Προενισχυτής για φωτοδίοδο. Ενισχυτές φωτοανιχνευτών. Κυκλώματα σύνδεσης φωτοδιόδου

Στα συγκροτήματα φωτοανιχνευτών, χρησιμοποιούνται κυρίως δύο τύποι ενισχυτών ως προενισχυτές: ο ολοκληρωτικός και ο διαφραγματικός.

Το κύκλωμα του ενισχυτή ολοκλήρωσης φαίνεται στο σχήμα 5.6.

Εικόνα 6.6. Απλοποιημένο κύκλωμα του ενισχυτή ολοκλήρωσης FPU

Το κύκλωμα εισόδου του ενισχυτή ολοκλήρωσης (IA) κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας την πύλη ενός τρανζίστορ φαινομένου πεδίου (Εικόνα 6.7).

Τα στοιχεία του κυκλώματος εισόδου του FPU παρουσιάζονται στο Σχήμα 6.6 ως ισοδύναμα (R E, S E). Καθορίζεται η ισοδύναμη αντίσταση

(6.6)

όπου R T είναι η αντίσταση πύλης-πηγής, R D είναι η αντίσταση φωτοδιόδου, R1 είναι η αντίσταση πόλωσης φωτοδιόδου, R2 είναι η αντίσταση πόλωσης τρανζίστορ.

Εικόνα 6.7. Σχηματικό διάγραμμαΚύκλωμα εισόδου FPU με ενισχυτή υψηλής σύνθετης αντίστασης

Η ισοδύναμη χωρητικότητα προσδιορίζεται:

Τάση στην είσοδο του ενισχυτή χωρίς να λαμβάνεται υπόψη το S E

(6.8)

όπου I Ф είναι φωτορεύμα, G είναι το κέρδος της φωτοδιόδου (APD).

Τάση στην είσοδο του ενισχυτή λαμβάνοντας υπόψη το S E

(6.9)

Τάση εξόδου ενισχυτή

(6.10)

όπου Κ είναι το κέρδος του ενισχυτή.

Ο συνδυασμός ενός ενισχυτή με έναν διορθωτή μπορεί να επεκτείνει το εύρος ζώνης του κυκλώματος εισόδου του PD στην απαιτούμενη τιμή

Ένας τέτοιος διορθωτής μπορεί να ενεργοποιηθεί μετά τον ενισχυτή και να παρέχει την κατάσταση

(6.12)

Τα πλεονεκτήματα του κυκλώματος FPU με έναν ενισχυτή ενσωμάτωσης (που ονομάζεται επίσης υψηλής αντίστασης) είναι τα εξής:

· Οποιοδήποτε εύρος ζώνης μπορεί να ληφθεί χάρη στη διόρθωση.

· χαμηλό θόρυβο.

· απλότητα του συστήματος εφαρμογής.

· δυνατότητα ενσωμάτωσης του κυκλώματος φωτοδιόδου και ενισχυτή.

Τα μειονεκτήματα αυτού του σχήματος συνδέονται με το περιορισμένο δυναμικό εύρος του σήματος και την ανάγκη για ατομική ρύθμιση της ζώνης συχνοτήτων απολαβής.

Το κύκλωμα του ενισχυτή με αντίσταση διαφέρει από αυτό που θεωρείται από την παρουσία ενός αρνητικού ανατροφοδότηση(Εικόνα 6.9).

Το Σχήμα 6.10 δείχνει ένα σχηματικό διάγραμμα του κυκλώματος εισόδου του FPU με έναν ενισχυτή transimpedance (TIA).

Εικόνα 6.9. Απλοποιημένο κύκλωμα του ενισχυτή διαφράγματος FPU

Εικόνα 6.10. Σχηματικό διάγραμμα TIU

Η ζώνη συχνοτήτων μετάδοσης της FPU με TIU καθορίζεται από απλή σχέση :

(6.13)

υπό την προϋπόθεση ότι η ROC<< R Э.

Έτσι, επιλέγοντας τις τιμές των K και R OS, μπορεί να επιτευχθεί η απαιτούμενη ζώνη συχνοτήτων ενίσχυσης.

Τα πλεονεκτήματα του FPU με TIU είναι:

· μεγάλο δυναμικό εύροςσήματα εισόδου?

· ευκολία προσαρμογής της ζώνης συχνοτήτων κέρδους χωρίς πρόσθετους διορθωτές.

· ευκολία διαμόρφωσης του σχήματος.

· Πιθανή αστάθεια του ενισχυτή σε διαφορετικά βάθη ανάδρασης σε μια ευρεία ζώνη συχνοτήτων.

· μειωμένη αναλογία σήματος προς θόρυβο στην έξοδο του ενισχυτή λόγω πρόσθετης αντίστασης θορύβου R OS.

Πρέπει να σημειωθεί ότι στην περίπτωση χρήσης p-i-n PD, το όριο ευαισθησίας καθορίζεται από τον θόρυβο του κυκλώματος του ενισχυτή. Σε αυτή την περίπτωση, ο θόρυβος ενός τρανζίστορ φαινομένου πεδίου είναι σημαντικά μικρότερος από τον θόρυβο ενός διπολικού τρανζίστορ, αλλά το διπολικό τρανζίστορ παρέχει καλύτερη μετάδοση ενέργειας υψηλής συχνότητας. Στην περίπτωση χρήσης APD, ο θόρυβος του κυκλώματος του ενισχυτή είναι λιγότερο σημαντικός και σε μεγάλους συντελεστές G (πολλαπλασιασμός χιονοστιβάδων) δεν επηρεάζει καθόλου το όριο ευαισθησίας του φωτοανιχνευτή.

Τα θεωρούμενα κυκλώματα PD με IU και TIU μπορούν να συσχετιστούν με ένα ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα (Εικόνα 6.11) και μια απόκριση συχνότητας πλάτους, βάσει της οποίας εκτιμάται η ζώνη διέλευσης (Εικόνα 6.12).

Εικόνα 6.11. Ισοδύναμο ηλεκτρικό κύκλωμα της FPU

Τα μπλοκαρίσματα της απόκρισης συχνότητας σε χαμηλότερες και ανώτερες συχνότητες οφείλονται στην παρουσία στο κύκλωμα διαχωριστικής χωρητικότητας SR και πυκνωτών S VX US, S V, S D.

Η τιμή της ισοδύναμης αυτεπαγωγής L B συνήθως δεν λαμβάνεται υπόψη, γιατί τιμή j L V<< 1/(j C Э).

16. Λήψη οπτικών μονάδων (ROM). Μέθοδοι φωτοανίχνευσης (άμεση ανίχνευση και ανίχνευση μετατροπής). Κύρια χαρακτηριστικά του ProOM.

Το PROM περιέχει μια φωτοδίοδο, καταρράκτες ηλεκτρικών ενισχυτών, συσκευές διόρθωσης και ψηφιακής επεξεργασίας σήματος.

Η αρχή της κατασκευής του ProOM εξαρτάται από τη μέθοδο ανίχνευσης λήψης.

Γίνεται διάκριση μεταξύ άμεσης φωτοανίχνευσης και ανίχνευσης με μετατροπέα. Η επιλογή της μεθόδου ανίχνευσης καθορίζεται από την αρχή της διαμόρφωσης οπτικού σήματος.

Στην άμεση ανίχνευση, ένα οπτικό σήμα εφαρμόζεται απευθείας σε μια φωτοδίοδο, στην οποία το ηλεκτρικό σήμα παράγεται με τη μορφή ενός μεταβαλλόμενου φωτορεύματος. Δεδομένου ότι οι φωτοδίοδοι είναι ευαίσθητες στη ροή φωτονίων και δεν αντιλαμβάνονται τη φάση της εφαρμοζόμενης οπτικής ακτινοβολίας, η μέθοδος χρησιμοποιείται για τη διαμόρφωση της έντασης.

ΠΥΟ

GUS

ΠΡΟΣ ΤΗΝ

VHF

AGC

Εικόνα 1 – Γενικευμένο σχήμα ProOM με άμεση φωτοανίχνευση

Σκοπός των μπλοκ:

Op-amp – αυξάνει την ισχύ του οπτικού σήματος (οπτικός ενισχυτής).

PD - μετατρέπει ένα οπτικό σήμα σε ηλεκτρικό (φωτοανιχνευτής).

Το PUS είναι ένας ηλεκτρικός προενισχυτής χαμηλού θορύβου που παρέχει τη μέγιστη αναλογία σήματος προς θόρυβο.

Το GUS είναι ο κύριος ενισχυτής, ο οποίος παρέχει ενίσχυση σήματος στο επίπεδο που απαιτείται για την κανονική λειτουργία των επόμενων συσκευών. Ως συσκευές ενίσχυσης χρησιμοποιούνται ηλεκτρικοί ενισχυτές ολοκλήρωσης (IA) και σύνθετης αντίστασης (TIA). Η λειτουργία του ενισχυτή ελέγχεται από το AGC.

AGC – παρέχει προσαρμογή του δυναμικού εύρους αλλάζοντας το κέρδος Goos ή το συντελεστή πολλαπλασιασμού χιονοστιβάδας του APD.

Ο διορθωτής K παρέχει διόρθωση της απόκρισης συχνότητας της γραμμικής διαδρομής και επίσης εξαλείφει τις παραμορφώσεις που εισάγονται από το κύκλωμα εισόδου του PrOM.

RU - μια συσκευή απόφασης συγκρίνοντας το σήμα εισόδου με μια τάση κατωφλίου δημιουργεί ένα λογικό σήμα ενός ή μηδενικού.

HF – ο επιλογέας συχνότητας ρολογιού δημιουργεί μια ακολουθία πύλης ρολογιού για την αναγέννηση σήματος και τη λειτουργία συσκευών αποπολυπλέξης.

Στη μέθοδο ανίχνευσης μετατροπής, συνεκτική και σταθερή ακτινοβολία από μια πηγή αναφοράς, η οποία είναι ένας οπτικός ταλαντωτής αναφοράς (ROO), αναμιγνύεται στο λαμβανόμενο σήμα για τον προσδιορισμό της φάσης. Ως αποτέλεσμα της ανάμειξης συνεκτικών οπτικών σημάτων, προκύπτουν παλμοί, οι οποίοι καταγράφονται από μια φωτοδίοδο και περιέχουν πληροφορίες σχετικά με την ένταση και τη φάση του λαμβανόμενου σήματος. Αυτή η μέθοδος λήψης ονομάζεται επίσης συνεκτική, καθώς χρησιμοποιείται στην κατασκευή συνεκτικών FOTS. Τα δεδομένα FOSP αναπτύσσονται ως συστήματα επικοινωνίας εξαιρετικά μεγάλων αποστάσεων.

Αν το λ c =λ oog είναι μια ομόδυνη λήψη, και το λ c λ oog είναι μια ετεροδύναμη λήψη.

Η/Υ

OOG

AFC

Σχήμα 2 – Γενικευμένο δομικό PROM κατά την ανίχνευση με μετασχηματισμό

Op-amp – Οπτικός ενισχυτής, αυξάνει την ισχύ του οπτικού σήματος.

OS – οπτικός μείκτης.

PD – ανιχνευτής φωτογραφίας.

PF – φίλτρο διέλευσης ζώνης.

DM – αποδιαμορφωτής.

Η/Υ – ελεγκτής πόλωσης.

OOG – οπτικός ταλαντωτής αναφοράς.

AFC – αυτόματος έλεγχος συχνότητας.

