книги из ГПНТБ / Левитин И.Б. Инфракрасная техника

циями тока). Средний квадрат флуктуации тока, вызывающий дробовый эффект, выражается формулой Шотткн:

'ІР = 2 ß 'oA /-

этому шуму и имеет такой же спектр контактный шум, генерируе­ мый в зоне около контактов. Как модуляционный, так и контакт­ ный шумы могут быть снижены путем соответствующей обработки поверхности чувствительного элемента.

Квадрат среднего напряжения шума со спектром III, опреде­

ленного экспериментально на выходе приемника, выражается:

Здесь / — ток через чувствительный элемент; с, а, ß — коэффици­ енты, причем а я 1, ß я 2; I — частота.

Модуляционный и контактный шумы наблюдаются в очень широком диапазоне частот (например, в приемниках из германия при I от Ю - 4 до 107 Гц).

В общем случае зависимость спектральной плотности шума от частоты произвольна и различна для разных по природе шумов. Полоса пропускания А/ может иметь раз­ личную форму, чаще всего форму резонансной кривой. В этом случае связь между А/ и постоянной времени т та­ кова:

т= 1/яД/.

19.Усиление сигналов от приемников инфракрасных излучений (общие соображения]

Выше (гл. 3) уже говорилось о том, что основной пара­ метр приемников излучений—пороговая чувствительность — определяется уровнем шумов. Чем меньше пороговая чувствительность Ф п о р (т. е. чем выше детектирую­ щая способность D*), тем выше качество приемника. Поэ-

90

тому именно уровень шумов не только ограничивает чувст­ вительность приемника, но и определяет его качество или возможность применения в заданных условиях.

Усиление электрических сигналов, получаемых на вы­ ходе приемника излучений, должно подчиняться следую­ щим основным условиям: 1) должно быть создано доста­ точно хорошее соотношение сигнал—шум; 2) это соотно­ шение в процессе усиления по возможности не должно ухудшаться (причиной такого ухудшения может быть до­ бавление к шумам приемника шумов, усилительной схемы и внешние помехи); 3) усилитель должен обеспечивать ста­ бильность коэффициента усиления и линейность (чтобы сигнал на выходе был прямо пропорционален лучистому потоку, падающему на приемник); 4) параметры источника питания должны быть хорошо стабилизированы; должна иметься возможность их регулировки; 5) в приемном уст­ ройстве должен быть предусмотрен фильтр, который про­ пускает высокочастотную составляющую сигнала и подав­ ляет шум.

В ламповом усилителе полный шум складывается из теплового шума (шума Джонсона), дробового шума и шума мерцания (этот вид шума возникает на низких частотах в термокатодах и добавляется к дробовому шуму). Весь

которое называется эквивалентным входным сопротивле­ нием усилителя. При этом средний квадрат напряжения суммарного теплового шума можно рассчитать по формуле Найквиста:

дают при той же полосе пропускания А/ собственным шу­ мом менее Ю - 7 В, то надо стремиться к тому, чтобы собст­ венный шум усилителя не 'превышал шума приемника.

Одной из особенностей схем усиления слабых фотото­ ков является применение предварительных усилителей (предусилителей) из одного или двух каскадов, размещаемых

91

в непосредственной близости (обычно в общем экранирую­ щем кожухе) от приемника излучений.

При передаче слабого сигнала по кабелю на кабель мо­ гут быть наведены значительные электрические помехи. Кабель обладает емкостью, которая сочетается со значи­ тельным сопротивлением нагрузки приемника; это может привести к заметному увеличению постоянной времени схемы, что очень нежелательно. Кроме того, при вибра­ циях двужильного кабеля происходит изменение его ем­ кости, ведущее к появлению микрофонных шумов.

При размещении же предусилителя в непосредственной близости к приемнику излучений предусилитель усили­ вает сигнал на один-два порядка, а затем усиленный сиг­ нал передается на основной усилитель, соединенный с предусилителем кабелем. При этом удельное значение помех, наведенных на кабель, уменьшается в число раз, прибли­ зительно равное коэффициенту усиления предусилителя.

Если добавить к усилителю катодный повторитель с ма­ лым выходным сопротивлением, то влияние емкости кабеля на постоянную времени усилительной схемы заметно уменьшается.

Выбор сопротивления нагрузки Rn в цепи приемника излучений определяется следующими соображениями:

1) при усилении фототоков приемников с внешним фо­ тоэффектом (имеющих высокое внутреннее сопротивление) берут RH также очень высокое (верхний предел его огра­ ничивается частотой усиливаемого сигнала, так как черес­ чур большое значение Rn и емкость проводов цепи фото­ элемента могут недопустимо увеличить постоянную вре­ мени);

2) при усилении фототоков от фоторезисторов чаще всего берут RH равным темновому сопротивлению RTemi чувствительной площадки приемника; однако ввиду того, что при облучении сопротивление чувствительной площадки уменьшается, то при значительной освещенности сопротив­ ление фоторезистора может стать много меньше, чем /?„; это, в свою очередь, приведет к перераспределению паде­ ний напряжения в цепи, и напряжение на фоторезисторе уменьшится, снизится ток сигнала и падение напряжения на сопротивлении нагрузки Rn, вследствие чего нарушится линейность схемы.

