close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10468

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.04.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
BY (11) 10468
(13) C1
(19)
G 01J 1/44
СЧЕТЧИК ФОТОНОВ НА БАЗЕ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА
(21) Номер заявки: a 20060729
(22) 2006.07.14
(43) 2007.02.28
(71) Заявитель: Белорусский государственный университет (BY)
(72) Авторы: Гулаков Иван Романович;
Зеневич Андрей Олегович; Новиков
Евгений Владимирович (BY)
(73) Патентообладатель: Белорусский государственный университет (BY)
(56) Гулаков И.Р., Зеневич А.О. Приборы и
техника эксперимента. - 2001. - № 4. С. 137-139.
SU 1770773 A1, 1992.
SU 717561, 1980.
JP 09162437 A, 1997.
JP 2005114712 A, 2005.
BY 10468 C1 2008.04.30
(57)
Счетчик фотонов на базе лавинного фотодиода, содержащий светофильтр, лавинный
фотодиод, источник питания, первый усилитель, первый и второй резисторы, дискриминатор, первый и второй генераторы импульсов, причем анод лавинного фотодиода соединен с первым выводом первого резистора, второй резистор включен между вторым выводом первого резистора и корпусом устройства, выход первого усилителя соединен с
первым входом дискриминатора, выход первого генератора соединен с управляющим
входом второго генератора, отличающийся тем, что содержит третий, четвертый и пятый
резисторы, первый и второй транзисторы, первый и второй конденсаторы, первую и вторую схемы И, инвертор, счетчик импульсов, регистр, цифро-аналоговый преобразователь
Фиг. 1
BY 10468 C1 2008.04.30
и второй усилитель, причем вход управления светофильтра соединен с первым выходом
первого генератора, выход второго генератора соединен с базами первого и второго транзисторов, выход источника питания соединен с коллекторами этих транзисторов и катодом лавинного фотодиода, третий, четвертый и пятый резисторы соединены последовательно друг с другом, причем первый вывод третьего резистора, являющийся первым
выводом этой последовательной цепочки, соединен с выходом источника питания, а второй вывод пятого резистора, являющийся вторым выводом этой последовательной цепочки, - с корпусом устройства, эмиттер первого транзистора подключен в точку соединения
первого и второго резисторов, а эмиттер второго транзистора - в точку соединения четвертого и пятого резисторов, первый конденсатор включен между анодом фотодиода и прямым входом первого усилителя, а второй конденсатор - между точкой соединения третьего и четвертого резисторов и инверсным входом первого усилителя, второй вход
дискриминатора соединен с первой входной клеммой подачи регулируемого напряжения,
выход дискриминатора соединен с первыми входами первой и второй схем И, второй вход
первой схемы И соединен со входом, а второй вход второй схемы И - с выходом инвертора, вход инвертора подключен ко второму выходу первого генератора, выходы первой и
второй схем И соединены с суммирующим и вычитающим входами счетчика соответственно, выходы счетчика являются выходами устройства, а также подключены ко входам
регистра, выходы регистра соединены со входами цифро-аналогового преобразователя,
выход которого соединен с прямым входом второго усилителя, второй вход которого соединен со второй входной клеммой подачи регулируемого напряжения, а выход соединен
с управляющим входом второго генератора, при этом входы первого генератора, регистра
и счетчика соединены со входом начальной установки устройства, а светофильтр установлен таким образом, что перекрывает световой поток, подаваемый на лавинный фотодиод.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения
интенсивности слабого оптического излучения на базе фотоприемников, работающих в
режиме счета фотонов. Оно может найти применение в фотометрии, например, для измерения мощности оптического излучения слабо светящихся объектов.
Известно устройство измерения интенсивности светового потока [1], в котором для
регистрации оптического излучения используются лавинные фотодиоды (ЛФД) с модуляцией напряжения питания. Однако это устройство не позволяет регистрировать единичные фотоны. Кроме того, для модуляции напряжения питания в нем используется синусоидальное напряжение, что влечет изменение коэффициента усиления лавинного
фотодиода по тому же синусоидальному закону и приводит к появлению дополнительной
специфической погрешности измерения интенсивности оптических потоков.
Наиболее близким к заявляемому техническим решением является счетчик фотонов с
использованием работающего в режиме счета фотонов с импульсным напряжением питания лавинного фотодиода [2], включающий генератор оптических импульсов, генератор
импульсов стробирования, нейтральный светофильтр, источник постоянного напряжения
питания лавинного фотодиода, усилитель, дискриминатор, частотомер, амперметр, вольтметр, два резистора нагрузки.
