CC BY
19
УДК 621.372.57
Г.С. Крутчинский
ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРЕЦИЗИОННЫХ ФОТОПРИЁМНЫХ УСТРОЙСТВ
На базе детального исследования предложенной обобщенной структуры фотоприемником непрерывного действия сформулированы топологические особенности минимизации влияния частоты единичного усиления и паразитной емкости фотодиодов, что позволяет алгоритмизировать процедуру структурного синтеза под существующие САПР. Приводятся результаты сопоставительного анализа синтезированных и существующих фотоприемных устройств.
Поиск схемотехнических решений конкретных задач современной радиоэлектроники является актуальной не только практической, но и теоретической задачей. Это объясняется в первую очередь остро стоящей проблемой ликвидации "узких мест", когда повышение качественных показателей сложных технических систем связано с созданием уникальных по своим свойствам аналоговых устройств. Появление и совершенствование аналоговых и аналогово-цифровых БМК сделало такой подход также экономически оправданным. Успехи интегральной оптики, лазерной техники позволяют осуществить прецизионную обработку высокочастотных и сверхвысокочастотных сигналов в реальном масштабе времени методами акусто-оптики [1]. Однако, их практическое внедрение сдерживается отсутствием высокоточных быстродействующих фотоприёмных устройств (ФПУ) с широким динамическим диапазоном [2]. Так выпускаемые ведущими западными фирмами фотоприёмники характеризуются временем преобразования 200-500 не, при динамическом диапазоне около 30 дБ [2]. При этом точность преобразования светового потока в электрический сигнал составляет величину около 3,5% даже в лабораторных условиях, когда изменение температуры приборов не превышает величину ±50С. Детальный анализ принципиальных схем потенциально точных фотоприёмников, приведенный в [3,4], показывает необходимость построения таких устройств на
( ), -
зовать которые на базе макрофрагментарных БМК не представляется возможным. Именно поэтому поиск новых (неэвристических) схемотехнических решений ФПУ является важной практической задачей.
В [5] показано, что установление взаимосвязи свойств электрической цепи с её топологией позволяет разработать набор проблемно-ориентированных алгоритмов и правил, обеспечивающих возможность использования существующих схе-. -сматривать как средство интеллектуализации проектных процедур [6]. Такая постановка задачи предусматривает изучение двух ее основных составляющих. Во, , полноты, гарантирующим, что полученные выводы и правила являются полными и общими для данного класса задач. С этих позиций обобщенная структура представляет собой полный граф, первая группа ветвей которого представляет собой "б^исные структуры", а вторая - связь между ними. Во-вторых, необходимо сформулировать критерии качества, как меру отличия "хороших" структур и прин-. .
Исходя из особенностей непрерывных ФПУ в качестве базисных структур необходимо рассматривать ОУ и ФД, поэтому обобщенная структура может быть представлена в виде совокупности N дифференциальных операционных усилителей и п ЯС-цепей первого порядка, связанных между собой посредством коммута-
,
(рис.1).
Рис.І.Обобщенная структура фотоприемников с дифференциальными операционными усилителями
Здесь емкости и источники тока являются схемой замещения фоточувстви-
тельного элемента, а резисторы Я1, ..., Яп выполняют функции преобразователя
фототока в напряжение. Рассматриваемая обобщенная структура (модель) описывается векторной системой уравнений:
X- = В-У + z = ОХк + СМтм,
X + = В+У + Ь+ Z, У = к- X- + К+ X + (1)
Хк = НУ, ^ = ТУ.
Из этой же системы может быть также получен вектор
V
(Р) Рг (Р)
:Я-
/
V Шфк )
{я,}-1 0 В + {Ц}} ь
-{т}н< тл - Н К !п
, (2)
характеризующий набор передаточных функций устройства на выходах базисных структур ^(р) - передаточная функция на выходе у'-го ОУ,
1фк = [0 • 0 • к • 0 • 0] ,(к=1). В случае использования идеальных компонентов в
фотоприемнике (Пу =^,Т^ = 0) этот вектор передаточных функций может быть
найден из следующего соотношения:
К
и)
К ■
V иг
В ь - н I.
