Источники и приемники оптического излучения

2000

Для определения уровня собственных шумов оптимального ПИ выберем следующие типы из |1|. Характеристики выбранных ПИ приведены в табл.1.

Таблица 1.

Уровень собственных шумов ПИ определяется в полосе частот, которая задана верхней f_в и нижней f_н граничными частотами. Расчет уровня собственных шумов ПИ произведем по формуле :

, (1.1)

где S_U,ИИ - интегральная вольтовая чувствительность ;

А_Ч.П. - площадь чувствительной поверхности ПИ;

D_max^* - оптимальная обнаружительная способность;

f_в - верхняя граничная частота;

f_н - нижняя граничная частота;

f₁ - частота, на которой токовый шум сравнивается с остальными

шумами.

Интегральная вольтовая чувствительность должна быть раcчитана в энергетических S_U,ИИ,Е и в световых величинах S_U,ИИ,V . Формулы расчета вольтовой чувствительности в световых и энергетических величинах приведены ниже:

, (1.2)

, (1.3)

где S_max - максимальная абсолютная спектральная чувствительность;

m_ии() - спектральная плотность светимости ИИ;

S() - спектральная чувствительность ПИ;

V() - относительная спектральная световая эффективность.

Максимальная абсолютная спектральная чувствительность находится по формуле:

, (1.4)

где m_Т() - спектральная плотность светимости для черного тела (Т=2100К).

Спектральная плотность светимости ИИ и ПИ определяется по формуле Планка:

, (1.5)

где С₁=3,74210^-16 Втм²;

С₂=1,43910^-2 мК;

- длина волны;

Т - температура.

Величину S_U,T можно определить по формуле:

, (1.6)

где S_u⁰ - удельная вольтовая чувствительность ПИ; U_фр - напряжение приложенное к ПИ; Напряжение на фоторезисторе определим по формуле:

, (1.7)

где p⁰ - удельная рассеиваемая мощность;

R_Т - темновое сопротивление ПИ.

Подставляя исходные данные и данные из табл.1 в формулы (1.6) и (1.7) получим:

для PbSe:

В

В/Вт

для PbS:

В

В/Вт

В формулах (1.2) - (1.4) заменим интегрирование на суммирование, в результате получим:

, (1.8)

, (1.9)

, (1.10)

где _i - излучательная способность вольфрама при длине волны _i;

- интервал длин волн при суммировании;

- постоянная Больцмана (=5,6710^-8 Втм^-2К^-4);

Т_а.ч.п. - температура АЧТ, по отношению к которой определена чувствительность.

Графики относительной спектральной чувствительности обоих ПИ приведены на рис.1.

Рис.1 Графики относительной спектральной чувствительности ПИ PbSe и PbS.

График спектрального коэффициента излучения вольфрама для рабочей температуре источника излучения ИИ (Т= 2100 К) приведены на рис 2. Кривая относительной спектральной световой эффективности приведена на рис.3.

Рис. 2 График спектрального коэффициента излучения вольфрама для рабочей температуры источника излучения ИИ (Т= 2100 К)

Рис.3 Кривая относительной спектральной световой эффективности

Подставляя численные данные в формулы (1.5), (1.8)-(1.10) получим:

1) Пример расчета для PbS:

Вт/м³

Вт/м³

Вт/м²

m_ии,S= 0,460110^-2= 8.54110⁴ Вт/м³

m_ии,= 0,460= 8.541 10⁶ Вт/м³

m_ии,V== 0,460 410^-5 = 1.323 10⁴ лм/м³

m_Т, S=6.85610^-20110^-2= 6.85610^-22 Вт/м³

Результаты расчетов приведены в табл.2 - 4. Суммирование произведений m_ии,S_, m_ии,, m_Т, S производилось через интервал =100 нм. Суммирование произведений m_ии,V производилось через интервал =10 нм. Т.о. используя данные табл.2-4 получим следующее:

В/Вт

В/Вт

В/лм

2) Пример расчета для PbSe:

Вт/м³

Вт/м³

Вт/м^2,

m_ии,S= 0,460110^-2=1.033 10³ Вт/м³

m_ии,= 0,460= 8.541 10⁶ Вт/м³

m_ии,V== 0,460 410^-5 = 1.323 10⁴ лм/м³

m_Т, S= 8.29610^-201.210^-2=8.29610^-22 Вт/м³

Результаты расчетов приведены в

табл.2 - 4.

