Патент на изобретение №2296303

(54) ФОТОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО

(57) Реферат:

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике, в частности к приемникам светового излучения. Фотоприемное устройство включает фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода, а второй – с сопротивлением нагрузки и входом предварительного усилителя, управляемый делитель, усилитель напряжения, детектор сигнала, интегратор и обнаружительный компаратор, снабженный источником опорного напряжения. Управляемый делитель включен между выходом предварительного усилителя и входом усилителя напряжения, выход которого соединен с входом детектора сигнала и первым входом обнаружительного компаратора. Устройство содержит также дополнительный усилитель, детектор шума и амплитудный детектор сигнала, при этом предварительный усилитель выполнен регулируемым, а интегратор – двухвходовым и снабжен источником опорного напряжения, который соединен с его неинвертирующим входом. Неинвертирующий вход дополнительного усилителя соединен с выходом усилителя напряжения, а выход – с входом детектора шума, инвертирующие входы интегратора соединены с выходами детектора шума и детектора сигнала, а выход интегратора – с входом управления предварительного усилителя, вход амплитудного детектора сигнала соединен с выходом усилителя напряжения, а выход – с входом управления управляемого делителя и вторым входом обнаружительного компаратора, причем источник опорного напряжения обнаружительного компаратора подключен к его первому входу. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости при наличии паразитных сигналов и оптических помех. 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой оптоэлектронике, в частности к конструированию приемников светового излучения. Наиболее эффективно может быть использовано при создании атмосферных оптических линий связи, в частности при создании лазерных систем телеориентации движущихся объектов, например управляемых ракет.

Фотоприемное устройство (ФПУ) является основным узлом приемного тракта оптических систем связи. В числе основных требований, предъявляемых к ФПУ, находятся требования к высокой чувствительности при обнаружении лазерных импульсных сигналов как в условиях отсутствия световой засветки (темновые условия), так и при прямой солнечной засветке входной апертуры ФПУ, а также в условиях модуляции входного светового потока, связанного, например, с вращением или нутацией управляемого объекта в полете. ФПУ должно также обеспечивать работоспособность при приеме импульсных лазерных сигналов в большом динамическом диапазоне лазерных мощностей и обеспечивать при этом достоверность принимаемых сигналов, особенно при наличии паразитных сигналов и оптических помех в структуре принимаемых лазерных сигналов.

Известны ФПУ (патенты РФ № 1538059, приоритет 29.05.87 и № 1388733, приоритет 23.09.85, МПК: G 01 J 1/44), в которых обнаружение лазерных импульсов осуществляется компараторами, сравнивающими усиленные импульсные сигналы после преобразования фотодиодом лазерных импульсов в электрические сигналы с фиксированным опорным напряжением. При этом, очевидно, нужно выбирать опорное напряжение с учетом максимальной внешней засветки, так как уровень шумов на выходе усилителя возрастает при увеличении внешней засветки.

Существенным недостатком рассматриваемых ФПУ при такой их реализации является то, что значительно (в 5-10 раз) снижается чувствительность ФПУ при работе в темновых условиях, то есть при отсутствии внешней засветки, так как пороговое опорное напряжение выбрано неоптимальным, оно велико.

В качестве прототипа выбрано ФПУ (патент РФ № 2231169, приоритет 27.12.2002, 7 Н 01 L 27/14, G 01 J 1/44), которое содержит фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода, а второй соединен с сопротивлением нагрузки и входом предварительного усилителя, последовательно соединенного с управляемым делителем, усилителем напряжения, детектором сигнала и интегратором, выход которого соединен с входом управления управляемого делителя. Выход усилителя напряжения соединен с одним из входов компаратора, к которому через резистивный делитель подключено сопротивление нагрузки. Второй вход компаратора соединен с источником опорного напряжения.

Такое ФПУ за счет регулируемого делителя обеспечивает большой диапазон принимаемых сигналов и обнаружение лазерных импульсов в условиях изменяющейся внешней освещенности за счет переменного порога компаратора, формируемого за счет подачи на компаратор через резистивный делитель напряжения, выделяемого на сопротивлении нагрузки, за счет протекания через него составляющей фототока от внешней освещенности.

