистору R ₁ корректирующий конденсатор С ₁.

Схемы линейного преобразования сигналов.

При построении линейных электрических схем кроме пассивных элементов используются идеализированные активные элементы в виде управляемых источников тока и напряжения. Кроме того, применяются идеализированные преобразующие схемы, например преобразователи отрицательного сопротивления. Ниже рассмотрены основные принципы их реализации.