Το λαμβανόμενο οπτικό σήμα και το σήμα από το OOG αλληλεπιδρούν σε έναν οπτικό μείκτη (OS). Απαραίτητη προϋπόθεση για συνεκτική λήψη είναι ο συγχρονισμός του λαμβανόμενου σήματος και της τοπικής ακτινοβολίας ταλαντωτή. Δηλαδή, η πόλωση αυτών των σημάτων πρέπει να είναι η ίδια και οι φάσεις να είναι συνεπείς. Ως εκ τούτου, οι απαιτήσεις για εξαρτήματα αυξάνονται. Τα λέιζερ πρέπει να είναι στενής ζώνης και να έχουν ελάχιστες διακυμάνσεις στη φάση και την ένταση της ακτινοβολίας. Το ετερόδυνο λέιζερ πρέπει να είναι συγχρονισμένη φάση και συχνότητα με το λαμβανόμενο οπτικό σήμα. Το μήκος κύματος λ oog ρυθμίζεται με αυτόματο συντονισμό συχνότητας (AFC). Η λήψη Homodyne απαιτεί επιπρόσθετα βρόχο κλειδώματος φάσης (PLL). Για τον έλεγχο της πόλωσης του σήματος, εάν δεν χρησιμοποιείται ίνα διατήρησης πόλωσης (PANDA), εγκαθίσταται ένας ελεγκτής πόλωσης (PC) στη λήψη.

Ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης δύο οπτικών σημάτων, ένα σήμα ενδιάμεσης συχνότητας (IF) απελευθερώνεται στην έξοδο PD, από το οποίο διαχωρίζεται ένα σήμα ηλεκτρικής πληροφορίας χρησιμοποιώντας έναν αποδιαμορφωτή (DM).

Η οπτική μονάδα λήψης ProOM είναι μια συσκευή συναρμολογημένη σε ένα κοινό περίβλημα, που αποτελείται από έναν φωτοανιχνευτή (γ-φωτοδίοδος ή φωτοδίοδο χιονοστιβάδας) και έναν προενισχυτή χαμηλού θορύβου. Στο Σχ. Το Σχήμα 8.22 δείχνει σχηματικά διαγράμματα δύο τύπων PROM - με έναν φωτοανιχνευτή συνδεδεμένο σε έναν ενισχυτή (κύκλωμα "ευθείας γραμμής") και με έναν ενισχυτή με αντίσταση, στον οποίο παρέχεται ανάδραση μέσω μιας αντίστασης

Όταν χρησιμοποιείτε ένα APD ως φωτοανιχνευτή, μπορείτε να αλλάξετε την αντίστροφη τάση πόλωσης που εφαρμόζεται σε αυτό και έτσι να προσαρμόσετε τον συντελεστή πολλαπλασιασμού χιονοστιβάδας της φωτοδιόδου. Αυτό σας επιτρέπει να επεκτείνετε σημαντικά το δυναμικό εύρος της μονάδας, αλλά απαιτεί την παρουσία μιας μονάδας αυτόματου ελέγχου απολαβής στη μονάδα. Στο μπλοκ AGC, η προκύπτουσα τάση πρέπει να συγκριθεί με την τάση του σήματος αναφοράς, το οποίο καθορίζει το πλάτος του σήματος εξόδου της μονάδας. Η τάση αναντιστοιχίας πρέπει να παρέχεται σε ένα κύκλωμα που ελέγχει ταυτόχρονα τα κέρδη του APD και του ενισχυτή.

Στην περίπτωση χρήσης διόδου ως φωτοανιχνευτή, το ηλεκτρονικό κύκλωμα προενίσχυσης απλοποιείται. Ανέρχεται σε έναν ανιχνευτή διπλού πλάτους, ένα κύκλωμα σύγκρισης και ένα φίλτρο. Ωστόσο, τότε το δυναμικό εύρος της μονάδας είναι πολύ μικρότερο από ό,τι όταν χρησιμοποιείται μια φωτοδίοδος χιονοστιβάδας με μονάδα AGC.

Ανάλογα με τη μορφή με την οποία - αναλογική ή ψηφιακή - μεταδίδονται τα δεδομένα μέσω OF, απαιτούνται διαφορετικές ισχύς των οπτικών σημάτων που λαμβάνει ο φωτοανιχνευτής (Εικ. 8.23).

Στείλτε την καλή δουλειά σας στη βάση γνώσεων είναι απλή. Χρησιμοποιήστε την παρακάτω φόρμα

Φοιτητές, μεταπτυχιακοί φοιτητές, νέοι επιστήμονες που χρησιμοποιούν τη βάση γνώσεων στις σπουδές και την εργασία τους θα σας είναι πολύ ευγνώμονες.

Δημοσιεύτηκε στο http://www.allbest.ru/

Περιεχόμενο
Εισαγωγή

1. Η αρχή της αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός ενισχυτή και μιας φωτοδιόδου. Μετατροπή ρεύματος φωτοδιόδου σε τάση

2. Έλεγχος του θορύβου συχνότητας που προκύπτει κατά τη λειτουργία του ενισχυτή
3. Εύρος ζώνης ενισχυτή και μέθοδοι ρύθμισής του
4. Καταπολέμηση παρεμβολών που προκαλούνται από εξωτερικές επιρροές
Βιβλιογραφία

Εισαγωγή
Οι οπτικές συσκευές που βασίζονται σε φωτοδίοδοι και φωτοτρανζίστορ είναι ένας από τους πολλά υποσχόμενους τομείς στον τομέα της μέτρησης των παραμέτρων των γρήγορων φυσικών και τεχνολογικών διεργασιών.
Ας δούμε τις ιδιότητες μιας φωτοδιόδου και τους κύριους τρόπους ενεργοποίησής της. Όπως είναι γνωστό, μια φωτοδίοδος παρουσιάζει μονόδρομη αγωγιμότητα όταν εκτίθεται σε οπτική ακτινοβολία. Στη λειτουργία φωτοδιόδου, η διασταύρωση p-n πολώνεται από μια αντίστροφη τάση, το μέγεθος της οποίας εξαρτάται από τη συγκεκριμένη φωτοδίοδο: από μονάδες έως εκατοντάδες βολτ. Το μειονέκτημα αυτού του τρόπου λειτουργίας είναι ότι καθώς αυξάνεται το αντίστροφο ρεύμα (με αυξανόμενο φωτισμό), αυξάνεται και το επίπεδο θορύβου, ενώ το επίπεδο του χρήσιμου σήματος παραμένει γενικά σταθερό.
Στη λειτουργία βαλβίδας, δεν εφαρμόζεται τάση από εξωτερικές πηγές στη δίοδο, καθώς η ίδια γίνεται πηγή EMF με αρκετά μεγάλη εσωτερική αντίσταση. Σε αυτή τη λειτουργία, το επίπεδο θορύβου παραμένει σταθερό καθώς αυξάνεται το επίπεδο φωτός.
Το παραπάνω κύκλωμα για την ενεργοποίηση μιας φωτοδιόδου σάς επιτρέπει να αλλάξετε τη θέση της αντίστασης κοπής για να επιλέξετε τον τρόπο λειτουργίας της διόδου. Το κύκλωμα μπορεί να αλλάξει σε λειτουργία βαλβίδας κλείνοντας την κινούμενη επαφή της αντίστασης στη γείωση. Στην προκατάληψη προς τα εμπρός, η φωτοδίοδος θα αντιδράσει επίσης στο φως: για να γίνει αυτό, πρέπει να αλλάξετε την πολικότητα της.
Η σταθερή υψηλή αντίσταση έχει σχεδιαστεί για να αποτρέπει τη θερμική διαρροή της διόδου (λόγω υπερβολικής τάσης που εφαρμόζεται). Συνδέεται παράλληλα με το φορτίο (R n< 5 кОм), оно практически не ослабляет полезный сигнал. Конденсатор избавляет сигнал на выходе от постоянной составляющей, которую нет смысла усиливать при получении παλμικό σήμα, αφού αλλάζει ανάλογα με τον φωτισμό του φόντου.
Ένα στάδιο ενίσχυσης με κοινή βάση (Εικ. 1, α) ή λειτουργικός ενισχυτής υψηλής ταχύτητας (Εικ. 1, β) μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως φορτίο σε ένα κύκλωμα με φωτοδίοδο.
Ρύζι. 1. Κυκλώματα σύνδεσης φωτοδιόδου
Η χρήση των λειτουργικών ενισχυτών που χρησιμοποιούνται για την ενίσχυση του σήματος της φωτοδιόδου θα συζητηθεί σε αυτή την εργασία μαθήματος.

Ένας λειτουργικός ενισχυτής είναι ένας ενισχυτής DC με διαφορική είσοδο και, κατά κανόνα, μια μονή έξοδο, που χαρακτηρίζεται από κέρδος και αντίσταση εισόδου υψηλής σύνθετης αντίστασης, καθώς και αρνητική ανάδραση που δεν επιτρέπει στον ενισχυτή να μεταβεί σε λειτουργία αυτοδιέγερσης .

Ρύζι. 2. Η αρχή της εισαγωγής αρνητικής ανατροφοδότησης

Η ενίσχυση σήματος φωτοδιόδου είναι μια από τις κύριες εφαρμογές των λειτουργικών ενισχυτών τρανζίστορ εφέ πεδίουμε διασταύρωση p-n στις εισόδους. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά κυκλώματα ενισχυτών, καθένα από τα οποία χαρακτηρίζεται από:

1. Γραμμικότητα.

2. Σταθερή μετατόπιση.

3. Ορισμένο επίπεδο θορύβου.

4. Εύρος ζώνης.

Οι αισθητήρες φωτοδιόδου είναι μια γέφυρα μεταξύ της φυσικής ποσότητας που μετράται (φως) και των ηλεκτρονικών. Κατά την παρατήρηση διαφόρων φυσικών διεργασιών, το φως παίζει δευτερεύοντα ρόλο σε σύγκριση με τη θερμοκρασία και την πίεση, αλλά όχι όταν απαιτούνται απομακρυσμένες μετρήσεις χωρίς επαφή με το υπό μελέτη αντικείμενο Μετάφραση του άρθρου σχετικά με τους λειτουργικούς ενισχυτές «Παρακολούθηση φωτοδιόδου με ενισχυτές λειτουργίας».

Τέτοιοι αισθητήρες χρησιμοποιούνται σε τομογράφους υπολογιστών, εξοπλισμό αστροπλοήγησης και ηλεκτρονικά μικροσκόπια με σύστημα επεξεργασίας σήματος. Οι φωτοδίοδοι δεν είναι πολύ ακριβές και σας επιτρέπουν να δημιουργήσετε συστοιχίες από εκατοντάδες αισθητήρες φωτογραφίας. Το κύριο καθήκον ενός κυκλώματος με φωτοευαίσθητο στοιχείο είναι να μετατρέψει με ακρίβεια το σήμα εξόδου της φωτοδιόδου σε ένα ενισχυμένο σήμα εξόδου που εξαρτάται γραμμικά από αυτό, το οποίο παρεμποδίζεται από την αντίφαση μεταξύ ταχύτητας και ποιότητας.

συχνότητα ενισχυτή τάσης φωτοδιόδου

1. Η αρχή της αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός ενισχυτή και μιας φωτοδιόδου. Μετατροπή ρεύματος φωτοδιόδου σε τάση

Υπάρχουν δύο τρόποι λήψης σήματος από μια φωτοδίοδο: αφαίρεση τάσης ή ρεύματος από αυτήν. Για τη μέτρηση της τάσης, το κύκλωμα ενίσχυσης πρέπει να έχει επαρκή αντίσταση εναλλασσόμενου ρεύματος έτσι ώστε το ρεύμα που διαρρέει την είσοδό του να είναι ελάχιστο.

Σύμφωνα με το διάγραμμα στο Σχ. 3, α), η φωτοδίοδος συνδέεται σε σειρά με την είσοδο του ενισχυτή. Το κύκλωμα ανάδρασης αποτελείται από αντιστάσεις R 1 και R 2. επιτρέπει στην τάση στη φωτοδίοδο να ποικίλλει ανάλογα με την τάση στην είσοδο του ενισχυτή. Σε αυτή την περίπτωση, ο λόγος της τάσης εξόδου προς την τάση εισόδου θα είναι λογαριθμικός, καθώς η ευαισθησία της φωτοδιόδου αλλάζει ανάλογα με την προς τα εμπρός τάση που εφαρμόζεται σε αυτήν.