Суммирование производилось аналогично PbS. Т.о. используя данные табл.2-4 получим следующее:

В/Вт

В/Вт

В/лм

Таблица 2.

Таблица 3.

Таблица 4.

Подставляя полученные значения в (1.1) рассчитаем напряжение собственных шумов ПИ:

1) для

PbSe:

В²

В

В²

В

2) для

PbS:

В²

В

В²

В

Выберем из этих двух ПИ тот приемник, у которого напряжение шума наименьший, т.е. выбираем фоторезистор PbSe.

2. Определение минимального значения потока источника излучения (ИИ) и освещенности на чувствительной поверхности ПИ

3.2 Расчет схем предварительных усилителей

Т.к. сопротивление R_г=1,5 Мом > 10 кОм выбираем схему предварительного усилителя на полевом транзисторе.

3.2.1 Усилитель на полевом транзисторе (ПТ)

Строим предварительный усилитель на ПТ типа КП303Г. Он имеет следующие параметры согласно |3|:

I_с,нач.=3…12 мА;

I_з,ут.=0,1 нА;

S|_Uзи=0=3…7 мА/В;

-U_отс.<8 В;

U_си,max=25 В;

U_зи,max=30 В;

U_зс,max=30 В;

C_зи=6 пФ,

С_прох=2 пФ

Выбираем, согласно этим параметрам, I_c,нач=7,5 мА, S=5 мА/В. Тогда U_отс, которое определяется по формуле

(3.6)

будет равняться

В

Определим величину I_c для R_г=1,5 МОм. На низких частотах R_г определяется по следующей формуле:

, (3.7)

где _т - тепловой потенциал _т=25 мВ;

S - крутизна;

. (3.8)

Преобразуя формулы (3.7) и (3.8) найдем I_с:

= , (3.9)

Подставляя значения получим:

= = 5.3 мкА

Схема предварительного усилителя ПТ приведена на рис.6.

Рис.6.

а) Расчет температурной стабильности.

Выбираем:

мВ/К;

%/К.

Тогда при отрицательной обратной связи от стокового резистора, получаем:

, (3.10)

, (3.11)

тогда по формуле (3.10):

. (3.12)

Подставляя численные данные в формулу (3.12) получаем:

В

б) Выбор рабочей точки.

Выбираем напряжение источника питания равным:

Е_п=(0,8…0,9)U_си,max=0,8U_си,max, (3.13)

Используя справочные данные получим:

Е_п=0,825=20 В

Тогда напряжение питания схемы:

U_п=(0,8…0,9)Е_п=0,8 Е_п, (3.14)

U_п=0,820=16 В.

Выбираем U_си=5 В. Тогда U_Rc равно:

U_Rc=U_си+U_Rи, (3.15)

U_Rс=5+1=6 В.

Напряжение U_зи для I_с=5.3 мкА найдем из формулы :

, откуда

. (3.16)

Подставляя значения имеем :

В

Т.о. получаем U_зи= -2.9 В. Тогда U_Rз равно:

U_Rз=U_зи+U_Rи, (3.17)

U_Rз=-2.9+1=-1.9 В.

в) Расчет сопротивлений и коэффициента усиления.

Выбираем сопротивление затвора из условия R_з=10R_г.

R_з=101,510⁶=1510⁶ Ом = 15 МОм.

Сопротивление стокового резистора определяется по формуле:

, (3.18)

Ом

Сопротивление R_и определяется следующим образом:

R_и=U_Rи/I_c, (3.19)

R_и=1/5.310^-6=188 кОм

Сопротивление резистора фильтра в цепи питания определяется как:

, (3.20)

кОм

Входное сопротивление усилителя:

R_вх=R_з=15 Мом

Выходное сопротивление со стороны стока:

, (3.22)

где |_{Uзи=2 В}, (3.23)

Используя выходную характеристику транзистора КП303Г, приведенную на рис.7 , находим:

МОм.

Подставляя численные значения в формулу (3.22), получаем:

кОм

Рис.7 Выходная характеристика транзистора КП303Г.

Выходное сопротивление со стороны истока равно

, (3.24)

где r_и=1/S.

По формуле (3.8) определим крутизну для I_c=10 мкА.

А/В.

Тогда r_и=1/2.7410^-4=7.52 кОм.

кОм

Из ряда Е24 выбираем следующие сопротивления:

R_з=15 МОм; R_с=2.0 МОм; R_и=200 кОм; R_ф,п=750 кОм.

Коэффициент усиления определяется по формуле:

К_u=SR_вых,с, (3.25)

К_u=1.3310^-465510³=87.

г) Проектирование фильтров.

На входе усилителя паразитная емкость , входная и проходная емкости транзистора образуют фильтр низких частот. Его частота среза определяется как:

, (3.26) где

С_вх= С_параз+С_зи+С_прох К_u . (3.27)

Подставляя значения в формулы получим:

С = 90 10^-12+6 10^-12+2 10^-12 87 = 270 пФ.

= 432 Гц

Т.к. F_с,фнч<9 кГц ,

то данный фильтр будет влиять на работу схемы.

Определим емкости конденсаторов фильтра верхних частот (ФВЧ):

, (3.28)

, (3.29)

где Гц.

Т.о. получаем:

пФ.

пФ.

Определим емкость конденсатора фильтра нижних частот (ФНЧ):

, (3.30)

Где

кГц.

Получаем:

Ф

Расчет емкости конденсатора в цепи истока

, (3.31)

Выбираем

, (3.32)

мкФ

Определим емкость конденсатора в фильтре цепи питания:

, (3.33)

Берем , (3.34)

нФ

Из ряда Е24 выбираем: С_р,1=15 пФ; С_р,2=75 пФ; С_фнч=2.4 10^-11 Ф; С_и=0.24 мкФ; С_ф,п=15 нф.

д) Расчет малосигнального режима. Максимальный сигнал на входе:

, (3.35)

где К_нч - коэффициент нелинейных искажений.

Выберем К_нч=0,1. В итоге, подставив численные значения, получим:

В

Т.к. напряжение сигнала U_c=5,0110^-4 В и U_c<<U_вх,max, то режим малосигнальности не нарушается.

Оценим шумовые характеристики усилителя. Для этого вычислим фактор шума по формуле:

(3.36)

Т.к. фактор шума F=1,08, то схема усилителя практически не шумит. Отношение сигнал/шум на выходе усилителя определяется следующим образом:

, (3.37)

Т.к. по условию , то:

3.2.2 Предварительный усилитель на операционном усилителе (ОУ)

Схема предварительного усилителя на ОУ изображена на рис.9.

Рис.9.

Из |4| по наименьшему коэффициенту шума для R_г=1,5 МОм выбираем операционный усилитель 140УД8. Он имеет следующие параметра:

Коэффициент усиления К_u'=2510³;

Коэффициент ослабления синфазного сигнала К_о.с.=80 дБ;

Входной ток I_вх=0,05 нА;

Разностный входной ток I_р=0,02 нА;

Потребляемый ток I_п=3 мА;

Диапазон напряжения питания U_п=15В.

Рассчитаем элементы схемы предварительного усилителя.

Сопротивление резистора в цепи обратной связи равно:

, (3.38)

Где

С=С_параз+С_ос

С_ос=10 пФ, С_параз=90 пФ; С=90+10=100 пФ.

В итоге:

МОм

Емкости конденсаторов ФВЧ равны:

, (3.39)

где Гц.

7 Ом;

0.16 нФ

, (3.40)

где R_вых,ОУ<<R_н,с,, поэтому:

, (3.41)

R_н,с выбрали равным 10 кОм, в результате получим:

нФ

Конденсаторы С_ф⁺, С_ф^- выбираем с номинальным значением емкости 47 нФ и 68 нФ соответственно. Диоды VD1 и VD2 выбираем типа КД522. Из ряда Е24 выбираем: R_ос=0.18 МОм; С_р,1=0.16 нФ; С_р,2=25 нФ.

Эквивалентная схема предварительного усилителя на ОУ изображена на рис.10.