Общим недостатком вышеописанных устройств и прототипа является низкая помехоустойчивость при наличии паразитных сигналов и оптических помех в структуре принимаемых лазерных сигналов.

Паразитные сигналы и оптические помехи возникают из-за отражения лазерного излучения системы телеориентации от подстилающей поверхности, рассеивания лазерного излучения на дымовом шлейфе управляемого изделия, многократного отражения лазерного излучения на оптических элементах передатчика системы телеориентации и т.д.

Низкая помехоустойчивость от оптических помех в прототипе связана, во-первых, с отсутствием в ФПУ порога компаратора, зависящего от амплитуды принимаемого сигнала, а во-вторых, с нелинейной передаточной функцией предварительного усилителя.

При постоянном пороге компаратора, равном, например, 100 мВ, и амплитуде сигнала на входе компаратора 5 В соотношение сигнал/помеха, при котором помеха не проходит, компаратор, составляет величину 50. В реальных условиях это соотношение гораздо ниже и может достигать 10-20, что приводит при больших уровнях принимаемых сигналов к появлению ложных импульсов на выходе ФПУ.

Если положить коэффициент усиления предварительного усилителя равным 200, его максимальное выходное напряжение равным 10 В, а коэффициент усиления усилителя напряжения равным 20, то при пороге компаратора равном 100 мВ получим линейный динамический диапазон входных сигналов предварительного усилителя равным 2·10³. При увеличении динамического диапазона входных сигналов ФПУ будет их принимать. Однако предварительный усилитель будет находиться в насыщении, при этом коэффициент усиления для помех и более слабых сигналов будет по-прежнему равен 200, их амплитуда на выходе предварительного усилителя будет приближаться к амплитуде основного сигнала и, следовательно, соотношение сигнал/помеха будет уменьшаться, а на выходе компаратора появятся ложные импульсы.

Для обеспечения большого динамического диапазона принимаемых сигналов в цепь обратной связи предварительного усилителя обычно вводят нелинейные элементы (диодно-резистивную цепь), однако при этом полезный сигнал усиливается меньше, чем более слабые помехи, т.е. соотношение сигнал/помеха будет уменьшаться, что приводит к появлению на выходе ФПУ ложных импульсов, нарушающих работу системы управления.

Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении помехоустойчивости при наличии паразитных сигналов и оптических помех в структуре принимаемых лазерных сигналов управления.

Технический результат достигается тем, что фотоприемное устройство включает фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода, а второй – с сопротивлением нагрузки и входом предварительного усилителя, управляемый делитель, усилитель напряжения, детектор сигнала, интегратор и обнаружительный компаратор, снабженный источником опорного напряжения. Управляемый делитель включен между выходом предварительного усилителя и входом усилителя напряжения, выход которого соединен с входом детектора сигнала и первым входом обнаружительного компаратора. Причем в него введены дополнительный усилитель, детектор шума и амплитудный детектор сигнала, при этом предварительный усилитель выполнен регулируемым, а интегратор – двухвходовым и снабжен источником опорного напряжения, который соединен с его неинвертирующим входом. Неинвертирующий вход дополнительного усилителя соединен с выходом усилителя напряжения, а выход – с входом детектора шума, инвертирующие входы интегратора соединены с выходами детектора шума и детектора сигнала, а выход интегратора – с входом управления предварительного усилителя, вход амплитудного детектора сигнала соединен с выходом усилителя напряжения, а выход – с входом управления управляемого делителя и вторым входом обнаружительного компаратора, причем источник опорного напряжения обнаружительного компаратора подключен к его первому входу.

На чертеже представлена блок-схема заявляемого фотоприемного устройства.

ФПУ содержит фотодиод 1, сопротивление нагрузки 2, регулируемый предварительный усилитель 3, управляемый делитель 4, усилитель напряжения 5, дополнительный усилитель 6, детектор шума 7, детектор сигнала 8, двухвходовый интегратор с источником опорного напряжения 9, амплитудный детектор сигнала 10, обнаружительный компаратор с источником опорного напряжения 11.