Ρύζι.3 . Το σήμα εξόδου της φωτοδιόδου μπορεί να είναι: α) τάση; β) ρεύμα

Η σταθερή ευαισθησία σε μια σταθερή εφαρμοζόμενη τάση υποδηλώνει ότι είναι λογικό να χρησιμοποιείται μέτρηση ρεύματος για να ληφθεί μια γραμμική εξάρτηση του σήματος εξόδου από την φωτεινή ενέργεια. Η ανάδραση του ενισχυτή ρυθμίζει τη διαφορά τάσης μεταξύ των εισόδων στο μηδέν, επομένως η πτώση τάσης στη δίοδο είναι επίσης μηδενική. Αυτή η περίσταση επιτρέπει το κύκλωμα μετατροπέα ρεύματος σε τάση που φαίνεται στο Σχ. 3, b), παρέχουν αντίσταση εισόδου ίση με R 1 /K u, όπου K u είναι το κέρδος του λειτουργικού ενισχυτή με έναν ανοιχτό βρόχο ανάδρασης. Αν και η αντίσταση R 1 είναι συνήθως πολύ υψηλή, η αντίσταση εισόδου που προκύπτει παραμένει αμελητέα σε σύγκριση με την αντίσταση εξόδου των φωτοδιόδων.

Το ρεύμα της διόδου στο κύκλωμα του μετατροπέα πρακτικά δεν ρέει μέσω της εισόδου του λειτουργικού ενισχυτή, κατευθυνόμενο εξ ολοκλήρου στην ανάδραση R 1: επειδή η τάση στην έξοδο του ενισχυτή είναι ίση με το γινόμενο του ρεύματος της φωτοδιόδου και της αντίστασης R 1. Για να επιτευχθεί η υψηλότερη αναλογία μετατροπής ρεύματος προς τάση, αυτή η αντίσταση πρέπει να έχει υψηλή ονομαστική τιμή. Το μειονέκτημα είναι ότι προκαλεί την εμφάνιση σημαντικής μετατόπισης τάσης θερμοκρασίας (λόγω αστάθειας θερμοκρασίας του ρεύματος εισόδου του ενισχυτή). Για να αντισταθμιστεί αυτό, μια αντίσταση R 2 με την ίδια αντίσταση με την R 1 συνδέεται συνήθως στη μη αναστρέφουσα είσοδο του ενισχυτή και προστίθεται χωρητική αποσύνδεση για την εξάλειψη του μεγαλύτερου μέρους του θορύβου του. Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι η πτώση τάσης στη δίοδο και το ρεύμα διαρροής που προκύπτει, το οποίο μπορεί να είναι ακόμη μεγαλύτερο από τα ρεύματα εισόδου του ενισχυτή.

Η αντίσταση της αντίστασης ανάδρασης στον μετατροπέα καθορίζει σχεδόν πλήρως το επίπεδο θορύβου και το εύρος ζώνης του ενισχυτή, καθώς και το κέρδος. Ο θόρυβος που εισάγεται από την αντίσταση έχει φασματική πυκνότητα και εμφανίζεται στην έξοδο του μετατροπέα χωρίς ενίσχυση. Ο λόγος της αύξησης του σήματος εξόδου προς την αύξηση του θορύβου είναι ανάλογος με την τετραγωνική ρίζα της αντίστασης R 1 Λειτουργικός Ενισχυτής Σχεδιασμός και Εφαρμογές: J. Graham, J. Tobey και L. Hyolsman. . Ο θόρυβος Op-amp επηρεάζει επίσης τον θόρυβο εξόδου μέσω της αντίστασης ανάδρασης και της χωρητικότητας της διόδου.

Οι πηγές θορύβου στον ενισχυτή φαίνονται στο Σχ. 4 ως ρεύμα θορύβου εισόδου I n και τάση θορύβου εισόδου (στο διάγραμμα - e n). Το ρεύμα θορύβου ρέει μέσω της αντίστασης ανάδρασης και ενισχύεται με τον ίδιο τρόπο όπως το ρεύμα του σήματος. Εάν επιλέξετε ένα op-amp με ρεύμα εισόδου της τάξης των picoamp, τότε αυτό το στοιχείο θορύβου θα είναι αμελητέο για τις τιμές αντίστασης ανάδρασης που χρησιμοποιούνται.

Ρύζι.4 . Επίδραση της χωρητικότητας της διόδου στη λειτουργία του κυκλώματος ανάδρασης σε ένα βασικό κύκλωμα μετατροπέα Ο θόρυβος του λειτουργικού ενισχυτή ενισχύεται περισσότερο και σε μια ευρύτερη ζώνη από το σήμα.

Με την πρώτη ματιά, η τάση θορύβου εισόδου του ενισχυτή φαίνεται να μεταδίδεται στην έξοδο με μικρό κέρδος. Αυτό ισχύει για το συνεχές ρεύμα, όπου το κέρδος 1+R 1 /R D διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα λόγω της υψηλής αντίστασης της διόδου R D . Η χωρητικότητα της διόδου C D, αλλάζοντας τη λειτουργία του κυκλώματος ανάδρασης σε υψηλές συχνότητες, αυξάνει την τάση θορύβου. Δεδομένου ότι αυτή η χωρητικότητα και η αντίσταση ανάδρασης είναι συνήθως αρκετά μεγάλες, το αποτέλεσμα μπορεί να συμβεί σε αρκετά χαμηλές συχνότητες. Μια απεικόνιση αυτού φαίνεται στο Σχ. 4, β).

Με τη βοήθεια του πόλου που εισάγει, το κέρδος τίθεται σε 1+C D /C S . Για μεγάλες φωτοδίοδοι, το C D μπορεί να είναι εκατοντάδες picofarads, προκαλώντας ενίσχυση θορύβου εκατοντάδες φορές. Αυτό το κέρδος εκτείνεται στην περιοχή υψηλής συχνότητας και περιορίζεται από το εύρος ζώνης του ενισχυτή.

Εάν το κέρδος είναι πολύ υψηλό, ο λειτουργικός ενισχυτής ταλαντώνεται λόγω της αλληλεπίδρασης με την ανάδραση, γεγονός που οδηγεί σε παραμορφώσεις: υπερβάσεις στην μεταβατική απόκριση, αύξηση της σταθεράς χρόνου. Για να αποφευχθεί αυτό το φαινόμενο, χρησιμοποιείται συνήθως ένα χωρητικό φίλτρο περιορισμού ζώνης.

Καθώς η αντίσταση ανάδρασης στον μετατροπέα ρεύματος αυξάνεται, ο συνολικός θόρυβος κυριαρχείται πρώτα από τη συμβολή θορύβου τάσης op-amp, μετά από τη συμβολή της αντίστασης ανάδρασης και τέλος από τη μέγιστη απολαβή στις υψηλές συχνότητες. Βελτιστοποιήσεις κυκλώματος, όπως η χρήση μιας μεγάλης φωτοδιόδου, πρέπει να ληφθούν υπόψη υπό το φως της χωρητικότητας και της επίδρασής της στο θόρυβο εξόδου και τη συνολική ευαισθησία του κυκλώματος. Το μεγάλο μέγεθος της φωτοδιόδου μπορεί στην πραγματικότητα να υποβαθμίσει τη συνολική ακρίβεια και οι βελτιώσεις στην ευαισθησία στο φως θα πρέπει να επιτευχθούν κυρίως με οπτικά μέσα, για παράδειγμα, με την κατασκευή ενός φακού στο σώμα της φωτοδιόδου.

2. Έλεγχος του θορύβου συχνότητας που προκύπτει κατά τη λειτουργία του ενισχυτή

Ρύζι.5 . α) Κύκλωμα πυκνωτή σε σχήμα Τ. β) αποσύνδεση κατά ένα στοιχείο σε ένα κύκλωμα ανάδρασης αντίστασης σχήματος Τ

Μια άλλη δυνατότητα για την προσθήκη χωρητικότητας είναι η χρήση ενός δικτύου αντιστάσεων Τ σε ανάστροφο κύκλωμα, το οποίο συνήθως αντικαθιστά αντιστάσεις πολύ υψηλής αντίστασης. Το τελευταίο αντικαθίσταται από το Σχ. 5, β) στοιχεία με πιο αποδεκτές βαθμολογίες, αλλά ταυτόχρονα αυξήθηκε ο θόρυβος χαμηλής συχνότητας. Αυτή η διαμόρφωση είναι παρόμοια με ένα δίκτυο πυκνωτών σε σχήμα Τ. Εδώ τα R 2 και R 3 εξασθενούν το σήμα στο R 1, έτσι το τελευταίο από την πλευρά του κόμβου εισόδου αντιπροσωπεύεται ως αντίσταση με πολύ μεγαλύτερη αντίσταση. Δεν υπάρχει βολικός τρόπος αντιστάθμισης της μετατόπισης DC λόγω των ρευμάτων εισόδου. Επομένως, χρειάζεται μια αντίσταση πολύ υψηλής αντίστασης στη μη αναστρέφουσα είσοδο.

Μία από τις θετικές ιδιότητες ενός κυκλώματος ανάδρασης εξασθένησης είναι η ικανότητα χρήσης πυκνωτών αποδεκτών τιμών. Η τοποθέτηση ενός πυκνωτή παράλληλα με το R 2 εξαλείφει την εξασθένηση υψηλής συχνότητας μειώνοντας την αντίσταση του βρόχου ανάδρασης σε R 1 .

Η μείωση του θορύβου υψηλής συχνότητας κατά τη διακλάδωση ενός κυκλώματος σχήματος Τ συνοδεύεται από την ενίσχυση τους σε χαμηλές συχνότητες λόγω της εξασθένησης του σήματος ανάδρασης στο κύκλωμα. Αυτό μπορεί να καταπολεμηθεί χρησιμοποιώντας αντιστάσεις χαμηλής αξίας, έτσι ώστε το αποτέλεσμα να αυξάνεται μόνο ανάλογα με την τετραγωνική ρίζα του νέου κέρδους θορύβου.

Η προσθήκη χωρητικότητας στην ανάδραση είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για τη μείωση του κέρδους θορύβου, αλλά επίσης μειώνει αποτελεσματικά το εύρος ζώνης του σήματος. Αυτό το εύρος ζώνης είναι ήδη μικρό λόγω της υψηλής αντίστασης ανάδρασης και το αποτέλεσμα μπορεί να είναι ένα εύρος ζώνης που δεν υπερβαίνει το 1 kHz. Το πρόβλημα του θορύβου μπορεί να λυθεί πιο ορθολογικά περιορίζοντας το εύρος ζώνης του ενισχυτή ακριβώς στο σημείο όπου το εύρος ζώνης του σήματος είναι αναπόφευκτα περιορισμένο. Στη συνέχεια, το κέρδος υψηλής συχνότητας, το οποίο ενισχύει μόνο τον θόρυβο, θα αφαιρεθεί.

Για να επιτευχθεί ο επιθυμητός περιορισμός εύρους ζώνης με κατάλληλους ενισχυτές λειτουργίας, ένας σύνθετος ενισχυτής χρησιμοποιεί δύο ενισχυτές λειτουργίας, ο ένας από τους οποίους είναι εξοπλισμένος με ένα κύκλωμα ελέγχου αντιστάθμισης φάσης, όπως φαίνεται στο Σχήμα. 6, α).

