XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В настоящее время практически невозможно найти область в науке, технике, производстве и нашем быту, в которой не находили бы применение оптико-электронные приборы и системы, используемые либо для измерения количественных характеристик и параметров как физических, так и технологических процессов, либо для управления как бытовой техникой, так и подвижными объектами, либо как охранные устройства и системы сбора, передачи и обработки информации.

При этом в силу ряда положительных свойств оптического излучения такие системы могут решать сложные многофункциональные задачи с высокими характеристиками точности, быстродействия, надежности, пропускной способности и практически неограниченными возможностями математической и логической обработки информации.

В процессе проектирования преобразователей оптического сигнала возникает множество вопросов по выбору элементов схемы для ее надежного функционирования. Основные вопросы связаны с выбором источников и приемников оптического излучения, а также с согласованием их параметров.

1 ВЫБОР ИСТОЧНИКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Даны параметры источника оптического излучения (ИОИ), приведенные в таблице 1.

Таблица 1 – Заданные параметры приемника оптического излучения

Мощность оптического излучения источника, P, мВт	Полный угол излучения источника, φ, угл. градус	Прямое постоянное напряжение источника, Uпр, В
3	25	1,65

Ближайшими по значению параметрами обладают полупроводниковые излучающие диоды марки ЛИР (ПИД ЛИР), важнейшие характеристики которых приведены в таблице 2 [1].

Таблица 2 – Электрические и оптические характеристики ПИД ЛИР (T_{окр. среды} = 25ºС)

Параметр	Обозначение	Условия измерения	Значение	Единицы измерения
Сила излучения	I	Iпр = 20 мА	20	мВт/ср
Мощность оптического излучения	P	Iпр = 20 мА	3	мВт
Полный угол излучения	φ	Iпр = 20 мА	25	угл. град
Прямое постоянное напряжение	Uпр	Iпр = 20 мА	1,65	В
Обратное постоянное напряжение	Uобр	Iобр = 20 мкА	5	В
Время включения/выключения	tτ/f	Уровень 0,1-0,9	30	нс
Спектральный максимум излучения	λmax	Iпр = 20 мА	880	нм

Примечание: I_пр – прямой ток ПИД,

I_обр – обратный ток ПИД.

Габаритные размеры ПИД марки ЛИР показаны на рисунке 1 [1].

а)	б)
Рисунок 1 – Внешний вид (а) и габаритные размеры (б) ПИД марки ЛИР

2 ВЫБОР ПРИЕМНИКА ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Дан следующий параметр приемника оптического излучения (ПОИ): эффективная фоточувствительная площадь элемента, равная 3,5 мм². Исходя из этого, в качестве приемника следует выбрать кремниевый фотодиод КДФМ2-02 [1], основные параметры которого приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Основные параметры кремниевого фотодиода КДФМ2-02

Характеристика	Условия измерения	Значение	Единицы измерения
Область рабочих температур		-60..+85	ºС
Темновой ток	Uпит = 10 В	1(<10)	нА
Спектральный диапазон		400-1100	нм
Емкость элемента	f = 1 МГц,Uпит = 0 В	<55	пФ
Фототок	Uпит = 5 В, Eэ = 0,5 мВт/см2	12(>9)	мкА
Размер чипа		2,8×3,2	мм
Число элементов		2
Размер фоточувствительного элемента		1,7×1,7	мм
Межэлементный зазор		0,2	мм

Примечание: U_пит – напряжение питания ПОИ,

f– частота модуляции,

E_э – эталонная облученность ПОИ.

Внешний вид выбранного приемника оптического излучения представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Внешний вид ПОИ марки КДФМ2-02

3 ВЫБОР РЕЖИМА РАБОТЫ СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ

Выбранный фотодиод необходимо включать в фотогальваническом режиме. Типовой схемой включения фотодиода в таком режиме является схема с использованием операционного усилителя (рисунок 3), где операционный усилитель выполняет роль преобразователя фототока в выходное напряжение.

Рисунок 3 – Схема подключения ФД в фотогальваническом режиме к ОУ

Выбор операционного усилителя производится по критериям максимального значения коэффициента усиления, максимально допустимого значения выходного напряжения и минимального значения температурного коэффициента напряжения смещения «нуля» (см. приложение А). Параметры подходящего операционного усилителя К551УД1 приведены в таблице 4.

Таблица 4 – Параметры ОУ К551УД1

Uпит, В	Uпит ном, В	К0, ×103	Iп, мА	Uсм, мВ	ТКUсм, мкВ/К	I1, нА	∆I1, нА	Uдф max, В	Uсф max, В	Ксф, дБ	f1, МГц	VU, В/мкс	Umax, В	R2m min, кОм	Rвх, МОм
2×(5..16,7)	2×15	500	5	1,5	5	100	20	5	13,5	100	0,8	0,01	10	2	1

Примечание: U_пит – напряжение питания,

U_{пит ном} – номинальное напряжение питания,

К₀ – максимальный коэффициент усиления,

I_п – потребляемый ток,

U_см – напряжение смещения «нуля»,

ТКU_см – температурный коэффициент напряжения смещения «нуля»,

I₁ – входной ток,

∆I₁ – разностной входной ток,

U_дф max – допустимое значение дифференциального входного напряжения,

U_сф max – допустимое значение синфазного входного напряжения,

К_сф – коэффициент ослабления синфазного сигнала,

f₁ – частота единичного усиления,

V_U – скорость увеличения выходного напряжения,

U_max – наибольшая амплитуда выходного напряжения,

R_2m min – наименьшее сопротивление нагрузки,

R_вх – входное сопротивление.

