Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
МПИ с параллельным опросом. При использовании таких МПИ обеспечивается одновременное подключение всех рабочих элементов к своим каналам усиления (рис. 6.1). Очевидно, что в этом случае число выводов МПИ должно быть не менее N + 1. гДе N — число элементов. МПИ с параллельным опросом наиболее эффективны в быстродействующих оптико-электронных приборах и системах, например в системах оптической пеленгации.
Однако необходимость одновременно подключать все элементы весьма затрудняет реализацию МПИ с большим числом элементов при малом шаге пространственной структуры. В рамках данной группы МПИ наиболее распространены четырехэлементные фотодиоды, которые с успехом используются в качестве быстродействующих координатно-чувствительных фотоприемников в различных оптико-электронных измерительных системах.
166
Схемы включения позиционно-чувствительных четырехэлементных фотодиодов.
Разрезной фотодиод с поперечным фотоэффектом представляет собой четырехканальный фотоприемник, реализованный на одной подложке. Рабочая площадка фотодиода состоит из четырех квадратных элементов (Л, В,
С, D). Приборная система координат х0у обычно совмещается с центром рабочей площадки (рис. 6.2). Чтобы обеспечить условия независимого измерения смещений по двум направлениям Дх и Ду, изображение марки целесообразно формировать квадратной формы со стороной, равной стороне одного элемента фотодиода. При этом координаты центра изображения Дх, Ду вычисляют простейшими арифметическими операциями — сложением и вычитанием сигналов, снимаемых с элементарных площадок.
Каждый из четырех каналов фотоприемника можно рассматривать как независимый одноэлементный фотодиод, который должен быть подключен к входной цепи последующей электронной схемы. В качестве согласующего каскада в данном случае целесообразно использовать преобразователь ток — напряжение .на операционном усилителе. В свою очередь, фотодиод может быть включен как в фотогальваническом, так и в диодном режимах. Схема включения четырехплощадочного фотодиода показана на рис. 6.3 (UCM — напряжение смещения). Каждый из четырех элементов фотодиода служит как бы генератором фототока /ф, пропорционального оптическому потоку Ф,,, падающему на соответствующую площадку. Операционные усилители выполняют роль преобразователей фототоков в выходные напряжения Ьвых = /фЛ0, с> где Яо. с — сопротивление резистора в цепи обратной связи.
Приведенная на рис. 6.3 схема включения обладает существенными достоинствами:
каждый фотодиод работает на низкоомную на-
Изоброжение
Рабочая площадна
Рис. 6.2. Формирование изображения целевой марки на четырехэлементном позиционно-чувствительном фотодиоде
Рис. 6.1. Параллельное подключение фо-точувствительных элементов многоэлементного фотоприемника
167
грузку, роль которой выполняет весьма малое эквивалентное входное сопротивление преобразователя ток — напряжение; таким образом, во-первых, обеспечивается линейность световой характеристики в широком динамическом диапазоне, и, во-вто-рых, ослабляется действие емкости фотодиода и паразитной емкости входной цепи;
отпадает необходимость стабилизировать коэффициент усиления и напряжения питания схемы, так как при правильно выбранных элементах эти параметры практически не влияют на точность измерения.
Указанные обстоятельства позволяют получить хорошие метрологические характеристики оптико-электронного прибора в целом.
Чтобы уяснить критерии для оптимального выбора элементов схемы, необходимо более подробно рассмотреть фотоприемный узел (ФПУ) на основе пары фотодиод — операционный усилитель (ФД—ОУ) (рис. 6.4).
Фотодиод можно рассматривать как источник тока сигнала ic. д и тока шума гш. д, обладающий внутренним динамическим сопротивлением #д. Если ОУ при разомкнутой петле обратной связи имеет собственное входное сопротивление то при замкнутой
петле обратной связи входное эквивалентное сопротивление уменьшается до
^вх = Ro. dh, (6.1)
W/Ч.с
Рис. 6.3. Схема подключения четырехэлементного фотодиода к операционным усилителям
168
Рис. 6.4. Эквивалентная схема пары фотодиод—операционный усилитель
где k0 — собственный коэффициент усиления ОУ при разомкнутой петле обратной связи, который составляет обычно 104—10е. Поскольку Яд, с обычно не превышает единиц мегаом (см. ниже), значение RBI, в свою очередь, не превышает десятков ом.
При k0 > 1 напряжение сигнала на выходе ОУ определяется выражением
Ue = S,/?0. сФв = StfO,, (6.2)
где S/ — токовая чувствительность фотодиода; Фв — поток оптического излучения, воздействующий на фоточувствительную площадку; Sv — вольтовая чувствительность фотоприемного узла.
Как видно из выражения (6.2), напряжение сигнала не зависит от коэффициента усиления ОУ и напряжения питания.
Таким образом, изменяя в широких пределах сопротивление R0. с, можно пропорционально изменять вольтовую чувствительность ФПУ, что позволяет использовать данную схему в большом динамическом диапазоне Фе. Однако следует иметь в виду, что максимальное значение R0_ с не должно превышать
R0- С ^тах Оу/(5/Фе шах), (6-3)