Για τον έλεγχο του εύρους ζώνης στο σύνθετο κύκλωμα, προστίθεται εσωτερική ανάδραση στον ενισχυτή A 2. Στο DC, αυτή η ανάδραση μπλοκάρεται από το C1 και το συνολικό κέρδος ανοιχτού βρόχου θα είναι ίσο με το γινόμενο αυτών των απολαβών για κάθε ενισχυτή, ή σε αυτήν την περίπτωση, 225 dB. Η μείωση της απόκρισης συχνότητας αυτού του κέρδους συμβαίνει υπό την επίδραση του πόλου στο κέρδος ανοιχτού βρόχου του ενισχυτή A 1 και της απόκρισης ολοκληρωτή που καθορίζεται για τον ενισχυτή A 1 από τα στοιχεία C 1 και R 3 . Δεδομένου ότι αυτή η μετατόπιση προκαλείται από τη δράση δύο πόλων, πρέπει να περιοριστεί πριν από τη διέλευση της καμπύλης κέρδους θορύβου για να διασφαλιστεί η σταθερότητα. Ένα μηδέν προστίθεται συμπεριλαμβάνοντας το R4. Πάνω από τη συχνότητα αυτού του μηδενός, λόγω της επίδρασης του R 4, η ολοκλήρωση σταματά και η συνάρτηση μεταφοράς A 2 γίνεται ίση με το κέρδος του ενισχυτή αναστροφής - R 4 / R 3. Ως αποτέλεσμα, το κέρδος roll-off είναι μεγαλύτερο από αυτό ενός μόνο ενισχυτή στις υψηλές συχνότητες. Στη γραφική απεικόνιση της ζώνης απολαβής θορύβου στο Σχ. Το 6b έχει μειωθεί αισθητά, σαν να είχε μειωθεί το εύρος ζώνης του λειτουργικού ενισχυτή.

Ρύζι. 6. α) Μείωση θορύβου σε κύκλωμα σύνθετου ενισχυτή. β) μείωση του εύρους ζώνης θορύβου χωρίς μείωση του εύρους ζώνης του σήματος

Η μείωση του εύρους ζώνης θορύβου φαίνεται στο Σχ. 6, β) σκιασμένη περιοχή. Οπτικά δεν φαίνεται σημαντικό λόγω της λογαριθμικής κλίμακας. Στην πραγματικότητα, η μείωση του θορύβου είναι αρκετά σημαντική επειδή το ανώτερο τμήμα συχνότητας του λογαριθμικού γραφήματος αντιπροσωπεύει το μεγαλύτερο μέρος του εύρους ζώνης του ενισχυτή. Η μετακίνηση του σημείου απολαβής θορύβου μονάδας από τα 2 MHz στα 200 kHz μειώνει τον θόρυβο εξόδου του A 1 κατά περίπου τρεις φορές. Για να λάβετε το ίδιο αποτέλεσμα χρησιμοποιώντας τη διαφυγή ανάδρασης, θα πρέπει να μειώσετε το εύρος ζώνης του σήματος κατά 10. Με την προσέγγιση που φαίνεται στο Σχ. 6, α), αυτή η ζώνη δεν αλλάζει. Ο ενισχυτής A2 δεν προσθέτει ούτε θόρυβο ούτε μετατόπιση DC, καθώς συνδέεται μετά τον ενισχυτή υψηλής απολαβής A2.

Εμφανίζεται στο Σχ. Η τεχνολογία 6 χρησιμοποιείται συνήθως σε χαμηλά επίπεδα σήματος όταν το σύστημα είναι ιδιαίτερα ευαίσθητο στο θόρυβο. Όταν το σήμα είναι μεγάλο, ο περιορισμός του ρυθμού περιστροφής είναι σημαντικός, αλλά η χρήση δεύτερου ενισχυτή μπορεί επίσης να βελτιώσει σημαντικά την κατάσταση. Ο περιορισμός του ρυθμού περιστροφής προκαλείται από τον περιορισμό της μέγιστης τάσης εξόδου του A 1 και την εξασθένησή του στο A 2. Εάν η μέγιστη ταλάντευση τάσης στην έξοδο A1 είναι 12 V και το κέρδος του A 2 είναι -- 1/10, όπως φαίνεται στο Σχ. 6, τότε η τελική τάση εξόδου περιορίζεται σε μια ταλάντευση 1,2 V. Για μικρά σήματα αυτό θα είναι αποδεκτό, καθώς οι μέγιστες πρακτικά χρησιμοποιούμενες τιμές αντίστασης ανάδρασης περιορίζουν από μόνες τους την αιώρηση εξόδου.

Τα σήματα υψηλού επιπέδου δεν είναι τόσο ευαίσθητα στο θόρυβο και θα ανεχθούν καλύτερα μια πιο άμεση προσέγγιση φιλτραρίσματος. Ένα ενεργό φίλτρο μετά από έναν συμβατικό μετατροπέα ρεύματος σε τάση εξαλείφει επίσης τον θόρυβο υψηλής συχνότητας. Η τοποθέτηση του πόλου του φίλτρου στην άκρη της ζώνης σήματος έχει ως αποτέλεσμα το εύρος ζώνης του συστήματος να μην επεκτείνεται ουσιαστικά περισσότερο από τη ζώνη χρήσιμων πληροφοριών. Αυτό το φίλτρο δεν περιλαμβάνεται στον βρόχο ανάδρασης του μετατροπέα, επομένως ο θόρυβος εισόδου και η μετατόπιση του δεύτερου ενισχυτή προστίθενται στο σήμα.

3. Εύρος ζώνης ενισχυτή και μέθοδοι ρύθμισής του

Οι απαιτήσεις εύρους ζώνης αποτελούν αναπόσπαστο μέρος της συζήτησης του μετατροπέα ρεύματος σε τάση για διάφορους λόγους. Ο συνολικός θόρυβος εξόδου αυξάνεται ανάλογα με την τετραγωνική ρίζα του εύρους ζώνης του συστήματος επειδή καλύπτεται ένα ευρύτερο φάσμα θορύβου. Υπάρχει μια σύγκρουση μεταξύ της βέλτιστης αναλογίας σήματος προς θόρυβο και του εύρους ζώνης του σήματος.

Ο τελικός περιορισμός που επηρεάζει τη μέτρηση τέτοιων ποσοτήτων, η χωρητική σύζευξη μέσω του αέρα γύρω από το σώμα της αντίστασης, παραμένει πάντα. Η επέκταση του εύρους ζώνης πέρα από τέτοιους περιορισμούς απαιτεί χαμηλότερη αντίσταση ανάδρασης και επομένως χαμηλότερο κέρδος μετατροπέα. Ορισμένες δυνατότητες για την αποκατάσταση του κέρδους φαίνονται στο Σχ. 7, α). Μετά τον μετατροπέα ρεύματος σε τάση, απλώς προστίθεται ένας δεύτερος ενισχυτής, ο οποίος φέρνει την τελική αντίσταση εξόδου στην τιμή R T = A V R 1. Έτσι, η μεγάλη αντίσταση μειώνεται κατά τον ίδιο παράγοντα που ενισχύει ο ενισχυτής και το εύρος ζώνης αυξάνεται κατά τον ίδιο παράγοντα.

Ρύζι.7 . α) Προσθήκη κέρδους τάσης για αύξηση του εύρους ζώνης διατηρώντας παράλληλα τη συνολική αντίσταση. β) γραφήματα του εύρους ζώνης έναντι του θορύβου εισόδου (το εύρος ζώνης αυξάνεται ταχύτερα από τον θόρυβο)

Οι παράμετροι που επηρεάζουν αυτό το μέγιστο είναι το R T που προκύπτει και το εύρος ζώνης απολαβής μονάδας του δεύτερου ενισχυτή, f C . Η σχέση μεταξύ παραγόντων που επηρεάζουν την επιλογή του βέλτιστου εύρους ζώνης περιγράφεται από την έκφραση για τον υπολογισμό του R1:

Όταν χρησιμοποιείτε δεύτερο ενισχυτή (A 1), η ζώνη επεκτείνεται στα 100 kHz από τα αρχικά 3 kHz. Έχει τον υψηλότερο συνολικό θόρυβο εξόδου, αλλά αυτό οφείλεται και πάλι στο υψηλό εύρος ζώνης του. Εάν απαιτείται ακόμη μεγαλύτερο εύρος ζώνης, τότε η επιλογή πρέπει να είναι μεταξύ ενός ταχύτερου λειτουργικού ενισχυτή, με γενικά χειρότερες παραμέτρους θορύβου και χαμηλότερης αντίστασης. Για μικρότερο εύρος ζώνης, στη θέση του A 1 είναι απαραίτητο να εγκαταστήσετε έναν ενισχυτή με μικρότερο εύρος ζώνης κέρδους μονάδας, ώστε να μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έναν ενισχυτή με χαμηλό θόρυβο.

Με την προϋπόθεση ότι επιτρέπεται η υποβάθμιση του θορύβου κατά την αντικατάσταση της αντίστασης με κέρδος τάσης, τα πλεονεκτήματα του κυκλώματος συνολικά αυξάνονται. Εάν ληφθεί υπόψη το εύρος ζώνης, αυτή η βελτίωση μπορεί να αντισταθμίσει την πτώση του λόγου σήματος προς θόρυβο. Αναφέρθηκε προηγουμένως ότι ένας απλός μετατροπέας ρεύματος σε τάση υποφέρει περισσότερο από υπερβολικό εύρος ζώνης όταν ενισχύει την τάση θορύβου του ενισχυτή παρά όταν ενισχύει το σήμα ρεύματος. Αυτή η τάση εξαλείφεται στο διάγραμμα στο Σχ. 7 καθώς αυξάνεται το κέρδος τάσης και το A 2 αρχίζει να φιλτράρει υψηλότερες συχνότητες. Αυτό υποστηρίζεται από καμπύλες θορύβου που ανεβαίνουν ομαλά (σε αντίθεση με τις καμπύλες εύρους ζώνης) στο σημείο του βέλτιστου εύρους ζώνης. Σε αυτό το βέλτιστο σημείο, το εύρος ζώνης του θορύβου ταιριάζει με το εύρος ζώνης του σήματος. Ως αποτέλεσμα, το A λειτουργεί πλέον ως το ενεργό φίλτρο εξόδου που συζητήθηκε προηγουμένως.

Σε ορισμένες περιπτώσεις, ένα σοβαρό μειονέκτημα του παραπάνω σχήματος είναι η ανάγκη χρήσης δύο λειτουργικών ενισχυτών για κάθε φωτοαισθητήρα: συχνά εκατοντάδες αισθητήρες λειτουργούν σε μία συστοιχία. Ένας μόνο ενισχυτής λειτουργίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να επιτευχθεί το ίδιο κέρδος, αλλά χωρίς τις πολύ υψηλές αντιστάσεις, εάν είναι αποδεκτή κάποια υποβάθμιση του εύρους ζώνης και του θορύβου. Ο ίδιος ενισχυτής λειτουργίας μπορεί να εκτελέσει ταυτόχρονα μετατροπή ρεύματος σε τάση και επακόλουθη ενίσχυση τάσης. Σύμφωνα με την παραδοσιακή τεχνολογία, αυτό το πρόβλημα επιλύεται όπως φαίνεται στο Σχ. 8, α), όπου το R 2 είναι απαραίτητο για τη μετατροπή του ρεύματος σε τάση και τα R 3 και R 4 χρειάζονται για να ρυθμίσετε το κέρδος τάσης. Το ρεύμα από τη δίοδο D 1 ρέει μέσω της αντίστασης R 2, με αποτέλεσμα μια τάση σήματος να εμφανίζεται στη μη αναστρέφουσα είσοδο του λειτουργικού ενισχυτή. Ωστόσο, αυτή η τάση εφαρμόζεται επίσης στη φωτοδίοδο, και λόγω αυτού, εμφανίζεται μη γραμμικότητα, όπως περιγράφηκε προηγουμένως.

