Датчики света находят применение во множестве важных приложений, начиная от бытовой электроники, такой как схемы измерения окружающего света и управления экспозицией в камерах, и заканчивая научными приборами, такими как оптическая абсорбционная спектроскопия, обнаружение по ИК излучению в термографии и двухцветная пирометрия. Например, в оптической спектроскопии правильное измерение интенсивности зондирующего пучка имеет основополагающее значение при определении характеристик материала и устройства. При этом необходимо исключить любое влияние постоянной или очень низкочастотной фоновой подсветки. Кроме того, чтобы увеличить отношение сигнал/шум, при механической обтюрации или ином способе модуляции зондирующих пучков можно использовать узкополосные фазочувствительные или синхронные технологии детектирования.
 | ||
| Рисунок 1. | Опорный сигнал от обтюратора работает как источник прямоугольных импульсов и модулирует усиление инвертирующего усилителя, основанного на ОУ. | |
В описываемой ниже схеме опорный сигнал оптического модулятора, аналогично генератору прямоугольных импульсов с частотой fCHOP, модулирует коэффициент усиления инвертирующего усилителя, основанного на операционном усилителе (ОУ) (Рисунок 1). Входное напряжение усилителя пропорционально фототоку, генерируемому фотодиодом, который облучается световым пучком, модулированным частотой прерывателя. В этом случае, поскольку коэффициент усиления и вход управляются одной частотой, на выходе усилителя присутствует постоянная составляющая, которая может быть легко выделена фильтром нижних частот.
Операционные усилители A1A и A1B преобразуют фототок в напряжение только для переменных компонентов сигнала. Сопротивление резистора R1 можно изменить в зависимости от уровня освещенности, который потребуется измерять. Емкость конденсатора C1 выбирается в соответствии с общей емкостью фотодиода (если пренебречь входной емкостью A1A). Величина емкости C1 должна быть такой, чтобы обеспечить устойчивость трансимпедансной схемы [1].
Основным элементом схемы является операционный усилитель A1C, в цепь обратной связи которого включен фоторезистор RPR, определяющий усиление каскада. Сопротивление RPR зависит от интенсивности света, излучаемого светодиодом D1. Светодиодом D1 управляет преобразователь напряжение-ток на усилителе A2B. На один вход преобразователя через повторитель A2A подается фиксированное напряжение VB, а на другой – сигнал ΔV, сформированный с помощью A3. A2A определяет значение постоянной составляющей тока RPR, тогда как A2B и ΔRPR изменяются с частотой опорного сигнала. Сделанный на операционном усилителе A3 триггер Шмитта преобразует любые КМОП/ТТЛ уровни опорного сигнала в сбалансированные прямоугольные импульсы ±4.6 В, ослабленные до уровня ±0.5 В для питания светодиода током порядка 1.8 мА. Красный светодиод и фоторезистор RPR, в качестве которого используется сульфид-кадмиевый прибор NSL-19M51, выпускаемый компанией LUNA, расположены друг напротив друга и помещены в черную коробку, чтобы исключить попадание на оптрон фоновой засветки.
Для калибровки схемы сначала отключите или закройте входной фотодиод, чтобы усилитель A1A не преобразовывал сигнал переменного тока. Затем установите переключатель S1 в положение ИЗМЕРЕНИЕ и с помощью потенциометра RT2 установите выходное напряжение равным нулю. Когда переключатель S1 установлен в положение КАЛИБРОВКА, и на выходе буфера устанавливается известное тестовое напряжение, равное примерно 300 мВ, потенциометром RT1 зафиксируйте выходное напряжение на уровне 0 В. Тогда напряжение VB, управляющее сопротивлением RPR, установит соотношение RPR/RC = RA/RB.