В указанном устройстве на лавинный фотодиод одновременно с постоянным напряжением питания (устанавливаемым приблизительно на уровне 99 % от напряжения пробоя
p-n-перехода лавинного фотодиода) подается через одно из сопротивлений нагрузки дополнительное импульсное напряжение питания в виде прямоугольных импульсов. Импульсы напряжения питания лавинного фотодиода синхронизируются с оптическими импульсами источника излучения. При поступлении на сопротивление нагрузки импульса
напряжения от генератора суммарное напряжение на фотодиоде превышает напряжение
его пробоя. Однако пробой p-n-перехода не происходит до тех пор, пока носитель заряда,
2
BY 10468 C1 2008.04.30
созданный в фотодиоде регистрируемым оптическим излучением либо возникающий за
счет термогенерации, не достигнет области лавинного умножения носителей и не инициирует микроплазменный пробой, приводящий к протеканию через фотодиод импульса
электрического тока. Таким образом, генерируется сигнал с лавинного фотодиода. Когда
импульс напряжения питания прекращается, то напряжение питания ЛФД становится
меньше напряжения пробоя, и импульсы электрического тока в ЛФД не возникают. Импульсы напряжения питания и микроплазменные импульсы с нагрузочных резисторов лавинного фотодиода поступают на вход широкополосного усилителя. После усиления все
эти импульсы передаются на вход дифференциального амплитудного дискриминатора.
Так как импульсы ЛФД имеют меньшую амплитуду, чем импульсы напряжения питания,
то путем выбора порогов дискриминации оказывается возможным выделить микроплазменные импульсы ЛФД, скорость счета которых регистрируется частотомером.
Амплитуда импульсов дополнительного напряжения питания для различных типов
фотодиодов может изменяться от 0,1 В до 1 В и более, в то время как амплитуда микроплазменных импульсов ЛФД изменяется от 1 мВ до 10 мВ. В связи с этим используемый
усилитель должен иметь весьма широкий динамический диапазон, так как в противном
случае может произойти его перегрузка. Использование усилителя с большим динамическим диапазоном и высоким коэффициентом усиления усложняет устройство. Кроме того,
устройство, адаптированное к одному типу фотодиодов, не всегда может быть использовано с ЛФД другого типа.
При работе лавинных фотодиодов в режиме счета фотонов необходимо стабилизировать положение "рабочей точки". Под "рабочей точкой" понимается величина ∆U превышения напряжением питания напряжения пробоя ЛФД. Это связано с тем, что рабочие характеристики лавинного фотодиода в режиме счета фотонов (квантовая эффективность
регистрации, скорость счета импульсов и др.) зависят от ∆U. В процессе работы лавинного фотодиода напряжение его пробоя изменяется из-за изменения параметров окружающей среды. Это приводит к изменению величины ∆U, а значит и к изменению рабочих характеристик фотодиода.
При детектировании оптического излучения наряду с микроплазменными импульсами, вызванными оптическим излучением (сигнальные импульсы), будут регистрироваться
и импульсы, образованные термогенерированными носителями заряда (темновые импульсы), что также будет ухудшать точность измерения интенсивности оптического потока.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений интенсивности оптического излучения с помощью лавинного фотодиода, работающего в режиме счета фотонов, за счет устранения погрешностей, вносимых темновыми импульсами и
нестабильностью напряжения лавинного пробоя p-n-перехода, а также снижение требований к отдельным узлам устройства и расширение его функциональных возможностей за
счет обеспечения возможности использования разных типов лавинных фотодиодов без
переналадки схемы.
