Особенности управления медицинскими лазерами. Часть 2. Усилитель фотодиода

В первой части были описаны особенности управления лазером и методы коррекции искажений передаточной характеристики излучателя, имеющей параболический характер зависимости выходной мощности от тока лампы накачки. В этой части подробно рассмотрены особенности режимов работы фотодиода и принципы построения усилителя его выходного сигнала.
1119
В избранное

Прежде чем стало очевидно, что проблема обеспечения требуемой точности управления мощностью лазера выходит за границы электронной части системы, было выдвинуто предположение о некачественной работе усилителя фотодиода PDA, например, из-за высокого уровня шума или дрейфа характеристик используемых операционных усилителей. После критического анализа первоначального варианта (рис. 1), был обнаружен ряд недостатков и принято решение о переделке схемы узла с целью ее удешевления, уменьшения уровня шумов и расширения нижней границы линейного участка динамического диапазона до нуля вольт.

Исходными данными для проектирования PDA является минимальная (50 мВт) и максимальная (5 Вт) мощность излучения, при которой выходной ток фотодиода отличается в 100 раз и равен, соответственно, 0,15 мкА и 15 мкА. Для обеспечения требуемой точности коэффициент преобразования всей электронно-оптической системы должен составлять 500 мВ/ Вт и регулироваться в достаточно широких пределах из-за наличия технологического разброса коэффициента отражения дихроичного зеркала и чувствительности фотодиода.

Первоначальная схема усилителя PDA

Рис. 1. Первоначальная схема усилителя PDA

Первоначально фотодиод находился под обратным смещением, равным половине напряжения питания (+V/2), что обеспечивало максимальную скорость отклика на переходные процессы. Однако работа в таком режиме отличается повышенным уровнем шума. К тому же, несмотря на установку напряжения смещения на уровне +V/2, коэффициент ослабления синфазного сигнала (Common Mode Rejection Ratio – CMRR) операционного усилителя не бесконечен, а значит, в сигнале на выходе PDA присутствует еще и дополнительная синфазная помеха. Микросхема OP-07, являющаяся хоть и более дорогим, но все же усилителем общего назначения, имеет хорошие входные характеристики, включая низкий уровень шума, и вряд ли является причиной заметного дрейфа мощности лазера. Поэтому в первую очередь был проанализирован выбор модели и режима работы фотодиода.

Фотодиод является одним из критически важных элементов данной системы. Он обеспечивает преобразование светового излучения в электрический сигнал, поэтому стабильность его характеристик напрямую связана с точностью регулирования мощности лазера. В данном проекте был использован германиевый прибор семейства EG&G Judson J16 со стандартной структурой p-n перехода и круглой формой активной области диаметром 1 мм, способный работать в диапазоне частот от 100 Гц до 100 МГц. J16 имеет максимум чувствительности на длине волны 1,55 мкм при температуре 25°C. На близкой к излучению NdYAG-лазера (1,32 мкм) длине волны 1,3 мкм его чувствительность равна 0,65 А/ Вт. Температурный дрейф чувствительности, который очень сложно компенсировать электронной частью схемы, равен 0%/°C только на длине волны 1,55 мкм. При меньших длинах волн температурный дрейф практически постоянен и равен –0,1%/°C, а вот для излучения с большей частотой он начинает резко возрастать, достигая +3%/°C при длине волны 1,8 мкм.

Кроме того, при температуре 25 °C и обратном напряжении 10 мВ эквивалентное внутреннее сопротивление выбранного фотодиода составляет не менее 100 кОм. При подаче на этот прибор максимально допустимого обратного напряжения 5 В типовое значение его темнового тока равно 2 мкА, а максимальное – 5 мкА. Емкость p-n перехода при нулевом напряжении между электродами равна 1 нФ, а зависимость выходного тока от плотности потока мощности падающего излучения имеет линейный характер.

Поскольку, согласно техническому заданию, максимальное отклонение мощности лазера не должно превышать ±5% в течение четырех часов, можно предположить, что данный фотодиод теоретически прекрасно подходит для данной системы.

Однако превосходные характеристики фотодиода еще не означают, что система будет хорошо и стабильно работать, поскольку это во многом зависит от его режима работы. В общем случае, фотодиод, как фотоэлектрический преобразователь, может функционировать в одном из двух режимов: при нулевом (токовый режим) и ненулевом (режим напряжения) обратном смещении.