Фотоприемное устройство работает следующим образом.

При попадании на фотодиод 1 лазерного импульса на сопротивлении нагрузки 2 выделяется импульс фототока в виде импульса напряжения отрицательной полярности. Усиленный регулируемым предварительным усилителем 3 импульсный сигнал проходит управляемый делитель 4, усиливается усилителем напряжения 5 и далее поступает на детектор сигнала 8, на неинвертирующий вход дополнительного усилителя 6, на вход амплитудного детектора сигнала 10 и на неинвертирующий вход обнаружительного компаратора 11, на который дополнительно подают постоянное напряжение начального смещения U_СМ1 (темновое смещение) от его источника опорного напряжения.

Импульсы с выхода дополнительного усилителя 6 поступают на вход детектора шума 7. Напряжения с выходов детектора шума 7 и детектора сигнала 8 поступают на два инвертирующих входа двухвходового интегратора 9, на неинвертирующий вход которого подается напряжение смещения U_СМ2 от его источника опорного напряжения.

Выходное напряжение двухвходового интегратора 9 поступает на вход управления регулируемого предварительного усилителя 3, обеспечивая постоянный уровень шума в условиях изменения внешней освещенности и стабилизируя амплитуду сигнала на выходе усилителя напряжения 5 при изменении интенсивности входных лазерных импульсов.

Выходное напряжение амплитудного детектора сигнала 10 поступает на вход управления управляемого делителя 4 и обеспечивает при сильном облучении входной апертуры ФПУ лазерными импульсами стабилизацию амплитуды сигнала на выходе усилителя напряжения 5. Оно же поступает на инвертирующий вход компаратора 11 и обеспечивает изменение порога компаратора 11 в соответствии с изменением амплитуды принимаемого сигнала.

При превышении амплитудой сигнала, поступающего на неинвертирующий (первый) вход компаратора 11 напряжения, равного сумме постоянного начального смещения на неинвертируемом входе и напряжения, подаваемого на инвертирующий (второй) вход компаратора 11 с выхода амплитудного детектора сигнала 10, на входе компаратора 11 осуществляется формирование нормированного по амплитуде выходного импульса.

На выходе дополнительного усилителя 6 присутствуют шумовые импульсы и импульсы сигнала. Эта смесь шума и сигнала поступает на входы детектора шума 7. Входная нелинейная резистивно-диодная цепь детектора шума 7 ограничивает амплитуду принимаемого сигнала, не меняя уровень шума. На выходе детектор шума 7 формирует сигнал, величина которого при отсутствии входного сигнала или при его небольшой амплитуде пропорциональна уровню шума.

Выходные сигналы детектора шума 7 и детектора сигнала 8 поступают на инвертирующие входы двухвходового интегратора 9. Выходное напряжение двухвходового интегратора 9, величина которого определяется амплитудой сигнала и уровнем шума на выходе дополнительного усилителя 6, поступает на вход управления регулируемого предварительного усилителя 3. Для установки начального напряжения управления регулируемого усилителя 3 на неинвертирующий вход двухвходового интегратора 9 подается опорное напряжение U_СМ2 с его источника опорного напряжения, величина которого выбирается из условия обеспечения наибольшего коэффициента усиления предварительного усилителя 3, при условии, что на входе ФПУ отсутствуют лазерные импульсы и фоновая засветка. При использовании в качестве регулирующего элемента предварительного усилителя 3 транзистора выходное напряжение двухвходового интегратора 9 при отсутствии на входе ФПУ лазерных импульсов и фоновой засветки составляет около вольта. При увеличении фоновой засветки на входе ФПУ на выходе детектора шума 7 появляются шумовые импульсы, которые интегрируются двухвходовым интегратором 9, вызывая уменьшение его выходного напряжения, что приводит к уменьшению коэффициента усиления предварительного усилителя 3. При этом уровень шумов (шумовой дорожки) на выходе усилителя напряжения 5 остается постоянным. Он практически одинаков и в темновых условиях и при сильном внешнем освещении ФПУ.