Ρύζι. 8. Ταυτόχρονη μετατροπή ρεύματος σε τάση και ενίσχυση τάσης σε ένα τελεστικος ΕΝΙΣΧΥΤΗΣ: α) η επίδραση της ανεπιθύμητης τάσης στη δίοδο. β) εξάλειψη της επιρροής συνδέοντας μια δίοδο μεταξύ των εισόδων του λειτουργικού ενισχυτή

Αντίθετα, η φωτοδίοδος συνδέεται απευθείας μεταξύ των εισόδων του op-amp και στη συνέχεια διατηρείται σε μηδενική τάση. Όπως φαίνεται στο Σχ. 8, β), οι αντιστάσεις εκτελούν τις ίδιες λειτουργίες όπως στο προηγούμενο κύκλωμα, αλλά η συνάρτηση μεταφοράς του κυκλώματος θα είναι γραμμική. Το ρεύμα από τη φωτοδίοδο ρέει επίσης μέσω του R2, δημιουργώντας την ίδια τάση σήματος. Αυτό το ρεύμα ρέει επίσης στο κύκλωμα ανάδρασης, αλλά έχει μικρότερη επίδραση λόγω της χαμηλότερης αντίστασης των αντιστάσεων.

Ο θόρυβος εξόδου που προκύπτει από την αντίσταση στο βασικό κύκλωμα αυξάνεται ανάλογα με την τετραγωνική ρίζα του κέρδους τάσης. Υπάρχει ένα μικρό εξάρτημα που προστίθεται εδώ λόγω της αφαίρεσης του op-amp ως πηγή ενίσχυσης του κέρδους. Ωστόσο, μια νέα πηγή περιλαμβάνεται στο Σχ. 8, β), και πάλι λόγω της χωρητικότητας της διόδου, όπως φαίνεται στο Σχ. 9, α). Η τάση θορύβου του ενισχυτή δρα απευθείας κατά μήκος της χωρητικότητας, δημιουργώντας ένα ρεύμα θορύβου που ρέει μέσω του R 2 . Το χωρητικό δίκτυο ανάδρασης, που αποτελείται από C D και C ICM, παράγει ένα κέρδος θορύβου του οποίου το μέγιστο είναι 1 + C D / C ICM και το οποίο υπάρχει επιπλέον του κανονικού κέρδους θορύβου του μη αντιστρεφόμενου ενισχυτή.

Ρύζι.9 . α) Κύκλωμα με χωρητικότητα φωτοδιόδου που προσθέτει ανάδραση στο κύκλωμα στο Σχ. 7b; β) γράφημα κέρδους

Η επίδραση στην απόκριση συχνότητας φαίνεται στο Σχ. 9b, και προκαλεί επίσης αύξηση του κέρδους θορύβου στις υψηλές συχνότητες. Αυτό συμβαίνει σε υψηλότερες συχνότητες από ό,τι σε ένα βασικό κύκλωμα μετατροπέα ρεύματος σε τάση, επειδή εφαρμόζεται λιγότερη αντίσταση και αυτή η άνοδος εξαφανίζεται πιο γρήγορα λόγω της απελευθέρωσης της απόκρισης συχνότητας του op-amp. Για τη δίοδο χαμηλής χωρητικότητας που χρησιμοποιείται και στα δύο παραδείγματα κυκλωμάτων, τώρα καλύπτει μια μικρή περιοχή στο γράφημα, που κατά συνέπεια μειώνει την επίδραση του θορύβου. Για μεγάλες διόδους, ωστόσο, αυτό το φαινόμενο είναι επίσης παρόν, όπως φαίνεται από τη διακεκομμένη γραμμή για χωρητικότητα περίπου 200 pF. Το τμήμα του φάσματος που καλύπτεται από την ενίσχυση δεν βρίσκεται στο υψηλότερο όριο του εύρους ζώνης του ενισχυτή, όπως ήταν στη βασική σχεδίαση. Επομένως, ο θόρυβος op-amp δεν ήταν σημαντική πηγή.

4. Καταπολέμηση παρεμβολών που προκαλούνται από εξωτερικές επιρροές

Δεδομένου ότι υπάρχουν όρια στη μείωση του θορύβου του κυκλώματος, πρέπει επίσης να ληφθούν υπόψη οι εξωτερικές πηγές θορύβου. Ο μετατροπέας ρεύματος σε τάση είναι εξαιρετικά ευαίσθητος σε παρεμβολές από ηλεκτροστατικές, μαγνητικές πηγές και πηγές ραδιοσυχνοτήτων. Αυτές οι πηγές απαιτούν προσοχή στη θωράκιση, τη γείωση και τη φυσική τοποθέτηση των εξαρτημάτων Morrison, R. Grounding and Shielding Techniques (2nd ed., New York, 1986). , διαφορετικά η συμβολή τους στο θόρυβο της συσκευής θα είναι η κύρια..

Δεδομένου ότι η ηλεκτροστατική σύζευξη συμβαίνει συχνότερα στη συχνότητα του δικτύου και στη συνέχεια είναι η ίδια σε όλα τα σημεία του κυκλώματος, είναι ένας φυσικός υποψήφιος για εξάλειψη με απόρριψη κοινού τρόπου λειτουργίας σε έναν ενισχυτή op-amp. Σε αυτή τη συχνότητα, ο συντελεστής απόρριψης κοινού τρόπου λειτουργίας είναι πολύ υψηλός, αλλά δεν χρησιμοποιείται σε ένα συμβατικό κύκλωμα μετατροπέα ρεύματος σε τάση. Αυτό είναι συνέπεια μιας διαμόρφωσης εισόδου ενός άκρου αντί για διαφορική, αλλά η τελευταία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτίωση της απόρριψης θορύβου, καθώς και για τη μείωση του σφάλματος DC.

Ο ενισχυτής διαφορικής εισόδου op amp είναι πολύ κατάλληλος για το σήμα της φωτοδιόδου. Δεδομένου ότι η φωτοδίοδος παράγει ένα σήμα ρεύματος, είναι διαθέσιμη και στους δύο ακροδέκτες αυτού του αισθητήρα και μπορεί να συνδεθεί και στις δύο εισόδους του ενισχυτή, όπως φαίνεται στην Εικ. 10α. Εδώ, το ρεύμα της διόδου δεν επιστρέφει πλέον στη γείωση, αλλά παρέχεται στη μη αναστρέφουσα είσοδο του ενισχυτή. Αυτό δημιουργεί μια δεύτερη τάση σήματος που διπλασιάζει το κέρδος του κυκλώματος όταν R 1 = R 2 για αντιστάθμιση. Για μια δεδομένη τιμή απολαβής, οι αντιστάσεις θα πρέπει να είναι μόνο το ήμισυ της κανονικής τους τιμής για να μειωθεί ομοίως το σφάλμα από τα ρεύματα εισόδου του ενισχυτή. Επίσης, δεν υπάρχει σταθερή τάση στη φωτοδίοδο, αφού συνδέεται μεταξύ των εισόδων του λειτουργικού ενισχυτή. Και δεδομένου ότι η τάση μεταξύ των εισόδων είναι πρακτικά μηδενική, δεν υπάρχει ρεύμα διαρροής από τη φωτοδίοδο.

Ρύζι.10 . Χρήση του συντελεστή απόρριψης κοινού τρόπου λειτουργίας ενός λειτουργικού ενισχυτή: α) εφαρμογή σήματος σε διαφορική είσοδο. β) εξασθένηση της ηλεκτροστατικής σύνδεσης

Για τις περισσότερες περιπτώσεις ηλεκτροστατικής σύζευξης με καλώδια τροφοδοσίας στη συχνότητα του δικτύου, η περιγραφόμενη χωρητική διακλάδωση έχει μόνο ένα μικρό αποτέλεσμα. Για να καταστείλετε καλύτερα τις υψηλές συχνότητες, πρέπει είτε να προσθέσετε έναν πυκνωτή παράλληλα με το R1 ή να παρέχετε σταθερό σήμα στον πυκνωτή εισόδου. Η τελευταία επιλογή σας απαλλάσσει από τον περιορισμό του εύρους ζώνης - όπως και όταν χρησιμοποιείτε μια δεύτερη διαφορική σύνδεση. Όπως φαίνεται στο Σχ. 11, μια φωτοδίοδος συνδέεται μεταξύ των εισόδων δύο μετατροπέων ρεύματος σε τάση, οι έξοδοι των οποίων συνδέονται με τις εισόδους ενός διαφορικού ενισχυτή. Το ρεύμα της φωτοδιόδου ρέει μέσω δύο όμοιων αντιστάσεων που υπόκεινται στην ίδια σύζευξη ηλεκτροστατικού θορύβου. Το ρεύμα της διόδου δημιουργεί ένα διαφορικό σήμα στις αντιστάσεις και η σύζευξη θορύβου δημιουργεί ένα σήμα κοινής λειτουργίας. Κατά τη διέλευση από το μπλοκ με τον ενισχυτή A 3 (επισημασμένο στην κίτρινη περιοχή), αυτά τα σήματα διαχωρίζονται: το σήμα της διόδου περνά στην έξοδο και το σήμα θορύβου καταστέλλεται.

Ρύζι. 11 . Ενισχυτής με διαφορικές εισόδους με μεγάλο εύρος ζώνης απολαβής (οι χωρητικότητες κοινής λειτουργίας εισόδου των ενισχυτών συνδέονται με εικονική γείωση)

Οι μη αντιστρεπτικές είσοδοι και των δύο μετατροπέων ρεύματος σε τάση είναι γειωμένες, επομένως και οι δύο ακροδέκτες διόδου έχουν ρυθμιστεί σε μηδενική τάση. Επιπλέον, αυτό το κύκλωμα εξαλείφει την εμφάνιση σήματος στους πυκνωτές εισόδου κοινού τρόπου λειτουργίας, αυξάνοντας έτσι τη ζώνη ενίσχυσης του σήματος και καταστέλλοντας τις ηλεκτροστατικές παρεμβολές. Οι μη αντιστρεφόμενες είσοδοι δεν συνδέονται μέσω υψηλής αντίστασης για τη διόρθωση σφαλμάτων από το ρεύμα εισόδου, καθώς οι A 1 και A 2 δημιουργούν αντίστοιχες τάσεις στις εξόδους τους. Αυτές οι τάσεις είναι η είσοδος κοινού τρόπου λειτουργίας στο τελικό μπλοκ και επομένως καταστέλλονται.

Μια άλλη συνάρτηση είναι το διαφορικό κύκλωμα στο Σχ. 11 είναι μια διαφορική μέτρηση των σημάτων από δύο φωτοδίοδοι. Αντί για D 1, μια ξεχωριστή δίοδος συνδέεται στην είσοδο κάθε μετατροπέα ρεύματος σε τάση. Αυτές οι δίοδοι φαίνονται στο Σχ. 11 διακεκομμένες γραμμές. Τα ρεύματά τους παράγουν ανεξάρτητες τάσεις στις εξόδους A 1 και A 2, μετά τις οποίες περνούν από έναν διαφορικό ενισχυτή για να εξαλείψουν το στοιχείο κοινής λειτουργίας. Η υπόλοιπη τάση εξόδου είναι ανάλογη με τη διαφορά μεταξύ των δύο φωτορευμάτων εισόδου ως μέτρο της σχετικής φωτεινότητας. Αυτό το σήμα χρησιμοποιείται σε αισθητήρες θέσης ή παρακολούθηση οπτικού ίχνους ως σήμα ανάδρασης.