Сущность изобретения заключается в том, что счетчик фотонов на базе лавинного фотодиода содержащий светофильтр, лавинный фотодиод, источник питания, первый усилитель, первый и второй резисторы, дискриминатор, первый и второй генераторы импульсов, причем анод лавинного фотодиода соединен с первым выводом первого резистора,
второй резистор включен между вторым выводом первого резистора и корпусом устройства, выход первого усилителя соединен с первым входом дискриминатора, выход первого
генератора соединен с управляющим входом второго генератора, дополнительно введены
третий, четвертый и пятый резисторы, первый и второй транзисторы, первый и второй
конденсаторы, первую и вторую схемы И, инвертор, счетчик импульсов, регистр, цифроаналоговый преобразователь и второй усилитель, причем вход управления светофильтра
соединен с первым выходом первого генератора, выход второго генератора соединен с базами первого и второго транзисторов, выход источника питания соединен с коллекторами
3
BY 10468 C1 2008.04.30
этих транзисторов и катодом лавинного фотодиода, третий, четвертый и пятый резисторы
соединены последовательно друг с другом, причем первый вывод третьего резистора, являющийся первым выводом этой последовательной цепочки, соединен с выходом источника питания, а второй вывод пятого резистора, являющийся вторым выводом этой последовательной цепочки, - с корпусом устройства, эмиттер первого транзистора подключен в
точку соединения первого и второго резисторов, а эмиттер второго транзистора - в точку
соединения четвертого и пятого резисторов, первый конденсатор включен между анодом
фотодиода и прямым входом первого усилителя, а второй конденсатор - между точкой соединения третьего и четвертого резисторов и инверсным входом первого усилителя, второй вход дискриминатора соединен с первой входной клеммой подачи регулируемого напряжения, выход дискриминатора соединен с первыми входами первой и второй схем И,
второй вход первой схемы И соединен со входом, а второй вход второй схемы И с выходом инвертора, вход инвертора подключен ко второму выходу первого генератора, выходы первой и второй схем И соединены с суммирующим и вычитающим входами счетчика
соответственно, выходы счетчика являются выходами устройства, а также подключены ко
входам регистра, выходы регистра соединены со входами цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с прямым входом второго усилителя, второй вход которого
соединен со второй входной клеммой подачи регулируемого напряжения, а выход соединен
с управляющим входом второго генератора, при этом входы первого генератора, регистра и
счетчика соединены со входом начальной установки устройства, а светофильтр установлен таким образом, что перекрывает световой поток, подаваемый на лавинный фотодиод.
Введение новых элементов в известное устройство позволяет устранить погрешности,
вносимые темновыми импульсами и нестабильностью напряжения пробоя ЛФД, а также
снижает требования к характеристикам усилителя и позволяет использовать в составе устройства различные типы лавинных фотодиодов.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и 2. На фиг. 1 показана схема устройства, а
на фиг. 2 - временная диаграмма его работы.
Устройство включает в себя: ЛФД - лавинный фотодиод, R1, R2, R3, R4, R5 - резисторы, Т1 и Т2 - транзисторы, С1 и С2 - конденсаторы, СФ - управляемый светофильтр, ИП источник постоянного напряжения питания, Г1 - первый генератор электрических тактовых импульсов, Г2 - второй управляемый генератор импульсов, У1 - усилитель импульсов
ЛФД, Д - дискриминатор, И1 и И2 - логические элементы И, СТ - реверсивный счетчик
импульсов, Инв - инвертор, ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь, Р - регистр, У2 усилитель обратной связи.
Устройство функционирует следующим образом. Сигналом "Начальная установка"
сбрасывается счетчик СТ результатов измерения, заносится начальный код в регистр Р
обратной связи, а по заднему фронту этого сигнала включается тактовый генератор Г1.
Последний формирует несимметричную последовательность сигналов, управляющую
входным светофильтром СФ и схемами И1 и И2, с помощью которых разделяется поток
регистрируемых сигналов.
На ЛФД одновременно с постоянным напряжением питания, создаваемым источником
ИП, подается импульсное напряжение от управляемого генератора импульсов напряжения
Г2 через транзистор Т1, включенный по схеме эмиттерного повторителя и резистор R1.
Резистор R2 используется как нагрузочное сопротивление. Генератор Г2 формирует последовательность импульсов, амплитуда которых определяется уровнем сигнала с выхода
усилителя обратной связи У2.
Генератор Г1 определяет положение этих импульсов на временной оси таким образом,
чтобы исключить их появление в момент переходных процессов, возникающих на фронтах сигналов, когда открывается или закрывается входной светофильтр СФ.
Базовый уровень выходных сигналов Г2 смещен в положительную область для обеспечения устойчивой работы эмиттерных повторителей на транзисторах Т1 и Т2.
4
BY 10468 C1 2008.04.30
В результате, когда потенциал на выходе Г2 имеет высокое значение, суммарное напряжение питания, приложенное к ЛФД, меньше напряжения его пробоя и сигналы на выходе ЛФД отсутствуют. При понижении потенциала на выходе Г2 суммарное напряжение
питания становится больше напряжения пробоя p-n-перехода и фотодиод в этот период
работает в режиме счета фотонов. С повышением потенциала на выходе генератора Г2 лавинный фотодиод выводится из режима счета фотонов за счет увеличения напряжения на
резисторе R2.
