ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ В БИОМЕДИЦИНСКИХ ИССЛЕДОВАНИЯХ

Фотоэлектрические ИП очень часто используются в фотоплетизмографии для получения кривой обычного пульса и состоят из источника света (лампы накаливания или светодиода) и приёмника (фотодиода или фоторезистора). Нарушение передачи света от источника к приёмнику служит информацией о нахождении объекта в фотоячейке.

Источники оптического излучения

Наиболее распространённый источник оптического излучения — Солнце. В некоторых датчиках используется тепловое излучение от контролируемого объекта. Однако в более сложных системах обычно используются более совершенные источники. Ультрафиолетовое излучение диапазона — от 10 до 400 нм, видимый свет — от 400 до 750 нм, инфракрасное (ИК) излучение — от 750 до 5000 нм. В качестве источников оптического излучения используются лампы накаливания, светодиоды, лазеры. Кроме того, используются различные системы модификаций спектра (светофильтры, монохроматоры), модификации оптического пути (линзы, зеркала, разделительные экраны, диафрагмы) и оптические модуляторы.

Спектральные характеристики некоторых источников света показаны на рисунке 7.1.

Рис. 7.1. Спектральные характеристики некоторых источников света (W — вольфрамовая нить накала)

Фотоприёмники

Фотодиодные приёмники излучения и их измерительные цепи

На практике в качестве приёмников излучения чаще всего применяют pin-диоды, которые имеют слоистую структуру. Особенностью этой структуры является то, что тонкие полупроводниковые слои р и п-типа разделены областью высокоомного кремния (Q. При попадании на pi-переход световых лучей достаточно высокой энергии возникает фототок I_sh (ток короткого замыкания) порядка 0Д...1 А/Вт.

Структура PIN-диода показана на рисунке 7.2.

Рис. 7.2. Структура PIN-фотодиода, подсоединённого к преобразователю

ток — напряжение

Зависимость чувствительности такого фотодиода от длины волны показана на рисунке 7.3, а зависимость фототока (I_sh) от энергии падающего света — на рисунке 7.4.

Рис. 7.3. Спектральная чувствительность типичной кремниевой ячейки

Рис. 7.4. Зависимость фототока от энергии падающего света (R_l — сопротивление нагрузки)

Существует два основных режима работы фотодиодов: фотоэлектрический и фотопроводящий. В первом случае к фотодиоду не прикладывается никакого напряжения смещения. Это приводит к отсутствию темнового тока, поэтому здесь присутствует только тепловой шум. Такой режим даёт возможность получить наилучшую чувствительность при низких уровнях излучения. Однако из-за увеличения ёмкости перехода ухудшается быстродействие диода и чувствительность к излучениям больших длин волн.

В качестве измерительных цепей фотодиодных приёмников, работающих в фотоэлектрическом режиме, используются преобразователи ток — напряжение, выполненные на операционных усилителях. Типичные схемы для преобразователя ток — напряжение показаны на рисунке 7.5.

Большой собственный коэффициент усиления ОУ приводит к тому, что инвертируемый вход является виртуальной землёй, поэтому протекающий через резистор R_{o c} (рис. 7.5 а) ток равен току входа I_sh. Следовательно, выходное напряжение определяется соотношением U_BUX =

— _р . т

^ХЛ-о.с ¹sh•

Для ограничения высокочастотных шумов дополнительного и предотвращения самовозбуждения ОУ можно дополнительно параллельно ему включить конденсатор С_доп (10 нФ...100 пФ).

Погрешности схемы, связанные с входными токами, можно уменьшить, включая дополнительный резистор, равный R_{o c}, между инвертирующим входом и землёй.

Рис. 7.5. Типичные схемы измерительных цепей с фотодиодным приёмником измерения

При работе фотодиода в фотопроводящем режиме на него подаётся обратное напряжение смещения. Это ведёт к расширению обеднённой зоны, снижению ёмкости перехода, формированию линейной зависимости фототока от интенсивности излучения в широком диапазоне частот. Однако при увеличении обратного смещения возрастает дробовой шум. На рисунке 7.6 показана рабочая схема усилителя сигнала фотодиода.

Рис. 7.6. Усилитель тока фотодиода

На рисунке 7.7 приведена нагрузочная характеристика фотодиода.

Обратное смещение фотодиода сдвигает нагрузочную линию в третий квадрант, где линейность вольтамперной характеристики выше, чем при работе в фотоэлектрическом режиме. Линия нагрузки пересекает ось напряжений в точке, соответствующей напряжению смещения Е, а её наклон обратно пропорционален коэффициенту усиления ОУ без ОС (А). Верхний предел полосы пропускания фотодиода в фотопроводящем режиме достигает сотен мегагерц, что сопровождается увеличением отношения сигнал/шум.

Рис. 7.7. Фотопроводящий режим работы фотодиода — нагрузочная характеристика

Датчики меньших размеров изготавливают на основе кремниевых фототранзисторов. Со всеми типами датчиков желательно использовать фильтры, пропускающие только инфракрасное излучение, которые прикрывают датчик от люминесцентного освещения, вызывающего наводку с двойной сетевой частотой 100 Гц. Такой фильтр не препятствует прохождению солнечного света или света от ламп накаливания, что способно сместить нулевую линию. Вследствие этого к фотоплетизмографам обычно прилагается светонепроницаемый кожух.

Фотодиод оптопары должен работать в фотогенераторном режиме, то есть без источника запирающего напряжение. Это обусловлено тем, что при снятии фотоплетизмограммы освещённость изменяется на 1 %.