Источники и приемники излучения - Ишанин Г.Г.
ISBN 5-7325-0164-9
Скачать (прямая ссылка):
где ?/гаах оу — максимально допустимое напряжение на выходе
ОУ, при котором сохраняется линейность усиления (дано в спра-
вочнике); Фе max —максимальное значение потока оптического излучения в рабочем диапазоне.
Выбирая оптимальное сопротивление R0.B, выполнять условие (6.3) всегда необходимо. В то же время соблюдение условия (6.3) не во всех случаях является достаточным для выбора максимально допустимого значения R0_ с. Так, при работе ОЭП с очень малыми потоками, когда необходимо обеспечить максимальную чувствительность ФПУ, верхний предел сопротивления R0. с определяют с учетом следующих обстоятельств.
При больших значениях сопротивления R0, „ (более 1 МОм) напряжение сигнала на выходе ОУ и входное сопротивление преобразователя ток—напряжение (служащее эквивалентным сопротивлением нагрузки фотодиода) определяются следующими выражениями:
U-----------3/Ф«*о. с____. (0 41)
1 + *о.с/(Мвх)+ i/feo ’ ' '
Rb* = h + l +V0. C/RBX ¦ <6'5)
По сравнению с выражениями (6.1) и (6.2) выражения (6.4) и (6.5) представляют собой более точные зависимости, учитывающие влияние параметров ОУ, k0 и RBX. Очевидно, что при R0- JRbx К выражения (6.4) и (6.5) приводятся к виду (6.1) и (6.2).
Продифференцировав выражение (6.4) по k0 и пренебрегая членами второго порядка малости, получим зависимость относи-
169
тельного изменения сигнала на выходе ФПУ от нестабильности коэффициента усиления ОУ Ak0
6 = AUJU0 ~ (R0. JRSz + 1) (Д Vfto). (6-6)
Для всех реальных ОУ параметры k0, и нестабильность k0 в зависимости от температуры окружающей среды даются в справочнике. Воспользовавшись выражением (6.6), можно найти предельное значение сопротивления i?0, с шах, если заданы предельная относительная погрешность измерения амплитуды сигнала и рабочий диапазон температур.
Минимальное сопротивление в цепи обратной связи ОУ определяется из условия
VR0. с мп < (2eIJ4kT) + T/{RaTR), (6.7)
где е — заряд электрона; /т — темновой ток фотодиода; Т — рабочая температура ФПУ, К; k — постоянная Больцмана; Rn — динамическое сопротивление фотодиода в рабочей точке вольт-амперной характеристики; TR — 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
т) ________SfOgZo. с_____. q,
~ l+Z0.c/(kZBX) + l/k'
Z»°» + l+^’ (6‘9)
где 0о, Z0.о, ZBX, k — соответственно выходное напряжение, сопротивление в цепи обратной связи, входное сопротивление и коэффициент усиления ОУ, записанные в комплексном виде.
В реальных ОУ k и Zsx в значительной степени зависят от цепей коррекции, которые приходится включать, чтобы предотвратить самовозбуждение ОУ. Комплексное сопротивление в цепи обратной связи определяется следующим выражением:
z0.o = a0.c/(i+/®c0.0a0.o), (6Л°)
где С0, с — паразитная емкость монтажа в цепи обратной связи; ш — угловая частота в спектре сигнала, со = 2л/; f — цикличная частота, Гц.
Отметим, что при правильно выбранном ОУ, обладающем достаточным коэффициентом усиления в заданном диапазоне частот, наибольшее влияние на частотную характеристику фото-приемного узла оказывает цепь обратной связи, при этом
Su(f)& SIR0,JVrTTT2nfYRleCl.e). (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 С0. с.
При работе ФПУ в режиме малых сигналов существенное значение приобретают шумовые характеристики пары ФД—ОУ. Напряжение шума на выходе ОУ в полосе частот А/ = 1 Гц определяется выражением
иШ. ВЫХ = |/ ?ш. у О'ш. у “Ь i-ш. фд + h0jR о. с > (6.12)
где еш. у, im. у, im. фд, iRo с — спектральная плотность напряжения шума усилителя, шумового тока усилителя, шумового тока фотодиода и шумового тока сопротивления резистора R0.c соответственно.
Шумовые характеристики ОУ обычно приведены в справочнике. Для большинства современных ОУ спектральная плотность шумового напряжения и шумового тока находятся соответственно в следующих пределах: еш. у = (1~7)-10_8 Вт/Гц1/2; im. у = = (1-J-2)- 10—14 А/Гц1/2. Плотность шумового тока фотодиода, работающего в диодном режиме, im, фд = У 2е/т. Плотность шумового тока фотодиода, работающего в фотогальваническом режиме, im. фд = V~4kT/Rn. Плотность шумового тока резистора R0.0> iR = У 4kT/R0. с. Здесь /т — темновой ток фотодиода; k — постоянная Больцмана; Т — температура р—п-перехода; Яд — динамическое сопротивление несмещенного р—м-перехода.
При использовании малошумящих ОУ преобладающую роль играют шумы фотодиода и резистор R0. с. Поэтому
Urn. вых » VT&. фд +.f«0. с) Ro. с- (6.13)
При этом отношение сигнал/шум на выходе ФПУ в единичной полосе частот можно рассчитать по формуле
(?/с/?/ш)вых — S/Фе j j/ im. фд -|- t%0 (6.14)
При работе фотодиода в фотогальваническом режиме сопротивление резистора R0_ с выбирается обычно больше, чем эквивалентное сопротивление несмещенного фотодиода (R0 с > Ra). В этом случае спектральная плотность шума фотодиода гш. фд намного больше спектральной плотности шума сопротивления нагрузки и отношение сигнал/шум в единичной полосе частот преобразуется к виду