-1
V
{Л,-} I
фк
(3)
поэтому функция передачи идеализированной схемы примет следующий вид:
К = Т ■ (К)), (4)
_ + +
где В=В - В , Ь=Ь - Ь , а и) и П) - статический коэффициент передачи и площадь усиление ОУ.
0
у
Матрица, вектор Размер- ность Физический смысл компоненты матрицы (вектора)
А = к) п X 1 Фототок г'-го ФД
о = { 1 I1 + РТ > п X п Передаточная функция г'-го ФД ( = КгСг )
л = [л,} п X п К, - сопротивление нагрузки г'-го ФД
к +=К;} к -={к;} N X N ) - к; (р)=у, (р)/х - (р), к) (р)=У) (р)1 •
н =1) п X N ) - ОУ к г-му (*),) .
Ь + = а+ Ь- = а- N X п Частные передачи коммутатора с выхода г'-го ФП к инвертирующему (а ) и неинвертирующему (а+ ) входам )-го ОУ.
В + = К В - = К N X N Частные передачи коммутатора с выхода д-го ОУ к инвертирующему (Ь) )и неинвертирующему (Ь+ ) входам )'-го ОУ.
Тк =И ] 1X N Частные передачи коммутатора с выхода )'-го ( ) ОУ.
В общем случае реальную передаточную функцию можно с достаточной степенью точности определить разностью
N п
фр)=К- X дф) (р)-X АФ, (Я (5)
)=1 ,=1
где АФ)(р) и ДФг(р)-приращения передаточной функции, вызванные неидеально) - , - .
, -
рого порядка малости, определяемые взаимным влиянием отдельных ОУ фотопри-.
Применив методику решения аналогичных задач, изложенную в [5], можно получить
Здесь
Дф, (р )=Пгн,р,
н, = [т;о ]
В
- н
и,-
ь
I.
и
(6)
(7)
представляет собой передачу схемы при подключении источника сигнала (ЭДС) непосредственно к неинвертирующему входу у'-го ОУ;
Л
V
В
ь
Н I
и
]
(8)
является передаточной функцией схемы на выходе у-го ОУ при аналогичном подключении источника сигнала.
Т
В приведенных соотношениях векторы Уу = иу имеют только одну единицу на позиции, соответствующей номеру у-го ОУ. Другие их компоненты равны нулю.
Аналогично
При этом
РтіНі =[т о]
Дф. = РТН^ш
I1 + РТФІІ )'
В ь - н
-1
и і Рті Ф іі = v і
В
- н
ь
I.
-1
и,
(9)
(10)
определяются из аналогичных опытов при условии, что источник ЭДС подключается К отключенному ОТ общей ШИНЫ фотоприемнику. Структура векторов Уі и иг-анадогич на V, и и,.
,
N п
И ()= И (оо)- £ и,()- £ кі (), (11)
і =1 І=1
где Иі( \ИІ() - (6) (9) .
Из приведенных соотношений могут быть получены не только частные, но и общие критерии качества фотоприемников. Во-первых, анализом отдельных составляющих ряда можно определить доминирующие, с точки зрения максимизации быстродействия, компоненты схемы. Во-вторых, через соответствующие функции чувствительности легко вычислить не только статическую, но и динамическую погрешности проектируемого устройства. Наконец, и это самое главное, локальные передачи схемы определяют динамический диапазон проектируемого устройства. Действительно, собственный шум схемы в основном определяется активными элементами, спектральная плотность мощности шума схемы определится выражением
V
N , ,о
VPj (j®)| Glj Fa)
j =1
(12)
где Сш. (со) - спектральная плотность экв ивалентной мощности шума ,-го ОУ.
Максимальный уровень выходного напряжения (Ц выхтах) зависит в основном от соответствующей величины активного элемента (Цтах) и “перенапряжений” во внутренних узлах схемы (А):
, (И- Н„
и
— max /
а
А= max<
(13)
Таким образом, уменьшение локальных передач Ну не только повышает , , способствует росту качественных показателей всего устройства. Аналогичный вывод характерен и для влияния любого из фотодиодов. Поэтому минимизацией Ну
можно добиться уменьшения влияния емкости фотодиода на характер переходного .
