УДК 621.314
ЛОГАРИФМИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ФОТОТОКА С ТЕМПЕРАТУРНОЙ СТАБИЛИЗАЦИЕЙ
THERMALLY STABILIZED LOGARITHMIC CONVERTER OF THE PHOTODIODE CURRENT
Морозов Виталий Пантелеймонович
д-р техн. наук, вед. научн. сотрудник E-mail: morbe@mail.ru
Бабаян Роберт Рубенович
д-р техн. наук, зав. лабораторией E-mail: robab@ipu.rssi.ru
Институт проблем управления РАН им. В. А. Трапезникова, г. Москва
Аннотация: Приведены краткое описание и схема аналогового логарифмического функционального преобразователя для воспроизведения сигналов фотодиода. Предложено существенно снизить температурную погрешность, характерную для таких устройств, путем реализации нелинейности в цепи обратной связи операционного усилителя в виде термостабили-зированного набора транзисторов, постоянная температура подложки которого поддерживается с помощью отдельного стабилизирующего контура.
Ключевые слова: фототок, логарифмический преобразователь, операционный усилитель, нелинейная обратная связь, температурная стабилизация.
Morozov Vitaly P.
D. Sc. (Tech.), Leading Researcher E-mail: morbe@mail.ru
Babayan Robert R.
D. Sc. (Tech.), Head of Laboratory E-mail: robab@ipu.rssi.ru
V. A. Trapeznikov Institute of Control Sciences of Russian Academy of Sciences, Moscow city
Abstract: Analog logarithmic photocurrent converter is briefly described. It is proposed to decrease substantially inherent temperature error by use of transistor array with temperature stabilized substrate as a nonlinear feedback element.
Keywords: operational amplifier, nonlinear negative feedback, temperature stabilization.
ВВЕДЕНИЕ
При тестировании экспериментальных полупроводниковых структур характеризующие их параметры, подлежащие измерению (обычно это напряжения или токи), могут в ряде случаев изменяться в весьма широких пределах [1]. Например, при изучении зависимости эффективности оптоэлектронных из-лучательных структур от состава, температуры, тока возбуждения или в процессе подбора параметров герметизирующих покрытий приходится измерять меняющийся на 45 порядков ток, зависящий от интенсивности облучения фотоприемника.
Весьма линейной зависимостью выходного сигнала от интенсивности падающего потока обладают широко используемые для фотометрических измерений фотодиоды (ФД), в частности, со структурой p-i-n. Известны ФД (например, НР-5082-4204 компании Hewlett Packard), линейно реагирующие на изменения интенсивности излучения в диапазоне около 100 дБ [2].
Однако, поскольку выходной сигнал ФД (ток, пропорциональный мощности падающего излучения), как правило, весьма слаб, он перед дальнейшим преобразованием в удобную для измерений форму требует значи-
тельного усиления. При этом проблемой может оказаться широкий диапазон изменения фототока и связанная с этим необходимость переключения диапазонов измерения выходного регистратора. С целью упрощения аппаратуры и процесса измерений предлагается использовать логарифмическое функциональное преобразование выходного сигнала фотодиода и модифицировать схему аналогового формирователя, осуществляющего такое преобразование в условиях изменяющейся температуры окружающей среды.
Для получения требуемой передаточной характеристики в аналоговых логарифмических
преобразователях или так называемых логарифмических усилителях может применяться полупроводниковый диод как элемент цепи отрицательной обратной связи (ООС) операционного усилителя (ОУ).
Известно, что зависимость прямого тока через диод от приложенного напряжения, выражающаяся формулой /пр = = /о( еи/фт — 1), где /о — обратный ток диода, и — напряжение на диоде, ф-р — температурный потенциал (25,6 мВ при 300 К), после некоторых упрощений может быть разрешена относительно напряжения следующим образом: и = фТ 1п(/пр//о). При непосредственном включении диода в цепь ООС напряжение и будет соответствовать выходному напряжению ОУ, а /пр — выходному току ОУ. При этом /пр
с обратным знаком равняется входному току, поступающему на вход преобразователя от ФД, и компенсирует его для получения близкого к нулю потенциала в точке суммирования токов (на инвертирующем входе ОУ). Таким путем осуществляется логарифмическое преобразование входного тока преобразователя в его выходное напряжение с коэффициентом ф-р. Однако величина фр = kT/q (к — постоянная Больцмана, q — заряд электрона) обуславливает сильную зависимость коэффициента преобразования диодного лога-рифматора от абсолютной температуры Т, что и делает необходимым модификацию преобразователя с целью ослабления влияния окружающей температуры на точность измерений.
СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ
Из приведенных выше зависимостей следует, что получение стабильных отсчетов в диодном логарифмическом преобразователе рассмотренной структуры требует введения температурной стабилизации чувствительного элемента.
Достижению этой цели в предлагаемой схеме преобразователя служит контур стабилизации температуры подложки интегральной схемы. Одним из элементов, размещенных на этой подложке, является диод в цепи обратной связи ОУ, определяющий характеристику преобразования.
