Цепь обратной связи улучшает линейность фототранзистора

JC Ferrer, A Garrigós

EDN

Разработчик, использующий фототранзистор для преобразования модулированного оптического сигнала в электрический сигнал, часто сталкивается с проблемами, когда фоновая засветка высокой интенсивности насыщает фототранзистор. Если базовый вывод не подключен, напряжение коллектор-эмиттер фототранзистора зависит только от фототока, генерируемого наложением сигнала и фонового света. Коэффициент усиления фототранзистора и диапазон его активной области зависят от сопротивления R1. При более высоких сопротивлениях R1 коэффициент усиления схемы увеличивается, но насыщение фототранзистора происходит быстрее. На Рисунке 1 без фоновой засветки транзистор работает в своей линейной области в точке смещения Φ2, а напряжение коллектора Q1 линейно изменяется вокруг VCE. Выход VOUT точно воспроизводит изменения амплитуды модулированного оптического сигнала. Наложение постоянной внешней фоновой засветки смещает рабочую точку схемы в точку Φ3, а выходное напряжение сжимается и искажается.

Изменения уровней потока окружающего света влияют на положение точки смещения фототранзистора в базовой схеме. Более высокие уровни приближают точку смещения к насыщению и сжимают полезный сигнал VOUT.
Рисунок 1. Изменения уровней потока окружающего света влияют на положение точки смещения
фототранзистора в базовой схеме. Более высокие уровни приближают точку смещения
к насыщению и сжимают полезный сигнал VOUT.

В отличие от фотодиодов и фотогальванических элементов, у которых есть только два вывода, базовый вывод фототранзистора позволяет подключить цепь обратной связи, чтобы управлять точкой смещения. Отбор тока от вывода базы снижает ток коллектора. Фототранзистор Q1 на Рисунке 2 принимает смесь оптического сигнала и фонового света, освещающую его базовую область. Напряжение коллектора, создаваемое фоновым светом, проходит через активный фильтр нижних частот, а источник тока Хауленда изменяет точку смещения схемы, отводя ток из обратно смещенного перехода коллектор-база фототранзистора.

Обычно посторонняя фоновая засветка изменяется медленнее, чем полезный сигнал. Для простоты в этой схеме используется фильтр нижних частот первого порядка C1 и R2, частота среза которого ниже частоты сигнала, снимаемого с коллектора Q1. Подача опорного напряжения (в данном примере – VCC) на резистор R3 устанавливает рабочую точку схемы фильтра посередине между уровнями напряжений отсечки и насыщения фототранзистора. Выход фильтра нижних частот управляет источником тока Хауленда, генерирующим ток, пропорциональный выходному сигналу фильтра. По мере увеличения фонового освещения напряжение коллектора Q1 уменьшается. Выходной ток источника вычитается из тока базы Q1, что, в свою очередь, увеличивает напряжение коллектора Q1, не допуская насыщения фототранзистора.

Отношение сопротивлений резисторов R4 и R3 задает коэффициент усиления активного фильтра нижних частот в соответствии с формулой

а R5 устанавливает проводимость источника тока:

Изменение сопротивлений этих резисторов влияет на величину тока, отводимого от базы фототранзистора, и на рабочую точку схемы. Фототранзистор имеет гораздо меньшую емкость, чем фильтр, поэтому колебания в схеме на Рисунке 2 возникнуть не могут. Однако чтобы избежать самовозбуждения при увеличении порядка фильтра, потребуется тщательный выбор номиналов конденсаторов.

Цепь обратной связи, состоящая из однополюсного активного фильтра нижних  частот и источника тока Хауленда, отбирает ток из базы фототранзистора,  не допуская насыщения при чрезмерных уровнях фоновой засветки.
Рисунок 2. Цепь обратной связи, состоящая из однополюсного активного фильтра нижних частот
и источника тока Хауленда, отбирает ток из базы фототранзистора, не допуская насыщения
при чрезмерных уровнях фоновой засветки.

Освещение фототранзистора лампой накаливания мощностью 100 Вт обеспечивает фоновую засветку высокой интенсивности, а также быстро меняющийся сигнал, создаваемый переменным сетевым напряжением. На Рисунке 3 показаны осциллограммы напряжения коллектор-эмиттер фототранзистора Q1, освещаемого лампой накаливания, расположенной в 40 см от него, при активной схеме обратной связи (Рисунок 3а) и при неподключенной базе фототранзистора (Рисунок 3б). Отклики выглядят похожими, поскольку при данном уровне интенсивности приложенного света фототранзистор не насыщается.

100-ваттная лампа накаливания с расстояния 40 см освещает фототранзистор в схеме с обратной связью (а) и без обратной связи (б). В обоих случаях точки смещения остаются в линейной области.
Рисунок 3. 100-ваттная лампа накаливания с расстояния 40 см освещает фототранзистор
в схеме с обратной связью (а) и без обратной связи (б). В обоих случаях точки
смещения остаются в линейной области.

Перемещение лампочки на расстояние 20 см от фототранзистора увеличивает уровень фонового света и приближает фототранзистор к насыщению. При наличии обратной связи фототранзистор выдает сигнал с более высокой амплитудой, хотя его точка смещения остается почти неизменной (Рисунок 4а). Средний уровень постоянного напряжения на коллекторе Q1 остается практически таким же, как и при более низком уровне освещенности (Рисунок 3а). Однако при отключенной обратной связи точка смещения фототранзистора приближается к насыщению, и флуктуации света, модулированного переменным током, едва заметны (Рисунок 4б).

Базовая область фототранзистора освещается 100-ваттной лампой накаливания с расстояния 20 см в схеме с обратной связью (а) и без обратной связи (б). Насыщение схемы без обратной связи препятствует выделению сигнала.
Рисунок 4. Базовая область фототранзистора освещается 100-ваттной лампой накаливания
с расстояния 20 см в схеме с обратной связью (а) и без обратной связи (б). Насыщение
схемы без обратной связи препятствует выделению сигнала.
  1. Datasheet OSRAM BPX43
  2. Datasheet Texas Instruments TL082

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 1000
сейчас смотрят 7
представлено поставщиков 579
загружено
позиций
25 067 862