4 РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК СХЕМЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА НА ОСНОВЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ

В схеме подключения фотодиода в фотогальваническом режиме к операционному усилителю R_ос – это сопротивление резистора в цепи обратной связи. Его максимальное значение должно удовлетворять условию (1):

, (1)

где S_i = 7×10^-6 А/Вт – токовая чувствительность фотодиода,

Ф_emax = 17,76×10^-6 Вт – максимальное значение потока излучения в рабочем диапазоне (см. пункт 5).

Следовательно, максимально допустимое значение сопротивления обратной связи рассчитывается по формуле (2):

. (2)

При больших значениях сопротивления R_ос (более 1 МОм) напряжение сигнала на выходе операционного усилителя и входное сопротивление преобразователя «ток – напряжение» (являющееся эквивалентным сопротивлением нагрузки фотодиода) определяются выражениями (3) и (5):

. (3)

Из формулы (3) следует, что сопротивление обратной связи вычисляется следующим образом:

. (4)

(5)

Зависимость относительного изменения сигнала на выходе от величины нестабильности коэффициента усиления операционного усилителя ∆K₀ вычисляется по формуле (6):

(6)

где ∆K₀ = 0,01K₀.

Минимальное сопротивление цепи обратной связи операционного усилителя определяется из условия (7):

(7)

где e = 1,6×10^-19 Кл – заряд электрона,

I_т – темновой ток ФД,

k = 1,38×10^-23 – постоянная Больцмана,

T = T_R= T_{окр. среды} = 25ºС = 298 К – температура резистора (окружающей среды),

R_д = 2×10⁹ Ом – динамическое сопротивление ФД в рабочей точке ВАХ.

Следовательно,

, (8)

Напряжение шума на выходе операционного усилителя определяется выражением (9):

, (9)

где e_{ш у} = 5×10^-8 В/Г^1/2 – спектральная плотность напряжения шума усилителя,

i_{ш у} = 2×10^-14 А/Г^1/2 – спектральная плотность шумового тока усилителя,

i_{ш фд} – плотность шумового тока ФД,

i_Rос – плотность шумового тока сопротивления резистора.

Зависимость вольтовой чувствительности S_v от частоты определяется выражением (10). График зависимости представлен на рисунке 4.

, (10)

где С_ос = 10×10^-12 Ф – паразитная емкость монтажа в цепи обратной связи.

Рисунок 4 – График зависимости вольтовой чувствительности от частоты

5 РАСЧЕТ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ, СОЗДАВАЕМОГО ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ ИСТОЧНИКА, И МАКСИМАЛЬНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ПОТОКА ИЗЛУЧЕНИЯ, ПОПАДАЮЩЕГО НА ПРИЕМНИК ОПТИЧЕСКОГО СИГНАЛА

Поток излучения, формируемый передающей оптической системой, зависит от многих параметров как источника, так и самой системы.

На рисунке 5 показана структура лучей передающей оптической системы, выполненной в виде объектива Об₁ и расположенного в его фокальной плоскости источника оптического излучения.

Рисунок 5 – Структура пучков лучей, создаваемых ПОС

Примечание: D₁ – диаметр выходного зрачка объектива,

D_ист – диаметр диафрагмы за излучающей поверхностью ИОИ,

σ_А – апертурный угол ПОС,

σ’_A’ – задний апертурный угол ПОС (апертурный угол ПОС со стороны пространства изображений),

ω – угловое поле объектива и расходимость пучков лучей,

f₁ – фокусное расстояние объектива коллиматора,

М₀ – точка формирования пучка лучей ПОС,

p₀’ – расстояние, на которое M₀ удалена от выходного зрачка ПОС,

l– расстояние от выходного зрачка объектива ПОС до перпендикулярной оптической оси площадки, на которой определяется поток излучения,

E_e– распределение облученности на исследуемой площадке,

G– внеосевая точка,

β’ – угол между оптической осью и линией от центра выходного зрачка до точки G,

зона А – зона, в которой отсутствует виньетирование ИОИ оправой объектива ПОС (облученность в сечениях, перпендикулярных оптической оси, постоянна и не зависит от расстояния l),

зона В – зона, в которой виньетирование отсутствует лишь в пределах круга диаметром D_п.

В данной работе расчет потока излучения будет производиться для зоны А.

Диаметр пятна равномерной облученности D_ПА и фокусное расстояние объектива находятся из системы уравнений (11):

(11)

где D_ист = 2,2 мм,

D₁ = 4D_ист = 4×2,2 = 8,8 мм,

l = 10 мм,

σ_А = 0,5φ = 0,5×25 = 12,5º.

Из системы уравнений (11) следует:

Облученность E_e, создаваемая передающей оптической системой в точках, лежащих на оптической оси в зоне А, вычисляется по формуле (12):

(12)

где τ_пос, τ_с – коэффициенты пропускания ПОС и среды распространения оптического излучения,

τ_пос×τ_с = τ = 0,95,

L – энергетическая яркость ИОИ.

Яркость L вычисляется из формулы (13):

, (13)

где K_пид = 1 – коррекционный множитель.

Поток излучения, создаваемый оптической системой источника, определяется по формуле (14):

, (14)

где А = 1,7×1,7 мм – площадь фоточувствительного элемента ПОИ.

Максимальная величина потока излучения, попадающего на приемник оптического сигнала, определяется по формуле (15):

, (15)

6 СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ

На рисунке 5 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя оптического сигнала.

Рисунок 5 – Схема электрическая принципиальная

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коротаев В. В. и др. Оптико-электронные преобразователи линейных и угловых перемещений / В. В. Коротаев, А. В. Прокофьев, А. Н. Тимофеев // Учебное пособие. Часть 1. – Санкт-Петербург, 2012.

Код для цитирования: Скопировать