Η σύζευξη μαγνητικού θορύβου μπορεί να είναι πιο δύσκολο να εξαλειφθεί από τη σύζευξη ηλεκτροστατικού θορύβου, αλλά η επίδρασή της μειώνεται επίσης όταν χρησιμοποιούνται διαφορικές είσοδοι. Σε αυτή την περίπτωση, η σύζευξη πραγματοποιείται μέσω αμοιβαίας επαγωγής, επομένως το κύριο καθήκον είναι να ελαχιστοποιηθεί το μέγεθος των βρόχων του αγωγού μαζί με τη θωράκιση και τον μέγιστο διαχωρισμό της πηγής και του δέκτη παρεμβολής. Η επιρροή του δεν εξαλείφεται από μια ηλεκτροστατική θωράκιση, επομένως το πρώτο βήμα πρέπει να είναι η καταστολή της παρεμβολής απευθείας στην πηγή της. Οι μετασχηματιστές ισχύος που δεν μπορούν να αφαιρεθούν επαρκώς πρέπει να θωρακίζονται για να διασφαλίζεται ότι τα περισσότερα από τα μαγνητικά τους πεδία παραμένουν εντός του μετασχηματιστή. Οι υπόλοιπες μαγνητικές συνδέσεις ενεργούν μέσω φυσικών διαμορφώσεων και διαμορφώσεων κυκλώματος. Οι αντιστάσεις υψηλής τιμής που χρησιμοποιούνται σε ενισχυτές με σύνθετη αντίσταση είναι ευαίσθητες σε αυτό το φαινόμενο και οι συνδέσεις μεταξύ αυτών των αντιστάσεων και των εισόδων υψηλής σύνθετης αντίστασης των ενισχυτών λειτουργίας πρέπει να διατηρούνται όσο το δυνατόν πιο σύντομες. Ο υπολειπόμενος θόρυβος δημιουργείται σε κοινή λειτουργία ταιριάζοντας το σχήμα και το μέγεθος των αγωγών έτσι ώστε ο ενισχυτής λειτουργίας να μπορεί να τον απορρίψει. Στο Σχ. 10, 11, η μεγάλη αντίσταση διαιρείται μεταξύ δύο πανομοιότυπων στοιχείων που είναι φυσικά τοποθετημένα στον ίδιο προσανατολισμό και στην ίδια απόσταση σε σχέση με την πηγή μαγνητικής παρεμβολής. Οι παρεμβολές που προκαλούνται σε δύο αντιστάσεις σε αυτήν την περίπτωση δημιουργούν πανομοιότυπα σήματα, τα οποία καταστέλλονται στην έξοδο του ενισχυτή.

Ο τρίτος τύπος παρεμβολής - η ραδιοσυχνότητα - εξασθενεί λιγότερο από τους ενισχυτές, επομένως οι κύριοι τρόποι αντιμετώπισης είναι η θωράκιση και το φιλτράρισμα. Πηγές παρεμβολών ραδιοσυχνοτήτων μπορεί να βρεθούν κοντά στο κύκλωμα της φωτοδιόδου (για παράδειγμα, ψηφιακό κύκλωμα, το οποίο βρίσκεται πιο συχνά στο σύστημα). Στις υψηλές συχνότητες, οι ενισχυτές λειτουργίας έχουν μικρό κέρδος και μικρή απόρριψη κοινής λειτουργίας, και επομένως δεν μπορούν να απορρίψουν σήματα RF. Λόγω αυτών των περιορισμών του λειτουργικού ενισχυτή και του περιορισμού εύρους ζώνης στο κύριο κύκλωμα μετατροπέα ρεύματος σε τάση, τα υπό δοκιμή σήματα δεν μπορούν να βρίσκονται στην περιοχή ραδιοσυχνοτήτων. Το φιλτράρισμα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αφαίρεση ανεπιθύμητων σημάτων εάν μπορεί να εφαρμοστεί στην είσοδο του ενισχυτή. Το φιλτράρισμα μετά τον ενισχυτή είναι λιγότερο αποτελεσματικό επειδή ο op-amp μπορεί να λειτουργήσει σαν ανιχνευτής RF, διαχωρίζοντας τις χαμηλότερες συχνότητες από τον φορέα. Περαιτέρω μειώσεις σε αυτούς τους τύπους θορύβου μπορούν να επιτευχθούν χρησιμοποιώντας ασπίδες RF και στρώματα γείωσης στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος.

Βιβλιογραφία

1. Μετάφραση του άρθρου για τους λειτουργικούς ενισχυτές "Photodiode Monitoring with Op Amps", συγγραφέας - κορυφαίος ειδικός στο Burr-Brown (Texas Instruments): http://www.kit-e.ru/articles/usil/2009_02_46.php

2. J. Graham, J. Tobey and L. Huelsman. Σχεδιασμός και εφαρμογή τελεστικών ενισχυτών: http://www.znvo.kz/books/42-pnpnpn/549-grema.html

3. Horowitz P., Hill W. - The art of circuit design. Τόμος 1, 3η έκδοση:

http://publ.lib.ru/ARCHIVES/H/HOROVIC_Paul%27,_HILL_Uinfild

4. Presnukhin L., Vorobyov N., Shishkevich A. - Υπολογισμός στοιχείων ψηφιακών συσκευών: http://www.toroid.ru/presnuhinLN.html

Παρόμοια έγγραφα

Μελέτη της λειτουργίας ενός ενσωματωμένου ενισχυτή σε διάφορους τρόπους λειτουργίας. Σύνδεση ενισχυτή ως επαναλήπτη. Μέτρηση εισερχόμενης και εξερχόμενης τάσης. Προσδιορισμός της συχνότητας διέλευσης του ενισχυτή. Ανάλυση μεθόδων απόκτησης υψηλού κέρδους σε υψηλή συχνότητα.

εργαστηριακές εργασίες, προστέθηκε 18/06/2015

Ανάπτυξη ηλεκτρικό διάγραμμαενισχυτής αντίστασης. Κατασκευή υπερβολής διασποράς σε στατικό τρόπο. Τύπος για τον υπολογισμό της εξίσωσης της γραμμής φορτίου. Προσδιορισμός των τρεχουσών παραμέτρων, του εύρους ζώνης και του εύρους ζώνης απολαβής σε δυναμική λειτουργία.

δοκιμή, προστέθηκε 14/05/2014

Υπολογισμός των παραμέτρων ενός ενισχυτή, η είσοδος του οποίου τροφοδοτείται με τάση σήματος με δεδομένο πλάτος από πηγή με γνωστή εσωτερική αντίσταση. Προσδιορισμός της απόδοσης ενός ενισχυτή με κοινή παράλληλη αρνητική ανάδραση ρεύματος και συνολικό ρεύμα.

εργασία, προστέθηκε 01/04/2011

Ανάλυση της υλοποίησης του κυκλώματος του ενισχυτή. Σχηματισμός μαθηματικού μοντέλου σύνθεσης παραμετρικών ενισχυτών. Χαρακτηριστικά συντελεστή μεταφοράς τάσης. Μελέτη της επίδρασης των μεταβαλλόμενων παραμέτρων του ενισχυτή στα χαρακτηριστικά συχνότητας.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε 16/09/2017

Μελέτη λειτουργίας ενισχυτών DC με χρήση τρανζίστορ και ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Προσδιορισμός κέρδους τάσης. Χαρακτηριστικό πλάτους του ενισχυτή. Εξάρτηση της τάσης εξόδου από την τάση τροφοδοσίας του δικτύου για τον ενισχυτή ρεύματος.

εργαστηριακές εργασίες, προστέθηκε 31/08/2013

Ανάπτυξη ενός ενισχυτή ηλεκτρικού σήματος που αποτελείται από προενισχυτικά στάδια. Υπολογισμός ενισχυτή ισχύος χωρίς μετασχηματιστή push-pull. Προσδιορισμός καταρράκτη με ΟΕ με γραφική-αναλυτική μέθοδο. Ισορροπημένοι (διαφορικοί) ενισχυτές.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε 03/09/2013

Προσδιορισμός των παραμέτρων λειτουργίας ενός ενισχυτή ρεύματος δύο σταδίων με άμεση σύζευξη, κατασκευασμένο σε τρανζίστορ γερμανίου (Ge) της δομής n-p-n σύμφωνα με καθορισμένους δείκτες. Βασικοί υπολογισμοί δεικτών μετατροπής τάσης και συντελεστές απολαβής.

πρακτική εργασία, προστέθηκε 01/04/2011

Ανάπτυξη ενισχυτή ρεύματος με χρήση εργαλείων σχεδιασμού με τη βοήθεια υπολογιστή. Μοντελοποίηση ενισχυτή ρεύματος στο Multisim. Υπολογισμός διαστάσεων, τοποθέτηση ραδιοηλεκτρονικών εξαρτημάτων σε πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος, ιχνηλάτησή του με χρήση αλγόριθμου κυμάτων.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε 21/10/2015

Σκοπός και περιγραφή των ακροδεκτών του ενισχυτή αναστροφής DC K140UD8. Εξέταση των παραμέτρων αναφοράς και του βασικού κυκλώματος του τελεστικού ενισχυτή. Υπολογισμός σφαλμάτων μετατόπισης τάσης πόλωσης με βάση τη θερμοκρασία και το ρεύμα εισόδου.

περίληψη, προστέθηκε 28/05/2012

Χαρακτηριστικά του ενισχυτή ως κύριας μονάδας σε συσκευές αυτοματισμού, τηλεμηχανικής, υπολογιστών και πληροφοριακών μετρήσεων. Η αρχή λειτουργίας ενός πολυβάθμιου ενισχυτή με τον υπολογισμό κάθε σταδίου και την κατασκευή χαρακτηριστικών εξόδου και εισόδου.

Η εφεύρεση αναφέρεται σε μια συσκευή για ενισχυτές για φωτοανιχνευτές, συγκεκριμένα σε μια συσκευή για έναν ενισχυτή φωτοδιόδου για έναν ανιχνευτή πυρκαγιάς καπνού. Τεχνικό αποτέλεσμα: αντιστάθμιση του σήματος παρεμβολής στους ακροδέκτες της φωτοδιόδου, η οποία ως αποτέλεσμα αυξάνει την ατρωσία του θορύβου του ανιχνευτή πυρκαγιάς καπνού και μειώνει το κόστος του λόγω της εξάλειψης της θωράκισης. Ο ενισχυτής (Εικ. 1) περιέχει έναν διαφορικό ενισχυτή (DA) (2) με πηγή τάσης τροφοδοσίας (1) εξοπλισμένη με διαμορφωτή δυναμικού (FP) (3) που βρίσκεται στο εύρος δυναμικού της τάσης της πηγής ισχύος, ενώ η φωτοδίοδος Οι ακροδέκτες (4) συνδέονται σε εισόδους τηλεχειριστηρίου (2). Η πρώτη και η δεύτερη αντίσταση (P) (5, 6) εισάγονται, η πρώτη είσοδος του τηλεχειριστηρίου (2) συνδέεται με το FP (3) μέσω του πρώτου P (5) και η δεύτερη είσοδος του τηλεχειριστηρίου Το (2) συνδέεται στο FP (3) μέσω του δεύτερου P (6) και το πρώτο και το δεύτερο P (5, 6) έχουν ίσες τιμές αντίστασης. Για να λειτουργήσει σε λειτουργία παλμού (Εικ. 2), οι έξοδοι της φωτοδιόδου (4) συνδέονται με τις εισόδους του τηλεχειριστηρίου (2) μέσω πυκνωτών (7) ίσου μεγέθους και η φωτοδίοδος (4) διακλαδίζεται με αντίσταση (8). 1 μισθός f-ly, 2 ill.

Σχέδια για το δίπλωμα ευρεσιτεχνίας RF 2410833

Η εφεύρεση αναφέρεται σε μια συσκευή για ενισχυτές για φωτοανιχνευτές, ιδιαίτερα σε μια συσκευή για έναν ενισχυτή φωτοδιόδου για έναν ανιχνευτή πυρκαγιάς καπνού.