При ненулевом, составляющем несколько вольт, обратном смещении попадающие в активную область фотоны создают в обедненной зоне p-n перехода пары неосновных носителей заряда, которые устремляются к электродам с противоположными полярностями, создавая выходной ток. Преимуществом работы в этом режиме является уменьшение общей емкости фотодиода, которое происходит как за счет увеличения толщины p-n перехода, а, следовательно, уменьшения барьерной емкости, так и за счет уменьшения объемного заряда, что приводит к снижению диффузионной емкости. В результате значительно возрастает быстродействие фотодиода. Однако значительная величина обратного напряжения приводит к ускорению неосновных носителей заряда, что в свою очередь  приводит к лавинному увеличению их концентрации. Поскольку пары «электрон-дырка» могут генерироваться не только в результате поглощения фотонов, но и под действием температуры, увеличение обратного напряжения приводит к увеличению темнового тока (тока, протекающего через фотодиод при отсутствии освещения кристалла), что является существенным недостатком этого режима. Например, для J16 при обратном напряжении 5 В темновой ток равен 2 мкА. Поскольку при минимальной мощности лазера выходной ток фотодиода равен 15 мкА, то очевидно, что при малых уровнях излучения в контуре обратной связи будет присутствовать заметный шум.

Поскольку для данного приложения скорость реакции не является приоритетной, то имеет смысл уменьшить величину обратного напряжения до нуля и, тем самым, перевести фотодиод в токовый режим. Существенным недостатком этого варианта работы является значительное уменьшение быстродействия из-за увеличения емкости фотодиода. Однако теперь, при величине обратного напряжения 10 мВ, темновой ток равен всего 0,1 мкА, что позволяет значительно повысить точность стабилизации мощности лазера при малых уровнях излучения.

Кроме этого первоначальная схема (рис. 1) обладает еще одним существенным недостатком: фотодиод, подключенный непосредственно к неинвертирующему входу операционного усилителя, не имеет никакой резистивной нагрузки. Это означает, что дополнительное падение напряжения, создаваемое между его выводами под действием генерируемого тока, определяется только его внутренним шунтирующим сопротивлением. Для фотодиода J16 при обратном напряжении 10 мВ оно равно 100 кОм. Таким образом, в режиме ненулевого смещения и при отсутствии светового облучения темновой ток величиной 2 мкА создает на внутреннем шунтирующем сопротивлении падение напряжения 200 мВ, которое уменьшает напряжение на неинвертирующем входе операционного усилителя до величины V/2 – 0,2 В, тем самым сужая динамический диапазон PDA. Кроме этого, несмотря на то, что уровень полезного сигнала в режиме напряжения значительно больше, чем в токовом режиме, его величина сильно зависит от температуры. Согласно технической документации, внутреннее сопротивление фотодиода J16 при изменении температуры с 25 °С до 50 °С изменяется в 10 раз. Таким образом, первоначальная схема PDA не является термостабильной.

В итоговой схеме усилителя фотодиода (рис. 2) вместо двух различных операционных усилителей была использована микросхема LTC1051 производства компании Linear Technology Inc (в 2017 году вошла в состав Analog Devicesпримечание переводчика), содержащая два чопперных операционных усилителя с нулевым дрейфом и приемлемыми техническими характеристиками: полоса пропускания – 2,5 МГц; напряжение смещения – 0,5 мкВ; температурный дрейф напряжения смещения – 10 нВ/°С в полосе частот от 0...10 Гц и размах входного шумового напряжения 1,5 мкВ в полосе частот от 0,1...10 Гц. 

Итоговая схема усилителя PDA

Рис. 2. Итоговая схема усилителя PDA

Эта микросхема, учитывая ее низкую стоимость и превосходные входные характеристики, хорошо подходит для данного приложения. Из ее недостатков можно отметить только наличие высокочастотного шума во входной цепи, обусловленного особенностями работы микросхемы. Но поскольку для управления лазером достаточно полосы пропускания 70 Гц, этим можно пренебречь.

Первый каскад PDA является трансимпедансным усилителем, усиление которого определяется сопротивлением резистора R1, равным 10 кОм. Конденсатор С4 емкостью 150 пФ, включенный параллельно резистору R1, предназначен для коррекции амплитудно-частотной характеристики. Вместе с емкостями фотодиода и операционного усилителя он обеспечивает нулевой полюс на частоте 106 кГц. К выходу первого каскада подключен фильтр нижних частот с частотой среза 100 Гц, ограничивающий полосу пропускания и уменьшающий уровень выходного шума PDA.