Логарифмический преобразователь — двухкаскадный (рис. 1). Операционный усилитель А1 с транзистором Т1,
Рис. 1. Принципиальная схема преобразователя
44
вепвогв & Эувгетв • № 8.2015
включенным в цепь ООС по схеме с общей базой, преобразует ток ФД в выходной сигнал в виде напряжения, реализуя при этом логарифмическую передаточную функцию. Отметим, что вольтамперная характеристика биполярного транзистора в таком включении аппроксимирует экспоненту более точно, чем у обычных диодов. Конденсатор С1 обеспечивает устойчивость ОУ при изменении коэффициента передачи цепи ООС в широких пределах.
Чувствительный элемент ФД1, работающий в фотодиодном режиме, обратно смещен напряжением +10 В от источника эталонного напряжения СН1 типа AD581 [3]. Этим же напряжением определяется ток эмиттерного перехода транзистора Т2; ОУ А3 с цепями обратной связи обеспечивает подавление высокочастотных помех, масштабирование сигнала, установку нуля и точную установку необходимого дополнительного усиления.
Операционный усилитель А2 и связанные с ним компоненты образуют контур обратной связи для поддержания на заданном уровне температуры используемого в качестве датчика транзистора Т2, а вместе с ним и температуры подложки, на которой размещены транзисторы Т1...Т5 интегральной транзисторной матрицы.
Транзистор Т3 служит нагревателем; резистор R4 в цепи его эмиттера определяет максимальный ток, и, следовательно, максимальную интенсивность нагрева. Поскольку размер кристалла транзисторной матрицы невелик, фактически в данной структуре осуществляется стаби-
Рис. 2 Расположение транзисторов на подложке микросхемы СА3096
лизация температуры всех элементов интегральной схемы, в том числе и транзистора Т1. Транзисторы Т4 и Т5, включенные диодами, предотвращают переход в нелинейные режимы.
Транзисторы, входящие в контур температурной стабилизации выбраны так, чтобы их расположение на подложке позволяло минимизировать колебательность процесса регулирования температуры вследствие запаздывания теплопередачи от датчика к нагревателю. Если при разводке схемы на печатной плате с использованием транзисторов, находящихся на обозначенных в схеме позициях (см. нумерацию на рис. 2), демпфирование колебаний в процессе регулирования окажется недостаточным, придется увеличить постоянную времени регулятора. С этой целью емкость конденсатора С2 в цепи отрицательной обратной связи ОУ А2 может быть повышена, а интег-
ральное звено регулятора преобразовано в инерционное путем включения параллельно С2 резистора сопротивлением до 1 МОм.
Питание всех ОУ осуществляется двуполярным напряжением ±15 В от внешнего источника со стабильностью выходного напряжения не хуже 1 %.
Основной элемент, определяющий метрологические характеристики преобразователя, — фотоприемник инфракрасного излучения. Для тестирования излучателей, участвовавших в эксперименте, в качестве чувствительного элемента преобразователя был применен ФД типа BPW24R компании ^Иау со структурой p-i-n и максимумом спектральной чувствительности на длине волны 870 нм. На волнах 700 и 1000 нм чувствительность составляет 0,7 от максимума [4].
Матрица транзисторов Т1—Т5 — типа СА3096. При замене на отечественные аналоги следует иметь в виду, что входящие в состав матрицы два транзистора с проводимостью p-n-p при соответствующих изменениях в схеме могут быть заменены на транзисторы n-p-n или обычные диоды с допустимым значением прямого тока не менее 10 мА. Усилители А1, А3 входят в состав одной микросхемы — сдвоенного ОУ типа ОРА2241, усилитель А2 — типа 140УД17. Потенциометры R3 и R11 — проволочные, многооборотные. Все резисторы, кроме R4, R5, R6 типа С2-29 с допуском 0,1 %.
Налаживание устройства целесообразно начать с настройки контура термостабилизации, предварительно соединив
базу ТЗ с общим проводом. Затем с помощью потенциометра R3 напряжение на инвертирующем входе А2 устанавливается на 45 мВ выше, чем на неин-вертирующем. Это соответствует заданию рабочей точки системы автоматического регулирования температуры на уровне перегрева над окружающей средой около 20 °С. После отсоединения базы ТЗ от общего провода температура матрицы транзисторов, включая Т1, начинает увеличиваться и затем стабилизируется на заданном регулировкой R3 уровне.
Поместив ФД в условия полной темноты, с помощью потенциометра R11 требуется скомпенсировать воздействие тем-нового тока, чтобы напряжение на выходе A3 точно равнялось
0 В. Затем следует осветить ФД или электрически имитировать мощность падающего излучения
1 мВт и потенциометром R10 установить сигнал на выходе A3 равный 10 В. Далее целесообразно измерить суммарное сопротивление в цепи обратной связи A3, заменить резисторы R9 и R10 ближайшим меньшим из ряда Е36 и включить последовательно многооборотный под-строечный резистор для точной подгонки к измеренному значению. Эта процедура будет способствовать достижению необходимой временной стабильности. Уменьшив мощность падающего светового потока на входе до 0,1 мВт, можно измерить отрицател
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.