Разработка электронных схем

Разработка фотоприёмного устройства

Для того чтобы принять отраженный от объекта сигнал необходимо фотоприёмное устройство (ФПУ). Оно включает в себя линзу, оптический фильтр, корпус, фотодиод, схему усиления сигнала (Рисунок 5), и компаратор. Максимальная дальность сканирования в первую очередь зависит от ФПУ и уже потом от мощности лазера [10].

Рисунок 5. Первый каскад усилителя.

В схеме используется фотодиод КОФ137 В производства КРЛЗ «Восход», он имеет следующие характеристики:

• · Чувствительность: 0,75 А/Вт;
• · Темновой ток: 10 нА;

Чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

В физике и электронике темновым током называют малый электрический ток, который протекает по фотодиоду, в отсутствии падающих фотонов. Физической причиной существования темнового тока являются случайные генерации электронов и дырок в p-n слоеустройства, которые затем начинают упорядоченно двигаться за счет сильного электрического поля. Темновой ток — один из главных источников шума [11].

Усилитель представляет собой 3 каскада выполненных на ОУ ADA4817−1, технические характеристики которого приведены в [12]. Первый каскад является преобразователем ток-напряжение с коэффициентом усиления 2400. Второй и третий каскады — это одинаковые усилители с коэффициентом усиления 10 (Рисунок 6).

Одним из важнейших расчетов фотоприёмного устройства является энергетический расчет.

У любого фотоприёмника, помимо темнового тока фотодиода, есть шумовой ток, зависящий от полосы пропускания, который рассчитывается по формуле:

(6).

Исходя из формулы (6) шумовой ток прямо пропорционален корню квадратному из полосы пропускания фотоприёмника.

Для нахождения шумового тока рассчитаем полосу пропускания фотоприёмника. Резистор и конденсатор в обратной связи представляют собой фильтр верхних частот, а в паре с обвязочным конденсатором этот резистор образует фильтр верхних частот. Для расчета частоты среза RC-фильтров применяют формулу:

(7).

Используя формулу (7) найдем верхнюю и нижнюю границу полосы пропускания фотоприёмника:

(8).

(9).

Зная значения верхней и нижней границы можно рассчитать полосу пропускания:

(10).

Подставляя значение, полученное в (10), в формулу (6) рассчитаем величину шумового тока:

(11).

Для того чтобы определить полезный сигнал на фоне шумов, он должен быть в 5−10 раз больше чем сумма темнового тока фотодиода и шумового тока приёмника [13]. Зададимся значением полезного сигнала, величиной 3 мкА. Исходя из чувствительности фотодиода, определим мощность оптического излучения, которое должно попадать на него для генерации тока равного 3 мкА:

(12).

Фотоприёмное устройство, помимо фотодиода и схемы усиления, содержит в своём составе оптическую систему, включающую в себя линзу диаметром 30 мм и фокусным расстоянием 51 мм, и оптический фильтр, пропускающий только излучение с длинной волны 905 нм. Оптический фильтр необходим для уменьшения влияния засветки на фотодиод. Он расположен между линзой и фотодиодом, при его установке необходимо учитывать что фокусное расстояние увеличится на величину равную толщине фильтра. Это происходит потому, что свет распространяется в фильтре параллельными лучами.

Для того чтобы определить максимально возможное расстояние, на котором полезный сигнал будет различим на фоне шумов, проведем энергетический расчет. Лазерный луч, попадая на объект, отражается от него в виде полусферы, и в результате не все излучение попадает на фотоприёмник (Рисунок 7).

Рисунок 7. Отражение лазерного луча от объекта сканирования. 1 — ФПУ; 2 — лазерный излучатель; 3 — объект сканирования.

Конус, образующийся площадью линзы фотоприёмника и расстоянием до объекта сканирования, называется зрительным углом. Он определяет ту мощность, которая непосредственно попадет на ФПУ. В этом и заключается цель энергетического расчета фотоприёмника.

(13).

— мощность лазерного излучения (для SPLPL90₃); D — диаметр линзы ФПУ (D=30 мм);r — расстояние до объекта.

Преобразовав формулу (13), выведем r:

(14).

Подставив значения в формулу (14) получим максимальное расстояние которое возможно измерить:

(15).

Значение полученное в выражении (15) является идеальным, в реальности же большинство объектов поглощают часть излучения. Для объектов, с отражательной способность 18%, максимальное расстояние будет равно:

(16).

ФПУ включает в себя компаратор, необходимый для получения логического сигнала. В схеме используется компаратор ADCMP600, технические характеристики которого приведены в [14] (Рисунок 8).

Рисунок 8. Компаратор.