Ένα γνωστό κύκλωμα ενισχυτή για μια φωτοδίοδο ενός ανιχνευτή πυρκαγιάς καπνού περιλαμβάνει έναν ενισχυτή γραμμικού τρανζίστορ με πηγή τάσης τροφοδοσίας, στον οποίο η φωτοδίοδος συνδέεται μεταξύ του συν της πηγής ισχύος και της εισόδου της γραμμικής ενισχυτής τρανζίστορ(βλ. www.unitest.ru, Εγχειρίδιο χειρισμού για ανιχνευτή καπνού πυρκαγιάς IP 212-49AM).

Το μειονέκτημα του γνωστού κυκλώματος είναι η ανεπαρκής θόρυβος του και η εξάρτηση του κέρδους από την τάση τροφοδοσίας του ενισχυτή. Αυτό απαιτεί θωράκιση του ενισχυτή και της φωτοδιόδου, σταθεροποίηση της τροφοδοσίας του ενισχυτή, γεγονός που αυξάνει το κόστος του σχεδιασμού.

Το πλησιέστερο στην τεχνική ουσία και το επιτυγχανόμενο αποτέλεσμα στο διεκδικούμενο κύκλωμα είναι το κύκλωμα ενισχυτή μιας φωτοδιόδου ενός ανιχνευτή πυρκαγιάς καπνού, το οποίο περιλαμβάνει έναν διαφορικό ενισχυτή με μια πηγή τάσης τροφοδοσίας εξοπλισμένη με ένα διαμορφωτή δυναμικού που βρίσκεται στην περιοχή δυναμικού της τροφοδοσίας πηγή τάσης, στην οποία συνδέεται η πρώτη είσοδος του διαφορικού ενισχυτή, καθώς και μια φωτοδίοδος, συνδεδεμένη στη δεύτερη είσοδο του διαφορικού ενισχυτή και σε έναν από τους πόλους της πηγής τάσης τροφοδοσίας (βλ. www.irset.spb.ru Διαβατήριο για ανιχνευτή καπνού πυρκαγιάς IP 212-3SU).

Το μειονέκτημα του γνωστού κυκλώματος ενισχυτή φωτοδιόδου είναι η ανεπαρκής θόρυβος του, η οποία απαιτεί επίσης θωράκιση του ενισχυτή και της φωτοδιόδου.

Η έλλειψη θορύβου του γνωστού κυκλώματος ενισχυτή φωτοδιόδου εξηγείται από διαφορετικές συνθήκεςροή ρεύματος στις εισόδους του ενισχυτή όταν η φωτοδίοδος εκτίθεται σε τάση παρεμβολής. Η επίδραση του θορύβου σε καθένα από τα δύο τερματικά της φωτοδιόδου είναι διαφορετική, παρόλο που η επίδραση είναι ίδια και στους δύο ακροδέκτες της φωτοδιόδου. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι οι συνθήκες για τη διάδοση της παρεμβολής στην πηγή ισχύος που είναι συνδεδεμένη με τον πόλο και τους δεύτερους ακροδέκτες της φωτοδιόδου είναι διαφορετικές, και πιο συγκεκριμένα, οι αντιστάσεις για τη ροή του ρεύματος παρεμβολής από το σημείο επιρροής στο οι πόλοι της πηγής ισχύος του ενισχυτή είναι διαφορετικοί. Όταν εκτίθεται σε παρεμβολές, το φορτίο που προκαλείται στους ακροδέκτες της φωτοδιόδου ρέει στους πόλους της πηγής ισχύος και στη διαδρομή αυτών των ρευμάτων υπάρχουν στοιχεία του ηλεκτρικού κυκλώματος που σχηματίζουν διαιρέτες τάσης και σχηματίζουν διαφορά δυναμικού στις εισόδους του ο διαφορικός ενισχυτής, ο οποίος δημιουργεί ένα πρόσθετο σήμα παρεμβολής που αθροίζεται με το κύριο σήμα από τη φωτοδίοδο και τον εμποδίζει σωστή μετάδοση. Λόγω του γεγονότος ότι στο γνωστό κύκλωμα, οι διαδρομές ρεύματος και οι αντιστάσεις των στοιχείων του ηλεκτρικού κυκλώματος δεν είναι ταυτόσημες, τότε, με την ίδια ενέργεια παρεμβολής και στις δύο εξόδους της φωτοδιόδου, το δυναμικό στις εισόδους του ενισχυτή είναι όχι το ίδιο: προκύπτει μια διαφορά δυναμικού που προκαλείται από την παρεμβολή, η οποία μειώνει την ασυλία θορύβου και περιορίζει το πεδίο εφαρμογής του ενισχυτή.

Αυτή η εφαρμογή λύνει το πρόβλημα της αύξησης της ατρωσίας θορύβου του κυκλώματος ενισχυτή φωτοδιόδου κατά τη λειτουργία ενός ανιχνευτή καπνού πυρκαγιάς ενώ ταυτόχρονα μειώνει το κόστος του σχεδιασμού του εξαλείφοντας τη θωράκιση.

Το πρόβλημα επιλύεται από το γεγονός ότι στο κύκλωμα ενισχυτή φωτοδιόδου, το οποίο περιλαμβάνει έναν διαφορικό ενισχυτή με πηγή τάσης τροφοδοσίας εξοπλισμένο με διαμορφωτή δυναμικού που βρίσκεται στο εύρος δυναμικού της πηγής τάσης τροφοδοσίας, οι ακροδέκτες της φωτοδιόδου συνδέονται στις εισόδους του διαφορικός ενισχυτής, ενώ η πρώτη είσοδος του διαφορικού ενισχυτή συνδέεται με τον διαιρέτη τάσης μέσω της πρώτης αντίστασης και η δεύτερη είσοδος του διαφορικού ενισχυτή συνδέεται με τον διαιρέτη τάσης μέσω μιας δεύτερης αντίστασης και η πρώτη και η δεύτερη αντίσταση έχουν ίση αντίσταση αξίες.

Είναι προτιμότερο να λειτουργεί σε παλμική λειτουργία συνδέοντας τα καλώδια της φωτοδιόδου στις εισόδους του ενισχυτή μέσω πυκνωτών ίσου μεγέθους και παρακάμπτοντας τη φωτοδίοδο με μια αντίσταση με τιμή αντίστασης στην περιοχή 100 kOhm-10 mOhm. Σε αυτήν την περίπτωση, το σταθερό στοιχείο του σήματος δεν θα περάσει στην είσοδο του ενισχυτή και το επαγόμενο φορτίο θα ρέει μέσω της αντίστασης διακλάδωσης.

Η ουσία της εφεύρεσης έχει ως εξής.

Σε αυτό το κύκλωμα ενισχυτή φωτοδιόδου, οι συνθήκες για τη ροή του ρεύματος που προκαλείται από παρεμβολές είναι οι ίδιες και για τις εξόδους της φωτοδιόδου και για τις εισόδους του διαφορικού ενισχυτή που είναι συνδεδεμένος απευθείας σε αυτές, καθώς για καθένα από αυτά η αντίσταση μεταξύ του σημείου παρεμβολής και οποιοσδήποτε πόλος της πηγής ισχύος είναι ο ίδιος λόγω της παρουσίας αντιστάσεων ίσων τιμών. Από αυτή την άποψη, η τάση του σήματος παρεμβολής κοινής λειτουργίας αντισταθμίζεται, η τάση στις εισόδους του ενισχυτή δεν περιέχει το σήμα παρεμβολής και δεν παραμορφώνει το χρήσιμο σήμα. Το επίπεδο του σήματος παρεμβολής μειώνεται χιλιάδες φορές, επιτρέποντας στον ανιχνευτή να λειτουργεί σταθερά ακόμη και σε συνθήκες εξαιρετικά υψηλών παρεμβολών, στις οποίες, όταν χρησιμοποιείται το πρωτότυπο κύκλωμα, η τάση παρεμβολής θα ήταν πολύ υψηλότερη από το χρήσιμο σήμα.

Η ουσία της εφεύρεσης απεικονίζεται από ένα μη περιοριστικό παράδειγμα εφαρμογής της και τα συνοδευτικά σχέδια, στα οποία:

Το Σχήμα 1 - δείχνει ένα κύκλωμα ενισχυτή φωτοδιόδου για την περίπτωση μέτρησης συνεχές σήμα;

Το Σχ. 2 δείχνει ένα διάγραμμα ενός ενισχυτή φωτοδιόδου για την περίπτωση μέτρησης ενός σήματος παλμού.

Για να εξηγηθεί η ουσία της εφεύρεσης, οι ακόλουθες ονομασίες εισάγονται στα σχέδια:

1 - τροφοδοτικό. 2 - διαφορικός ενισχυτής. 3 - γεννήτρια δυναμικού που βρίσκεται στην περιοχή δυναμικού της πηγής τάσης τροφοδοσίας. 4 - φωτοδίοδος. 5 - πρώτη αντίσταση. 6 - δεύτερη αντίσταση. 7 - πυκνωτές. 8 - αντίσταση διακλάδωσης.

Το κύκλωμα ενισχυτή φωτοδιόδου για την περίπτωση μέτρησης ενός συνεχούς σήματος απεικονίζεται στο Σχ. 1. Ο ενισχυτής φωτοδιόδου περιέχει έναν διαφορικό ενισχυτή 2 συνδεδεμένο με τους πόλους της πηγής ισχύος 1 και έναν διαμορφωτή δυναμικού 3 που βρίσκεται στην περιοχή δυναμικού της πηγής τάσης τροφοδοσίας ισχύος. Ο σχηματιστής δυναμικού 3 έχει σχεδιαστεί ως διαχωριστής τάσης με αντίσταση. Οι έξοδοι της φωτοδιόδου 4 συνδέονται μεταξύ των εισόδων αναστροφής και μη του διαφορικού ενισχυτή 2, ενώ η είσοδος αναστροφής του ενισχυτή συνδέεται με τον διαμορφωτή δυναμικού 3 μέσω της πρώτης αντίστασης 5 και τη μη αναστρέφουσα είσοδο του Ο ενισχυτής συνδέεται με τον διαμορφωτή δυναμικού 3 μέσω της δεύτερης αντίστασης 6 και η πρώτη και η δεύτερη αντίσταση έχουν ίσες τιμές αντίστασης 100 kOhm.

Η προτιμώμενη τιμή αντίστασης της πρώτης και της δεύτερης αντίστασης είναι 100 ohms - 10 mohms.

Το κύκλωμα ενισχυτή φωτοδιόδου είτε τοποθετείται σε ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργεί παρεμβολές, είτε εφαρμόζεται τάση κοινής λειτουργίας από μια γεννήτρια και στους δύο ακροδέκτες της φωτοδιόδου. Η τάση παρεμβολής στην έξοδο του διαφορικού ενισχυτή 2 μετράται Ως αποτέλεσμα της αντιστάθμισης, η τάση παρεμβολής, που υπολογίζεται εκ νέου λαμβάνοντας υπόψη το κέρδος του διαφορικού ενισχυτή 2, αποδεικνύεται ότι είναι χιλιάδες φορές μικρότερη από την τάση θορύβου κοινής λειτουργίας που παρέχεται. από τη γεννήτρια. Για την προσομοίωση των συνθηκών διάδοσης παρεμβολών σε έναν μη ισορροπημένο ενισχυτή, η αντίσταση 5 απενεργοποιείται Ως αποτέλεσμα της επίδρασης του σήματος παρεμβολής, ο διαφορικός ενισχυτής 2 εισέρχεται σε κορεσμό. Κάτω από παρόμοιες συνθήκες, το κύκλωμα σύμφωνα με το πρωτότυπο εισέρχεται επίσης σε κορεσμό όταν εφαρμόζεται τάση παρεμβολής.

