PROM2PROM - кабинет для закупа электронных компонентов

К вопросу об улучшении линейности фототранзисторов

Texas Instruments TL072 TL082 TLC2272

К вопросу об улучшении линейности фототранзисторов

На днях ко мне обратился сосед по садовому участку с просьбой порекомендовать схему фотоприемника, который бы не реагировал на внешнюю засветку. В последнее время он озаботился охраной своего участка и экспериментировал с защитой периметра на ИК-лучах. Я порекомендовал ему схему из [1], где автор приводил пример практически полного подавления внешней засветки. Через некоторое время сосед сообщил о том, что ему не удалось добиться корректной работы схемы. Я пообещал разобраться…

Поскольку у меня имелся некоторый опыт работы с чувствительными фотоприемниками, то и имелось необходимое для этих целей оборудование: экранированный бокс для исследуемых схем и генераторы прямоугольных импульсов, выходной ток которых регулируется в широких пределах.

Для начала рассмотрим схему из работы [1], представленную на Рисунке 1.

Исходная схема из работы [1].
Рисунок 1. Исходная схема из работы [1].

Медленно изменяющаяся компонента внешнего освещения выделяется фильтром нижних частот на усилителе A1.1 и управляет источником тока Хауленда на усилителе A1.2, который, по идее, должен эффективно отбирать часть базового тока фототранзистора VT1, обеспечивая его работу в линейном режиме.

Схема была собрана на печатной плате и помещена в экранированный бокс. Питание схемы производилась от аккумуляторной батареи напряжением 9 В с отводом от средней точки, размещенной внутри бокса. Контроль напряжения на коллекторе VT1 выполнялся через буферный повторитель на малошумящем операционном усилителе TL072 – на схеме А2.1. Контрольная точка «a» выведена из бокса через разъем.

В качестве излучателя имитатора источника полезного сигнала использовался светодиод с длиной волны 940 нм, на который подавались импульсы тока в диапазоне от 50 мкА до 50 мА. Светодиод располагался в 20 мм на оптической оси от фотоприёмника.

Ради чистоты эксперимента фоновая засветка имитировалась при помощи отдельного 3-ваттного светодиода с длиной волны 940 нм, также находившегося в 20 мм от фотоприемника, но освещавшего его под углом 15 градусов. Ток фоновой засветки регулировался в диапазоне от 0 до 500 мА.

Фотоприемник VT1 выполнен на трехвыводном фототранзисторе BPV11F компании Vishay. Этот ИК-фототранзистор выполнен в пластмассовом корпусе, материал которого имеет окно прозрачности в ближнем инфракрасном диапазоне от 900 нм и более. Темновой ток BPV11F равен 50 нА, а коэффициент усиления по постоянному току составляет не менее 450.

После первого включения пришлось о-о-о-чень долго ждать выхода на рабочий режим, пока напряжение в точке «a» не остановилось на отметке 1.5 В, затем появился сильный, примерно 300 мВ (от пика до пика) высокочастотный шум, и спустя несколько секунд схема превратилась в низкочастотный релаксационный генератор.

Для ускорения выхода на рабочий режим номинал резистора R2 был уменьшен до 270 кОм, а емкость С1 уменьшена до 20 мкФ. С этими номиналами время выхода на рабочий режим сократилось до нескольких секунд, и работа схемы стала устойчивой. Схема показала отличную стабилизацию рабочей точки. При изменении тока подсветки от 0 до 500(!) мА напряжение на коллекторе VT1 осталось неизменным. Подключение конденсатора емкостью в 1 нФ параллельно резистору R4 снизило шум до 120 мВ от пика до пика со средним значением 50 мВ.

Подача прямоугольного сигнала частотой 1000 Гц и коэффициентом заполнения 50% на светодиод имитатора полезного сигнала показала, что уверенное визуальное выделение сигнала из шума возможно при токе через светодиод примерно 0.45 мА, что показано на Рисунке 2. Здесь и далее имеется в виду значение тока в импульсе, а не средний ток через светодиод.

Минимальный уровень полезного сигнала в точке «a», при котором возможна его дальнейшая обработка, достигнутый при применении в качестве А1 операционного усилителя TLC2272.
Рисунок 2. Минимальный уровень полезного сигнала в точке «a», при котором
возможна его дальнейшая обработка, достигнутый при применении
в качестве А1 операционного усилителя TLC2272.

При увеличении тока через светодиод подсветки от 0 до 500 мА амплитуда полезного сигнала уменьшалась на 20%.

Улучшить характеристики схемы в части снижения шумов и увеличения чувствительности, к сожалению не удалось. И хотя в схеме удовлетворительно работали операционные усилители LM358P, TL082 и малошумящий TL072, уменьшить шум примерно до 80 мВ от пика до пика удалось, только применив rail-to-rail ОУ TLC2272.

Попытка балансировки источника тока Хауленда также не имела успеха. При приближении к точке баланса выходное сопротивление источника стремилось к бесконечности, в результате чего возникали низкочастотные колебания, а при удалении от точки баланса работа схемы стабилизировалась, но катастрофически падала чувствительность. Потратив на все эти эксперименты три вечера, я пришел к выводу, что «овчинка выделки не стоит». Схема отлично работает при большом входном сигнале и очень высоком уровне фоновой засветки, именно так, как описано в [1], но для работы со слабыми сигналами не подходит. Вполне возможно, что автор и не ставил перед собой такой цели, ограничившись опытами с лампой накаливания.

Сосед, заходя попить чайку по вечерам, и разбирая вместе со мной нюансы математики источника тока Хауленда, ненавязчиво намекал, что вся механика охранного периметра уже готова, зеркала отъюстированы, и дело только за схемой.

Пришлось взяться за разработку схемы стабилизации рабочей точки фототранзистора, которая имела бы низкий уровень шумов и обладала высокой чувствительностью к переменному сигналу.

Было ясно, что реализовать такую схему можно, только используя трехвыводной фототранзистор. Ранее мной был предложен метод повышения чувствительности двухвыводного фототранзистора [2], работающего в режиме с «оторванной базой», и приведен пример успешных испытаний фотоприемника инфракрасного локатора, работающего по предложенному методу. Однако для данного случая необходим именно трехвыводной транзистор.

Принципиальная схема разработанного устройства показана на Рисунке 3.

Принципиальная схема содержит минимум компонентов. Блокировочные конденсаторы по цепи питания не показаны.
Рисунок 3. Принципиальная схема содержит минимум компонентов.
Блокировочные конденсаторы по цепи питания не показаны.

Схема содержит только один операционный усилитель. Второй операционный усилитель (на схеме не показан) используется как усилитель переменного напряжения, усиливая входной сигнал в 20 раз, чего вполне достаточно для конкретного применения. Питание схемы производится от одного источника напряжением от 3 до 9 вольт, т.е. схема хорошо работает от одного литий-полимерного аккумулятора.

В отличие от рассмотренной выше схемы, транзистор VT1 включен по схеме с общим коллектором, что несколько расширяет полосу принимаемых частот светового сигнала. Начальное смещение на базу VT1 задается резистором R1, выводящим VT1 в линейный режим. При этом напряжение на эмиттере VT1 составляет примерно 240 мВ. Операционный усилитель А1.1 совместно с транзистором VT2 представляет собой почти идеальный управляемый источник тока.

По мере роста фоновой засветки постоянная компонента засветки выделяется фильтром нижних частот и, управляя источником тока, обеспечивает отбор тока из базы VT1, препятствуя смещению рабочей точки транзистора VT1. Схема, приведенная на Рисунке 3, не нуждается в какой-либо настройке.

(а) - уровень шума в точке «a» при отсутствии сигнала. (b) - форма импульсов малого сигнала на фоне шума.
Рисунок 4. (а) – уровень шума в точке «a» при отсутствии сигнала.
(b) – форма импульсов малого сигнала на фоне шума.

На Рисунках 4 и 5 показаны коллажи осциллограмм, полученных в ходе испытаний.

Форма импульсов в точке «a» на частоте 1кГц: (a) - коэффициент заполнения 50%, (b) - коэффициент заполнения 90% и 10%, соответственно.
Рисунок 5. Форма импульсов в точке «a» на частоте 1кГц: (a) – коэффициент
заполнения 50%, (b) – коэффициент заполнения 90% и 10%,
соответственно.

Как видно из Рисунка 4, шум на выходе фотоприемника достаточно низкий, на уровне 0.5 – 1 мВ от пика до пика и сигнал в 2 мВ уверенно различается на уровне шумов, имея вполне приемлемую форму. Ток через светодиод имитатора полезного сигнала при этом составляет 55 мкА. При отключенном питании и отсутствии внешних сигналов уровень шума не меняется, так что это, скорее всего, наводки на щуп осциллографа источниками электромагнитных помех, которых много в любой лаборатории.

На Рисунке 5 представлена форма сигнала в точке «a» на частоте 1000 Гц.

Подводим итоги. Сосед доволен и косит траву, перекрывшую путь световым лучам на охраняемом периметре и успевшую за неделю, потраченную на эксперименты, вырасти на полметра…

Ссылки

  1. JC Ferrer, A Garrigós. Цепь обратной связи улучшает линейность фототранзистора.
  2. Михаил Басков, Олег Левашов. Увеличение чувствительности фотоприемника на базе фототранзистора.

Материалы по теме

  1. Datasheet Vishay BPV11F
  2. Datasheet Texas Instruments TL072
  3. Datasheet Texas Instruments TL082
  4. Datasheet Texas Instruments TLC2272
  5. Datasheet Microchip 2N7000
12 предложений от 7 поставщиков
Диод Зенера (Zener diode) или полупроводниковый стабилитрон.Применяется для стабилизации выходного постоянного напряжения в источниках тока.. Исполнение: DO-41
ЗУМ-СМД
Россия
TL072CDT
STMicroelectronics
7 ₽
Контест
Россия
LM358P
Texas Instruments
15 ₽
Десси
Россия
Стабилитрон 6.8V 1.3W /1N4736A, BZV85C-6V8/
24 ₽
T-electron
Россия и страны СНГ
TL08
64 ₽
Corebai - АЦП, ЦАП, ОУ, интерфейсы и другие аналоговые микросхемы поступили на склад
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения:Полный вариант обсуждения »
  • Отличая схема. Как я понимнаю, включив фототранзистор по схеме с ощим коллектором Вы уменьшили выходное сопротивление источника сигнала, поступающего на вход ОУ. И, видимо, тем самым существенно уменьшили усиление по напряжению, снизив таким образом шум на выходе усилителя. Наверное, тот же приём можно было использовать и с ИТ по схеме Хауленда. Только перевернув усилитель A1.1. Вообще фотодатчики - очень капризная вещь, когда речь идёт о засветке и электромагнитных помехах.
  • Интересное исследование. А может просто сразу отсекать постоянную составляющую на выходе детектора и усиливать только переменный сигнал, а проблему с насыщением при сильной засветке решать тем, что вместо фототранзистора использовать фотодиод?
  • Тогда можно просто использовать какой-нибудь ИК приёмник типа TSOP38х на 30-50кГц. Внутри ведь и фотодиод, и усилитель/демодулятор, и проблема засветки решается автоматически. Я вот делал как-то ИК линк на 500 метров. Пришлось, правда, набрать 10Вт светодиодами. Но по отсутствию импульсов на выходе ИК приёмников можно было вполне определять появления препятствия.
  • Уважаемые коллеги! Извиняюсь за задержку с ответом. Теперь по существу ваших замечаний. Усиление только по переменному току, как предлагает Alexandr111 не решает проблемы, т.к. фототранзистор слепнет независимо от способа съема полезного сигнала в двух случаях: в полной темноте при слабом сигнале и при высокой фоновой засветке, находясь при этом в режиме отсечки или насыщения соответственно. что же касается применения вместо фототранзистора фотодиода - это правильный, но другой путь, Есть великолепный интегральный фотоприемник OPT101, который даже при покупке с Али по цене рупь за ведро, показывает очень хорошие результаты. В данном случае весь интерес состоял в том, чтобы добиться желаемого результата от фототранзистора. В нашем журнале есть моя статья об использовании мощных цветных светодиодов в качестве цветных фотоприемников.Такие светодиоды имели желаемые спектральные характеристики и высокую чувствительность, но вопросы защиты от внешней засветки были также весьма актуальными. Использование интегральных фотоприемников TSOP - это отличная идея. Я широко использую эти фотоприемники для построения систем ориентации мобильных роботов, статься на эту тему также есть в "РЛ". Также есть статья, в которой я исследовал предельные возможности любительских инфракрасных локаторов, в которых использовал в качестве фотоприемников и фототранзисторы и мощные светодиоды и ТSOP, а в качестве излучателей светодиоды и инфракрасные лазеры. У TSOP есть особенность - фиксированное значение усиления сигнала, которое заставляет использовать мощные излучатели, как в случае описанном antonydublin. Собственный опыт говорит о том, что линк на 500 метров - это прекрасный результат. Мне удалось добиться уверенной передачи кода по оптическому каналу от электронной мишени, всего на 140 метров с использованием в приемнике TSOP c линзой 10мм и трехватного светодиода с линзой 20 мм в передатчике. Проблема соосности оптических осей приемника и передатчика решалась просто, так как стрелок при прицеливании естественным образом совмещает их... Действительно фотоприемники - это весьма капризная но очень увлекательная область исследований. Благодарю вас за внимание к моей работе. С уважением Михаил Басков
  • Сдаётся мне, что эту задачу можно удовлетворительно решить даже без использования ОУ и трёхвыводных фототранзисторов, см. прилагаемую схему. Фототранзистор здесь моделируется источником тока сигнала Signal (синусоида 0—1 мА 5 кГц) и источником тока засветки Backgnd (нарастающий импульс 0—50 мА, время нарастания 100 мс). Напряжение с эмиттерного резистора R1 фототранзистора, отфильтрованное RC-цепочкой, подаётся прямо на вход источника тока на полевике с небольшим резистором в цепи истока. Этот источник тока шунтирует R1, отбирая часть эмиттерного тока фототранзистора. Собственно, всё. По результатам моделирования, размах выходного напряжения до включения засветки — 1 В, после — 950 мВ; рабочая точка — 0,5 В и 2,9 В соответственно. К недостаткам схемы относительно схемы на ОУ относится разве что более высокое (приблизительно на пороговое напряжение полевика) напряжение рабочей точки фототранзистора и некоторая его неопределённость из-за разброса характеристик полевиков.