Второй каскад PDA является классическим усилителем напряжения с регулируемым резистором R5 коэффициентом усиления в диапазоне 2,8...21. Регулировка усиления во втором каскаде позволяет уменьшить коэффициент усиления, и, соответственно, уменьшить уровень шумов. Кроме этого, такая схема включения значительно уменьшает уровень «дребезга» выходного сигнала, появляющегося из-за неидеальности механических подстроечных резисторов.

При входном токе 15 мкА для обеспечения требуемого коэффициента электронно-оптического преобразования 500 мВ/ Вт усиление первого трансимпедансного усилителя должно определяться сопротивлением 33,33 кОм, а коэффициент усиления второго усилителя напряжения должен составлять 3,33, поэтому, возможно, диапазон регулировки усиления второго каскада следовало сосредоточить в пределах этого значения. Для работы контура управления от основного излучения необходимо отобрать часть мощности, относительная величина которой равна:

(15 мкА)/(0,65 А/Вт) х (5 Вт) = 4,6?10–6 (ppm).

Получившаяся малая величина свидетельствует, что использованный в системе метод формирования сигнала обратной связи путем отбора мощности с помощью зеркала является не самым удачным.

В отличие от первоначального варианта, питание новой версии схемы осуществляется двухполярным напряжением, для чего в систему был введен дополнительный источник отрицательного напряжения –5 В. И хотя такой способ питания на самом деле усложняет схему (удаление делителя напряжения +V/2 не в счет), это позволяет расширить динамический диапазон PDA.

Обратите внимание, что в цепи отрицательной обратной связи второго каскада присутствует конденсатор С6, с помощью которого обеспечивается дополнительный нулевой полюс передаточной характеристики. Он необходим для решения проблемы, которая будет описана в следующей части.

Ранее опубликованная глава:

Производитель: Analog Devices, Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
LTC1051CN8#PBF
LTC1051CN8#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 280070 ИНФО PDF
Доступно: 85 шт. от: 1 руб.
Выбрать
условия
поставки
LS: м/сх
LTC1051CN8#PBF от 1 шт. от 763,08
85 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT3086ER#PBF
LT3086ER#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1351893 ИНФО PDF RD
Доступно: 60 шт. от: 2 руб.
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 40V, 2.1A Low Dropout Adjustable Linear Regulator with Monitoring and Cable Drop Compensation
LT3086ER#PBF от 2 шт. от 1070,84
60 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT3086EDHD#PBF
LT3086EDHD#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1874538 ИНФО PDF RD
Доступно: 79 шт. от: 25 руб.
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 40V, 2.1A Low Dropout Adjustable Linear Regulator with Monitoring and Cable Drop Compensation
LT3086EDHD#PBF от 25 шт. от 820,26
79 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT3086EFE#PBF
LT3086EFE#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1874539 ИНФО PDF RD
Доступно: 73 шт. от: 2 руб.
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 40V, 2.1A Low Dropout Adjustable Linear Regulator with Monitoring and Cable Drop Compensation
LT3086EFE#PBF от 2 шт. от 887,23
73 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT3086IFE#PBF
LT3086IFE#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1874541 ИНФО PDF RD
Доступно: 60 шт. от: 2 руб.
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 40V, 2.1A Low Dropout Adjustable Linear Regulator with Monitoring and Cable Drop Compensation
LT3086IFE#PBF от 2 шт. от 1070,34
60 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT3086IR#PBF
LT3086IR#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1874542 ИНФО PDF RD
Доступно: 64 шт. от: 2 руб.
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 40V, 2.1A Low Dropout Adjustable Linear Regulator with Monitoring and Cable Drop Compensation
LT3086IR#PBF от 2 шт. от 1003,27
64 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
LT3086IT7#PBF
LT3086IT7#PBF
Analog Devices, Inc.
Арт.: 1874543 ИНФО PDF RD
Доступно: 69 шт. от: 25 руб.
Выбрать
условия
поставки
LDO Voltage Regulators 40V, 2.1A Low Dropout Adjustable Linear Regulator with Monitoring and Cable Drop Compensation
LT3086IT7#PBF от 25 шт. от 929,66
69 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()