При освещении ФПУ лазерными импульсами на выходе детектора сигнала 8 появляются импульсы, которые интегрируются двухвходовым интегратором 9, вызывая уменьшение его выходного напряжения, что приводит к уменьшению коэффициента усиления предварительного усилителя 3, стабилизируя тем самым амплитуду импульсного сигнала на выходе усилителя напряжения 5.

Постоянные времени двухвходового интегратора 9 и амплитудного детектора 10 выбраны из условия превышения ими периода повторения входных лазерных импульсов.

Импульсный сигнал с выхода усилителя напряжения 5 детектируется амплитудным детектором 10. Выходное напряжение амплитудного детектора 10, пропорциональное амплитуде входного сигнала, поступает на вход управления управляемого делителя 4 и инвертирующий вход обнаружительного компаратора 11.

В темновых условиях, то есть при отсутствии внешней световой засветки апертуры ФПУ, и при малых (допороговых) величинах лазерного сигнала коэффициенты передачи регулируемого предварительного усилителя 3 и управляемого делителя 4 максимальны.

Среднее значение шума на выходе усилителя напряжения 5, поступающего на неинвертирующий вход обнаружительного компаратора 11, в 6÷10 раз меньше постоянного напряжения на этом входе, установленного от его источника опорного напряжения начального смещения U_СМ1, поэтому на выходе обнаружительного компаратора 11 формируется сигнал высокого уровня, который обозначает отсутствие входного лазерного импульса.

При увеличении амплитуды лазерного сигнала на входе фотодиода 1 выше пороговых значений амплитуда импульсного сигнала, подаваемого с выхода усилителя напряжения 5 на неинвертирующий вход обнаружительного компаратора 11, превышает постоянное напряжение на этом входе, и он вырабатывает на своем выходе импульс с низким (нулевым) уровнем, обозначающим наличие входного лазерного импульса.

При дальнейшем увеличении амплитуды лазерных сигналов на входе фотодиода 1 детектор сигнала 8 детектирует входные импульсы, поступающие на него с выхода усилителя напряжения 5. Продетектированные импульсы поступают на один из входов двухвходового интегратора 9, который вырабатывает медленно меняющееся отрицательное выходное напряжение, поступающее на вход управления регулируемого предварительного усилителя 3, уменьшая его коэффициент передачи и стабилизируя тем самым амплитуду импульсного сигнала на выходе усилителя напряжения 5. Когда амплитуда импульсного сигнала на входе амплитудного детектора сигнала 10, подаваемого с выхода усилителя напряжения 5, превышает величину напряжения открывания выпрямительного диода амплитудного детектора сигнала 10, он начинает вырабатывать медленно меняющееся отрицательное выходное напряжение. Это напряжение поступает с заданным коэффициентом ослабления на инвертирующий вход обнаружительного компаратора 11, увеличивает напряжение запирания (порог) обнаружительного компаратора 11 и отсекает тем самым прохождение на выход обнаружительного компаратора 11 помеховых сигналов.

Выходной сигнал амплитудного детектора сигнала 10 поступает также на управляющий вход управляемого делителя 4. Уменьшение коэффициента передачи управляемого делителя 4 начинается лишь при достаточно больших уровнях лазерного сигнала на входе фотодиода 1. Коэффициент передачи регулируемого предварительного усилителя 3 близок к минимальному, а амплитуда выходных импульсов усилителя напряжения 5 превышает, например, 1 В. При дальнейшем повышении уровня лазерного сигнала на входе фотодиода 1 выходное напряжение амплитудного детектора 10 превышает, например, 1 В. При этом начинает уменьшаться коэффициент передачи управляемого делителя 4, стабилизируя тем самым амплитуду импульсного сигнала на выходе усилителя напряжения 5.

Так как амплитудный детектор сигнала 10 вырабатывает выходное напряжение, пропорциональное амплитуде входного сигнала, а на инвертирующий вход обнаружительного компаратора 11 это напряжение подается с заданным коэффициентом ослабления, например К_OC=4÷20 раз, то, очевидно, что все помеховые и более слабые сигналы, амплитуда которых не превышает 1/4…1/20 от основного полезного сигнала, обнаружительным компаратором 11 будут подавлены. Величина ослабления К_OC определяется отношением сопротивлений резисторов, включенных на инвертирующем входе обнаружительного компаратора 11, и задает уровень “отсечки” по отношению к основному сигналу, позволяющий отсекать слабые “ложные” сигналы и помехи.