При возникновении микроплазменных импульсов тока в ЛФД они выделяются на резисторе R1 и накладываются на сигнал импульсного питания, поданный на резистор R1 с
выхода эмиттерного повторителя Т1, как это показано на фиг. 2 для анода ЛФД, и поступают на прямой вход дифференциального усилителя У1. Одновременно через симметричную цепочку - транзистор Т2 и резистор R4 - собственные управляющие сигналы генератора Г2 подаются на инвертирующий вход дифференциального усилителя У1. Резистор
R5 служит в качестве нагрузочного для транзистора Т2. Резисторы R4 и R5 выбираются
равными по величинам резисторам R1 и R2 соответственно. Используются одинаковые
транзисторы Т1 и Т2. Сопротивление R3 подбирается близким к сопротивлению ЛФД в
допробойном состоянии. В результате управляющие сигналы на выходах У1 компенсируют друг друга и на его выходе присутствуют только усиленные микроплазменные импульсы ЛФД. Сигналы с усилителя импульсов поступают на дискриминатор Д, где происходит их стандартизация по длительности и амплитуде. Порог амплитудной дискриминации устанавливается несколько выше амплитуды шумов усилителя.
Инвертор Инв с элементами И1 и И2 обеспечивает разделение во времени процессов
регистрации потока входных оптических сигналов, когда входной светофильтр СФ открыт, и регистрации темновых импульсов, которые возникают при закрытом светофильтре на входе.
Для этого калибровочный цикл подсчета темновых импульсов и рабочий цикл регистрации входных сигналов, в котором присутствуют как сигнальные, так и темновые импульсы, чередуются в соответствии с сигналами тактового генератора Г1. В то время, когда на выходе генератора импульсов Г1 потенциал соответствует логическому нулю,
светофильтр закрыт и происходит калибровочный цикл. При этом элемент И1 блокирован
сигналом тактового генератора, а элемент И2 сигналом инвертора Инв наоборот разблокирован. Сигналы с выхода дискриминатора через логический элемент И2 поступают на
вычитающий вход счетчика СТ. В результате к моменту окончания калибровочного цикла
в счетчике содержится информация, соответствующая числу поступивших темновых импульсов в дополнительном коде.
С момента появления на выходе генератора Г1 логической единицы калибровочный
цикл заканчивается и начинается рабочий цикл. В рабочем цикле измерений элемент И2
закрыт, а через открытый элемент И1 сигнальные импульсы поступают на суммирующий
вход одного из старших разрядов того же счетчика СТ.
Генератор Г1 формирует несимметричную последовательность импульсов, в которой
длительность нулевого состояния больше длительности единичного состояния, чтобы калибровочный цикл был в несколько раз длиннее, чем рабочий цикл измерений. Это обусловлено тем обстоятельством, что интенсивность потока темновых импульсов много ниже интенсивности потока сигнальных импульсов.
Соотношение длительности калибровочного tкалибр и рабочего tpa6 циклов выбирается
кратным степени 2:
t калибр
= 2 k.
t раб
Темновые импульсы поступают на вход младшего вычитающего разряда счетчика, а
импульсы входного потока - на суммирующий вход (k + 1)-го разряда.
5
BY 10468 C1 2008.04.30
Так, например, если tкалибр в 4 раза больше tpaб, то есть k = 2, то темновые импульсы
подаются на вход первого, а регистрируемая входная последовательность, содержащая
сигнальные и темновые - на вход третьего разряда.
Таким образом, обеспечивается автоматическое вычитание из результата регистрации
входного потока числа темновых импульсов и по окончании рабочего цикла содержимое
счетчика отражает интенсивность потока сигнальных импульсов. При этом отрицательный знак выходного кода означает, что сигнальный поток слаб и не может быть выделен
на фоне темновых импульсов.
Кроме того, оценка числа темновых импульсов используется для стабилизации рабочего режима ЛФД, т.к. эта полупроводниковая структура может несколько менять свои
характеристики под действием внешних факторов и прежде всего, температуры.
Для этого подсчитанный код числа темновых импульсов по окончании цикла калибровки дополнительно фиксируется в регистре Р. Содержимое регистра преобразуется
цифро-аналоговым преобразователем ЦАП в уровень напряжения и поступает на вход
усилителя обратной связи У2. Последний сравнивает его с предустановленным порогом, а
усиленный сигнал рассогласования подается на генератор Г2, управляя его амплитудой
таким образом, чтобы число темновых импульсов оставалось примерно постоянным.
С работой генератора импульсов Г1 синхронизируется работа светофильтра таким образом, что засветка ЛФД осуществляется только во время цикла измерения, в оставшееся
время оптическое излучение не попадает на ЛФД.
Источники информации:
1. Патент США 5721424, МПК H 01J 40/14, 1998.
2. Гулаков И.Р., Зеневич А.О. Одноквантовая регистрация с использованием стробируемого кремниевого лавинного фотодиода // Приборы и техника эксперимента. - 2001. № 4. - С. 137-139.
Фиг. 2
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
6
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
183 Кб
Теги
by10468, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа