Файл: Проектирование усилителяфотоприёмника воспи.docx

Описание принципиальной схемы

Принципиальная схема усилителя представлена на рис. 1. Усилитель состоит из предварительных каскадов и основного усилителя [1,2].

Источником сигнала является ток фотодиода – V1. Даже когда свет падает на фотодиод V1, его внутреннее сопротивление при фототоке I_m1=1мкА остаётся большим. Вследствие этого источник сигнала является генератором тока. Элементы С1, R2 образуют развязывающий фильтр по цепям питания (Е₀).

Рис. 1. Принципиальная схема усилителя
В качестве активного элемента первого каскада выбран полевой транзистор, так как он обладает меньшим уровнем собственных шумов и малым входным током затвора. Входная цепь устройства образована входным сопротивлением каскада V2 и суммарной емкостью С, состоящей из проходной емкости Сд фотодиода V1, входной емкости Свх транзистора V2 и емкости монтажа См.

Хотя входное сопротивление полевого транзистора V2 - rзи велико, входное сопротивление каскада определяется делителем напряжения на его затворе (параллельным соединением резисторов R3 и R4). Данная входная цепь и будет определять частоту верхнего среза f_ВХ .

Биполярный транзистор V3, включенный по схеме общий коллектор (ОК) служит буферным каскадом с большим входным и малым выходным сопротивлениями. Транзистор V4 включен по схеме

---

с общим эмиттером (ОЭ). Его нагрузкой является делитель напряжения на резисторах R12 и R13, обеспечивающий потенциал средней точки однополярного напряжения питанияЕ₀ операционного усилителя AD1. По этой причине R12=R13. Чтобы коэффициент усиления каскада на V4 не снижался из-за шунтирования его нагрузки R10 резисторами R12 и R13 их следует выбирать равными (5…20)·R10 и более (в случае использования более мощных схем), поскольку входные токи ОУ малы (от единиц фемтоампер), но не превышают десятков микроампер (обычно являются справочными данными, которые указываются

в спецификациях - Data Sheets – на ОУ на сайтах фирм-производителей и справочных материалов для разработчиков).

Для расширения полосы пропускания в области верхних частот в каскаде ОЭ (ОИ) может быть применена индуктивная коррекция в цепи коллектора транзистора V4 (стока транзистора V2), либо отрицательная обратная связь (ООС) и основанная на ней эмиттерная коррекция (R11, C5) в каскаде на V4 или истоковая коррекция (R6, C3) в каскаде на полевом транзисторе V2 [6]. В области нижних частот спад АЧХ определяется дифференцирующими цепочками на разделительных конденсаторах С2, С4, C6, С7, С8.

Конденсаторы С3 и С5 устраняют местную отрицательную обратную связь по сигналу в транзисторных каскадах и также могут использоваться для частотной коррекции полосы рабочего диапазона частот.

Основное усиление сигнала по напряжению выполняет транзисторный каскад на транзисторе V4 и каскад на ОУ AD1. Операционный усилитель должен довести выходное напряжение на

---

средней частоте рабочего диапазона до заданного (действующего значения) U2Н (табл. 3).

Сигнал подаётся на неинвертирующий вход ОУ AD1. На этот же вход подаётся напряжение смещения с делителя R12, R13. Оно необходимо для получения симметричного питания ОУ в схеме с однополярным источником Е0.

Для того, чтобы ОУ не усиливал постоянное напряжение, искусственной средней точки Е0/2 в схему введен конденсатор С7. На постоянном токе его сопротивление равно бесконечности (разрыв цепи) и ОУ на своем выходе повторяет постоянную составляющую входного напряжения Е0/2, но усиливая в заданное число раз сигнал в рабочей полосе частот.

2. 1   2   3   4   5   6

---

Расчёт элементов схемы по постоянному току

Расчет элементов необходимо начать с обеспечения режимов работы фотодиода и транзисторов по постоянному току. Схема усилителя по постоянному току представлена на рис. 2. На этом рисунке показаны только те элементы схемы, по которым протекают постоянные токи.




Рис. 2. Схема транзисторной части усилителя по постоянному току.
В связи с тем, что конденсаторы не пропускают постоянный ток, рис. 2 представляется состоящим из трех независимых фрагментов схемы: фрагмент с фотодиодом, c полевым транзистором, с биполярными транзисторами.

1. 
   Предварительныйрасчетрезисторовпопостоянномутоку
   

1. Предварительный расчёт резисторов диода V1

Параметры фотодиода V1-ФД-252-01А:

• 
  рабочее напряжение U_раб = 5 В;
  
• 
  емкость фотодиода С_д = 1 Пф;
  
• 
  темновой ток I_тем = 5 нА;
  
• 
  амплитуда фототока I_m1 = 1 мкА.
  

Принципиальная схема цепей питания фотодиода V1 и его типовая вольтамперная характеристика приведены на рис.3. Обратное смещение на фотодиод подается для вывода его в линейную область ВАХ. Одновременно с этим увеличение напряжения Uак уменьшает проходную емкость фотодиода. На рис. 3, б показана

---

также нагрузочная линия ФД по постоянному току.

При отсутствии светового сигнала через фотодиод протекает темновой ток. Он

практически не создаёт падения напряжения на резисторах R1, R2. Вследствие этого к фотодиоду прикладывается всё запирающее напряжение питания Е0.

При заданном уровне фототока исходная рабочая точка перемещается по нагрузочной линии в точку А. Сопротивление фотодиода постоянному току в

---