Для уменьшения локальных передач схемы Ну и Ру при сохранении вектора функций (2) введем дополнительный вектор (п х 1)
^ = [0...%...0]Т,(Юк =< -ю; ) (14)
Тогда структура устройства будет описываться следующей системой уравне-
;
Z = {R }I™ + HY + wx j ,xj =- yj I Kj (p), Y = -B-1LZ; y0 = Hjxj + TY, yj =Щ Y + Fjjxj,
(15)
поэтому
фр)= Fu
1 fj!Hj +h)
Kj tp)1+—F-F+F
K tp) j j
(16)
где
АНу = т[в + ЬИ] ,ЛР]у = V + [Б + ЬИ] *Ш. (17)
Изменение знака в (17), как это видно из (14), достигается за счет дифференциальных свойств активных элементов.
Полученное условие компенсации влияния площади усиления активных элементов характеристики ФПУ не противоречит принципу снижения влияния емко. (1) -нениями, характеризующими введенную компенсирующую обратную связь:
X = БУ + ЬЪ,
X * = НУ Ъ = ОХ* + ОЯТ™ + шХ
хI = -У]/к (Р )’У] = у+У -У = -КХ,
Уо = ТУ.
(18)
Учитывая, что фотодиод подключен к входу операционного усилителя, передача компенсирующей цепи обратной связи будет иметь следующий вид:
1
Мк =
1 + Ртк
0к
(19)
поэтому
И* (р)= И, (р).
1+-
РП (Р)
0г рг
к1 (р:
1+
0к
Ррг (Р)
(20)
Р1 (Р) = Р1 (Р) +
0к
Рр1 (р )Р/ (р)
КI (р )1
+
м0к Кр (р)
Рп (Р)
(21)
где
Р
=(+ :0) я-
Vй IV
(22)
представляет собой передаточную функцию устройства на выходе р-го активного элемента при подаче сигнала на выход 1-го фотодиода. Таким образом, изменением знака компоненты ю0к, как и в случае отрицательного приращения локальных передач, удается уменьшить влияние емкости фотоприемника. Следовательно, полученные топологические условия компенсации влияния паразитных параметров . , собственной компенсации влияния частоты единичного усиления и паразитной емкости фотодиода являются единственными.
Полученный результат позволяет процесс синтеза принципиальной схемы представить в виде последовательности самостоятельных этапов.
На первом этапе проектирования, выполняется анализ базовой структуры ФПУ и определяются доминирующие с точки зрения максимального быстродействия и динамического диапазона параметры компонентов цепи, что в конечном итоге и позволяет определить узел подключения четырехполюсника цепи обратной .
На втором этапе определяется набор дополнительных входов схемы, которые могут потенциально обеспечить положительное возвратное отношение.
На третьем этапе по (7-10) рассчитывается или синтезируется четырехполюсник обратной связи и дифференциальный вход ОУ соединяется с дополнительным .
1
На четвертом этапе осуществляется параметрическая оптимизация полученной схемы и путем анализа определяются ее качественные показатели. Если требуемые параметры не реализуются, то эта схема рассматривается в качестве базовой и процедура синтеза повторяется.
Настоящий алгоритм апробирован при построении принципиальных схем прецизионных фотоприемников с временем преобразования 38 не и динамическом диапазоне от 40 до 70 дБ, при этом погрешность преобразования светового потока в напряжение не превышала 1%.
ЛИТЕРАТУРА
1. Корпел А. Акустооптика.- М.: Мир, 1993. - 238с.
2. Барсак Дж.М. Фотодетекторы для акустооитических систем обработки сигналов // ТИИЭР. - 1981. - Т.69. - Вып.1. - С. 117-137.
3. Тришенков М.А. Фотоприёмные устройства и ПЗС. Обнаружение слабых оптических сигналов. - М.: Радио и связь, 1992. - 400с.
4. Чернов Е.И. Фотоприёмные устройства на основе фотодиодов и их применение / Обзоры по электронной технике. Сер.4. Электровакуумные и газоразрядные приборы. - М.: ЦНИИ «Электроника», 1986. - 46с.
5. Крутчинский СТ. Структурно-топологические признаки АЯС-схем с собственной компенсацией // Известия ВУЗов, сер. «Радиоэлектроника». - 1994. - Т.37. - Вып. 2.
6. Ильин Б.Н. Интеллектуализация САПР // Известия ВУЗов. - 1987.- Т.30. - Вып. 6.