Рис.10

Входной ток схемы равен:

I_вх=U_с/R_г (3.42)

I_вх=5.0110^-3/1,510⁶=3.4 нА

Напряжение сигнала на выходе схемы:

U_с,вых=-I_вхZ_ос, (3.43)

Где

, (3.44)

т.к. R_ос<<X_ос, то Z_ос=R_ос

и сигнал на выходе:

U_с,вых=-I_вхR_ос, (3.45)

U_с,вых=3.410^-90.17610⁶=0.598 мВ.

Напряжение шума генератора на выходе предусилителя:

, (3.46)

где , (3.47)

f=f_в-f_н.

В |4| отсутствует экспериментальная зависимость шумового тока от частоты для усилителя с полевым транзистором на входе 140УД8. Это объясняется тем, что шумовой ток такого усилителя трудно измерить из-за его малого значения. Можно лишь отметить, что в диапазоне частот 10 Гц…100 кГц значение I_ш,f усилителя типа 140Уд8 меньше чем 0,510^-5 нА/ Гц.

Из выше сказанного следует, что в диапазоне частот f=910³-0,910³=0,8110³ Гц значение I_ш,f=0,510^-5 нА/ Гц. Тогда согласно формуле (3.42) I_ш,f,ОУ=0,510^-5 нА/ Гц.

Из |4| зависимость шумового напряжения ОУ 140УД8 от частоты приведена на рис.11. Из рис.11 определим U_ш,f,ОУ по формуле:

(3.48)

В данной формуле заменим интегрирование на суммирование с f'=900 Гц. Тогда в диапазоне частот от

f_н=0,910³ до f_в=910³ Гц

получим формулу вида:

. (3.49)

Данные для расчета по формуле (3.44) приведены в табл.5.

Таблица 5.

Подставляя полученное значение в формулу (3.49) получим:

4.547 мкВ

Определим напряжение шума генератора на выходе предусилителя по формуле (3.46):

60.1мкВ.

Найдем отношение сигнал/шум на выходе усилителя на ОУ:

N=U_с,вых/U_ш,вых, (3.45)

в результате получаем:

N=0.59810^-3/60.110^-6=9,95

Заключение

В данной курсовой работе рассчитали уровень собственных шумов двух выбранных ПИ (фоторезисторов на основе PbSe и PbS). Получили следующие значения:

Для PbSe: шум оптимальный освещенность усилитель

В

В

Для PbS:

В

В

Лучший из этих двух ПИ - фоторезистор на основе PbS, т.к. он имеет минимальный уровень собственных шумов.

Для оптимального ПИ (PbS) определили минимальное значение потока ИИ и освещенности на чувствительной поаерхности ПИ в энергетических и световых величинах:

Вт

лм

Вт/м²

лк

Рассчитали схему включения ПИ. Определили напряжение источника питания Е_п=130 В, рассчитали фильтр и определили номиналы сопротивлений и конденсаторов из ряда Е24. Определили эквивалентное сопротивление генератора R_г=1,5 МОм.

Рассчитали схемы предварительных усилителей на одиночном транзисторе и ОУ. Выбор транзистора осуществлялся по R_г. Т.к. R_г=1,5 МОм>10 кОм, то строим схему предварительного усилителя на полевом транзисторе. Фактор шума такой схемы равен 1,08. Задаваясь отношением сигнал/шум на входе N_вх=10 рассчитали отношение сигнал/шум на выходе N_вых=9,62.

Для схемы предварительного усилителя на ОУ получили при N_вх=10 отношение сигнал/шум на выходе схемы N_вых=9,95. Т.е. предварительный усилитель на ОУ практически не шумит.

Список литературы

Григорьев А.А. Методические указания к курсовому проекту по курсу "Физические основы оптико-электронных приборов". -М., МЭИ,1986.

Малышев В.И. Введение в экспериментальную спектроскопию. -М., Наука, 1979.

Транзисторы для аппаратуры широкого применения. Справочник. К.М. Брежнева, Е.И. Гартман, Т.И. Давыдова и др. Под ред. Б.Л. Перельмана. - М: Радио и Связь, 1981.

Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых микросхем. - М.: Радио и связь, 1985.

Мирошников М.М. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Учеб. пособие для приборостроительных ВУЗов. - Л.: Машиностроение, 1983.

Размещено на Allbest.ru