В условиях сильной световой засветки фотодиода 1, включая прямую солнечную засветку, и при малых лазерных сигналах (или при их отсутствии) увеличивается среднее значение шума на выходе усилителя 6. Детектор шума 7 детектирует шумовые импульсы, поступающие с выхода усилителя 6. Импульсы с выхода детектора шума 7 поступают на другой вход двухвходового интегратора 9, который вырабатывает отрицательное выходное напряжение, зависящее от интенсивности шумовых импульсов, поступающих на вход управления регулируемого предварительного усилителя 3, уменьшая его коэффициент передачи и стабилизируя тем самым среднее значение напряжения шума на входе усилителя напряжения 5.

При правильном выборе элементов ФПУ среднее значение шума на выходе усилителя напряжения 5 при отсутствии световой засветки или при ее наличии отличается на десятые доли. Поэтому ложных шумовых выбросов на выходе обнаружительного компаратора 11 при отсутствии входных лазерных импульсов не наблюдается.

В качестве фотодиода 1 может быть использован, например, фотодиод типа ФД-347А, охранное кольцо ОК, которого соединено с общей шиной.

Предварительный усилитель 3 может быть реализован на основе малошумящего операционного усилителя типа 140УД26. Реализация остальных элементов ФПУ стандартная.

В качестве регулирующих элементов регулируемого предварительного усилителя 3 и управляемого делителя 4 могут использоваться любые p-n-p-транзисторы.

Экспериментальные испытания изготовленного образца показали, что при заданном соотношении мощности лазерной помехи к мощности входного лазерного импульса, равном, например, 1/5, не наблюдается ложных импульсов ФПУ в диапазоне изменения уровня входных лазерных сигналов, превышающем 10⁴. Выходные сигналы усилителя напряжения 5, а также выходные сигналы регулируемого предварительного усилителя 3 не ограничиваются и не ухудшают отношение сигнал/помеха во всем диапазоне входных лазерных сигналов, что обусловлено линейной передаточной характеристикой усилительного тракта ФПУ.

Не наблюдалось на выходе ФПУ ложных импульсов от помех и в условиях модуляции внешней освещенности.

Таким образом, введение в ФПУ дополнительного усилителя, детектора шума и амплитудного детектора сигнала, выполнение предварительного усилителя регулируемым, а интегратора двухвходовым и снабженным источником опорного напряжения, который соединен с его неинвертирующим входом, позволило повысить помехоустойчивость при наличии паразитных сигналов и оптических помех в структуре принимаемых лазерных сигналов управления.

Формула изобретения

Фотоприемное устройство, включающее фотодиод, один вывод которого соединен с источником питания фотодиода, а второй – с сопротивлением нагрузки и входом предварительного усилителя, управляемый делитель, усилитель напряжения, детектор сигнала, интегратор и обнаружительный компаратор, снабженный источником опорного напряжения, при этом управляемый делитель включен между выходом предварительного усилителя и входом усилителя напряжения, выход которого соединен с входом детектора сигнала и первым входом обнаружительного компаратора, отличающееся тем, что в него введены дополнительный усилитель, детектор шума и амплитудный детектор сигнала, причем предварительный усилитель выполнен регулируемым, а интегратор – двухвходовым и снабжен источником опорного напряжения, который соединен с его неинвертирующим входом, при этом неинвертирующий вход дополнительного усилителя соединен с выходом усилителя напряжения, а выход – с входом детектора шума, инвертирующие входы интегратора соединены с выходами детектора шума и детектора сигнала, а выход интегратора – с входом управления предварительного усилителя, вход амплитудного детектора сигнала соединен с выходом усилителя напряжения, а выход – с входом управления управляемого делителя и вторым входом обнаружительного компаратора, причем источник опорного напряжения обнаружительного компаратора подключен к его первому входу.

РИСУНКИ