Το κύκλωμα ενισχυτή φωτοδιόδου για την περίπτωση μέτρησης ενός σήματος παλμού απεικονίζεται στο Σχ. 2. Ο ενισχυτής φωτοδιόδου περιέχει έναν διαφορικό ενισχυτή 2 συνδεδεμένο με τους πόλους της πηγής ισχύος 1 και έναν δυνητικό σχηματιστή 3 που βρίσκεται στην περιοχή δυναμικού της πηγής τάσης τροφοδοσίας. Ο διαμορφωτής δυναμικού 3 κατασκευάζεται με τη μορφή διαμορφωτή δυναμικού διόδου. Οι έξοδοι της φωτοδιόδου 4 συνδέονται μεταξύ των εισόδων αναστροφής και μη του διαφορικού ενισχυτή 2 μέσω πυκνωτών 7 ίσων τιμών (από 100 pF έως 10 nF), ενώ η είσοδος αναστροφής του διαφορικού ενισχυτή 2 συνδέεται με τον διαμορφωτή δυναμικού 3 μέσω της πρώτης αντίστασης 5 και η μη αναστροφική είσοδος του ενισχυτή συνδέεται με τον διαμορφωτή δυναμικού 3 μέσω της δεύτερης αντίστασης 6 και η πρώτη και η δεύτερη αντίσταση έχουν ίσες τιμές αντίστασης 510 kOhm.

Το κύκλωμα ενισχυτή φωτοδιόδου τοποθετείται σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που δημιουργεί παρεμβολές ή εφαρμόζεται τάση κοινής λειτουργίας από μια γεννήτρια και στους δύο ακροδέκτες της φωτοδιόδου. Η τάση παρεμβολής στην έξοδο του διαφορικού ενισχυτή 2 μετράται Ως αποτέλεσμα της αντιστάθμισης, η τάση παρεμβολής, που υπολογίζεται εκ νέου λαμβάνοντας υπόψη το κέρδος του διαφορικού ενισχυτή 2, αποδεικνύεται ότι είναι χιλιάδες φορές μικρότερη από την τάση θορύβου κοινής λειτουργίας που παρέχεται. από τη γεννήτρια. Για την προσομοίωση των συνθηκών διάδοσης θορύβου σε έναν μη ισορροπημένο ενισχυτή, η αντίσταση 5 απενεργοποιείται, ως αποτέλεσμα, ο διαφορικός ενισχυτής 2 εισέρχεται σε κορεσμό. Κάτω από παρόμοιες συνθήκες, το κύκλωμα σύμφωνα με το πρωτότυπο εισέρχεται επίσης σε κορεσμό όταν εφαρμόζεται τάση παρεμβολής.

Τα πλεονεκτήματα αυτού του κυκλώματος ενισχυτή διασφαλίζονται από το γεγονός ότι, ως αποτέλεσμα της δημιουργίας πανομοιότυπων συνθηκών για τη διάδοση του θορύβου και στις δύο εξόδους της φωτοδιόδου και στις εισόδους του ενισχυτή, η αντιστάθμιση για την τάση και το ρεύμα του θορύβου κοινής λειτουργίας είναι επιτεύχθηκε. Αυτό καθιστά δυνατή την αύξηση της ατρωσίας του θορύβου ενός ανιχνευτή πυρκαγιάς καπνού που περιέχει μια φωτοδίοδο και τη μείωση του κόστους του εξαλείφοντας την ανάγκη για θωράκιση.

Η εφεύρεση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για να λειτουργήσει ως μέρος άλλων φωτογραφικών συσκευών, για παράδειγμα φωτόμετρων, ο σχεδιασμός των οποίων περιλαμβάνει μια φωτοδίοδο, το σήμα της οποίας πρέπει να ενισχυθεί.

ΑΠΑΙΤΗΣΗ

1. Κύκλωμα ενισχυτή φωτοδιόδου, συμπεριλαμβανομένου ενός διαφορικού ενισχυτή με πηγή τάσης τροφοδοσίας εξοπλισμένη με διαμορφωτή δυναμικού που βρίσκεται στο εύρος δυναμικού της πηγής τάσης τροφοδοσίας, ενώ οι έξοδοι φωτοδιόδου συνδέονται με τις εισόδους του διαφορικού ενισχυτή, που χαρακτηρίζεται από το ότι η πρώτη είσοδος του διαφορικού ενισχυτή συνδέεται με τον διαμορφωτή δυναμικού μέσω της πρώτης αντίστασης και η δεύτερη είσοδος του διαφορικού ενισχυτή συνδέεται με τον διαμορφωτή δυναμικού μέσω μιας δεύτερης αντίστασης και η πρώτη και η δεύτερη αντίσταση έχουν ίσες τιμές αντίστασης.

2. Το κύκλωμα σύμφωνα με την αξίωση 1, που χαρακτηρίζεται από το ότι τα καλώδια της φωτοδιόδου συνδέονται με τις εισόδους του διαφορικού ενισχυτή μέσω πυκνωτών ίσου μεγέθους και η φωτοδίοδος διακλαδίζεται από μια αντίσταση με τιμή αντίστασης στην περιοχή των 100 kOhm -10 mOhm.

Παίζω με την ιδέα να το δοκιμάσω εδώ και πολύ καιρό LED ως φωτοαισθητήρας- αυτή είναι η ίδια δίοδος ημιαγωγών στην οποία οι προγραμματιστές έχουν καταβάλει κάθε δυνατή προσπάθεια για να εξασφαλίσουν το μέγιστο φως διασταύρωση p-nβγήκε και άρα προς την αντίθετη κατεύθυνση. Και τότε ο φίλος μου χρειάστηκε επειγόντως να αναφέρει την πρόοδο του έργου φασματόμετρου μετασχηματισμού Fourier. Εκεί χρειάζεται να ενισχύσει και να ψηφιοποιήσει το σήμα από τον φωτοανιχνευτή. Φυσικά, αυτοί οι φυσικοί έχουν πάντα τα πάντα πολύ ιδιαίτερα: έχουν έναν φωτοαισθητήρα για ένα ειδικό μήκος κύματος και ο ακτινοβολητής είναι ένα λέιζερ. Ως ενισχυτής, ήθελαν να έχουν μόνο τους πιο ακριβείς op-amp, και μάλιστα σε ένα κύκλωμα με αυτόματη βαθμονόμηση μηδενισμού. Αλλά για τον πρώτο «κοράκι» σύντροφο, το πιο απλό μοντέλο φωτοανιχνευτή θα έκανε - έτσι ώστε να έχει κάτι να υποβάλει Είσοδος ADC. Γενικά, αυτή ήταν μια ιδανική αφορμή για να δοκιμάσω διαφορετικούς συνδυασμούς LED σε συνδυασμό με το κλασικό κύκλωμα ενίσχυσης ρεύματος φωτοδιόδουσε έναν φθηνό λειτουργικό ενισχυτή με εισόδους που βασίζονται σε τρανζίστορ εφέ πεδίου σύνδεσης p-n.

Επιλογή ενισχυτή op

Λοιπόν, ναι, το TL072 θα είναι λίγο χειρότερο... αλλά είναι πολλές φορές φθηνότερο σήμερα! 🙂 Η επιλογή έγινε. Εδώ, στην πραγματικότητα, είναι το κύκλωμα του ενισχυτή φωτορεύματος:

Θα επιλέξουμε την τιμή του R ανάλογα με τις συνθήκες. Τα φίλτρα ισχύος μπορεί να μην είναι τόσο απαραίτητα εδώ, αλλά για ακριβείς μετρήσειςκαι/ή θορυβώδες και αδύναμα σήματα- πάντα καλά.

Η πρώτη τηγανίτα είναι κόκκινο-κόκκινο

Πρώτα απ 'όλα, πήρα δύο πανομοιότυπα κόκκινα LED 1,7V με αυξημένη φωτεινότητα. Τους έβαλε μύτη με μύτη. Ο πομπός τροφοδοτήθηκε από τη δική του απλή δοκιμαστική γεννήτρια τετραγωνικών κυμάτων. Το ρεύμα μέσω του πομπού ήταν περίπου 15 mA. Το σήμα αποδείχθηκε πολύ αδύναμο. Για να δω οτιδήποτε χρήσιμο στον παλμογράφο, έπρεπε να γειώσω επειγόντως τη βάση του breadboard και να στρίψω τα καλώδια σήματος.

Η τιμή R ήταν 4,7 MΩ για να διασφαλιστεί ότι όλα θα μπορούσαν να φαίνονται στην έξοδο, κάτι που είχε ως αποτέλεσμα πολύ θόρυβο και πολλές παρεμβολές :)

Δεν θα μπορούσα να το προσφέρω αυτό σε έναν σύντροφο που δεν ήταν ακόμη πολύ έμπειρος στα ηλεκτρονικά ως υλικό για μια επιτυχημένη έκθεση.

Γλυκό ζευγάρι

Το πραγματικό θαύμα συνέβη όταν αντικατέστησα το κόκκινο LED εκπομπής με ένα αφόρητα φωτεινό πράσινο στα 3 βολτ: η αιώρηση του σήματος αυξήθηκε 100 φορές! Αυτό ήταν ήδη εύκολο να ενισχυθεί και ξεδιάντροπο να φανεί.

Στη συνέχεια δοκίμασα αρκετούς ακόμη διαφορετικούς συνδυασμούς LED-εκπομπού/LED-φωτοανιχνευτή. Κατά κάποιο τρόπο δεν εντυπωσιάστηκα με τα ζευγάρια IR - όλες οι επιλογές που είχα σε απόθεμα αποδείχθηκαν πολύ χειρότερες από το πράσινο-κόκκινο γλυκό ζευγάρι. Τα λευκά και μπλε LED ως πομποί ήταν επίσης σαφώς κατώτερα από τα πράσινα σε συνδυασμό με οποιονδήποτε από τους υποψήφιους φωτοανιχνευτές που είχα. Αλλά ένα πορτοκαλί LED με αυξημένη φωτεινότητα 1,7 V παρήγαγε ένα σήμα έως και τρεις φορές μεγαλύτερο, φωτιζόμενο με το ίδιο πράσινο φως όπως στο πρώτο επιτυχημένο πείραμα. Έτσι έμοιαζε το σήμα στην οθόνη ταλάντωσης, R=91KOhm:

Ας επιταχύνουμε

Τα μέτωπα έχουν ήδη κατακλυστεί αισθητά. Οι αιχμές υπέρβασης από τον βρόχο αρνητικής ανάδρασης είναι ορατές. Αλλά εξακολουθεί να είναι ένα όμορφο σήμα, αρκετά κατάλληλο για ένα συγκεκριμένο φάσμα εφαρμογών.

Συνταγή επιτυχίας

Εάν για οποιοδήποτε λόγο χρειάζεστε ένα opto-pair με ανοιχτό κανάλι, αλλά δεν είχα έτοιμη επώνυμη συσκευή στο χέρι, συνιστώ ανεπιφύλακτα να χρησιμοποιήσετε τη συνταγή που μόλις δοκιμάσαμε:

Φωτεινό 3 βολτ πράσινο LEDόπως και εκπόμπος
Απλός πορτοκάλιεπί 1,7V LEDόπως και φωτοανιχνευτήςΕΝΑ
TL071 ή παρόμοιο για ενισχυτή
Η αντίσταση στο κύκλωμα ανάδρασης είναι αρχικά 1 MΩ και μετά επιλέγουμε
Τακτοποιημένη θωράκιση και καθαρή ισχύς

Να είστε γενναιόδωροι!

Εάν βρίσκετε ενδιαφέρον αυτό το θέμα, θα χαρώ να λάβω σχόλια, ερωτήσεις και συμβουλές.

Σκεφτείτε τους φίλους σας: ίσως κάποιος από τον κύκλο σας σε ένα κοινωνικό δίκτυο να βοηθήσει αυτό το άρθρο στη συγγραφή ενός μαθήματος ή στην προώθηση ενός οικιακού έργου για την κατασκευή ρομπότ; Μοιραστείτε τον σύνδεσμο τώρα!

Με θερμούς χαιρετισμούς :)