Поэтому в схемах, рассчитанных на большие освещен­ ности приемника, следует выбирать Rn в 5—6 раз выше,

92

чем сопротивление приемника, и увеличивать напряжение питания; при этом отклонение линейности схемы будет незначительным.

Выбор ширины полосы пропускания А/ основывается на следующем. Рабочий сигнал на выходе приемника имеет прерывистый спектр (с частотой оптической модуляции), в котором амплитуды высших гармоник быстро убывают. Спектр же шума непрерывен, так что полная мощность шума на выходе измерительной системы пропорциональна ее полосе пропускания А/. Для избирательного усилителя полоса пропускания А/ определяется формулой:

max

где /г — коэффициент усиления по напряжению, завися­ щий от частоты f.

В общем, ширина полосы пропускания А/ должна быть по возможности малой, что снижает уровень шумов. Од­ нако не следует делать А/ слишком узкой, так как: а) уси­ литель должен пропускать сигнал заданной формы; при прохождении через фильтр форма сигнала изменяется, причем длительность процесса установления тем больше, чем меньше А/; б) при оптической модуляции сигнала с оп­ ределенной частотой важно сохранить постоянство скорости вращения модулятора (диска с отверстиями), что удается в пределах до 0,1%. Поэтому А/ не должна быть меньше

1) все элементы схемы предусилителя надо размещать в эк­

амортизацию первого катода усилителя, применять печат­ ный монтаж соединений и т. п. меры снижения механиче; ских воздействий на усилитель и входную цепь; 3) между приемником излучений и электронной схемой следует по­ местить теплоизолирующий экран (из асбеста и т. п.), пре­ дохраняющий приемник от теплового излучения ламп пре­ дусилителя, находящихся в непосредственной близости к нему; 4) цепи накала предусилителя следует питать по­ стоянным током (это резко снизит помехи от сети), а анод­ ные цепи питать от стабилизированного источника.

93

20. Некоторые примеры схем для усиления термо- и фототоков

Приводим некоторые хорошо проверенные схемы уси­ лителей для приемников лучистой энергии, заимствован­ ные из книги, вышедшей недавно под редакцией профессо­ ров В. Г. Вафиади и M. М. Мирошникова [33].

Предварительный ламповый усилитель для радиацион­ ных пирометров. Принципиальная схема этого предусилителя показана на рис. 41. Предусилитель весьма компак­ тен ввиду использования в нем ламп серии «Б». Входной

Рис. 41. Ламповый предусилитель для радиа­ ционных пирометров

каскад (лампа Л1) выполнен по реостатной схеме и охвачен отрицательной обратной связью по току; связь этого кас­ када с катодным повторителем гальваническая. Выходное сопротивление катодного повторения 150 Ом. Ширина по­ лосы предусилителя 25 кГц. Коэффициент усиления 40. Амплитудная характеристика сохраняет линейность в диа­ пазоне от 50 мкВ до 500 мВ.

* Предварительный усилитель на полевых транзисторах.

Схема этого предусилителя показана на рис. 42. Полевые транзисторы весьма удобны благодаря малой входной ем­ кости (2—5 пкф) и очень большому входному сопротивле­ нию (порядка 10" Ом); уровень шумов такой схемы не пре­ вышает шума лампового предусилителя.

Предварительный усилитель на полупроводниковых трио­ дах. Схема этого предусилителя приведена на рис. 43; она рассчитана на использование совместно с фоторезистором

94

из теллуристого свинца. Выходное сопротивление схемы 200 Ом.

Узкополосный усилитель с разделением двойного Т-об­ разного моста от анодной нагрузки каскада. Для повышения

в узкой полосе. Как говорилось выше, ширину полосы про-

R7

6,8к

П

2N22S2

К основному

усилителю

<

R8

15к

Ннагрузке

приемника

R9

15к

Рис. 42. Предусилитель на полевых транзисторах

пускания такого усилителя выбирают с учетом стабиль­ ности скорости вращения модулятора. Сужение полосы осуществляется с помощью двойного Т-образного RC- моста, включенного в цепь обратной связи.

На рис. 44 приведена схема такого рода, входной кас­ кад которой выполнен на двух триодах. Нижний триод выполняет функцию регулируемого сопротивления в цепи катода верхней лампы. Усиленный сигнал с анода послед­ ней лампы (Ѵ2 Л1) поступает на вход катодного повтори­ теля, собранного на лампе Л2. Цепь катод лампы Л2 — управляющая сетка нижнего триода лампы Ѵ2 Л1 пред­ ставляет собой отрицательную обратную связь, которая

95

Косновном усилителю

'Для малых входных сопротив­ лений при использовании In Sb

Рис. 43. Предусилитель на полупроводниковых триодах

Рис. 44. Узкополосный усилитель с разделением двой­ ного Т-образного моста от анодной нагрузки каскада

96

делает каскад селективным при введении в эту цепь RC- фильтра. Из схемы видно, что элементы ^С-фильтра не шунтируют сопротивления анодной нагрузки входного каскада. Катодный повторитель {Л2) выполняет функцию буферного каскада.

Широкополосный усилитель для сканирующих пиромет­ ров. Для сканирующих пирометров .применяются усили­ тели с широкой полосой пропускания, зависящей от ско­ рости сканирования (А/ в этом случае может достигать

Рис. 45. Широкополосный усилитель для сканирующих пирометров

25—30 кГц). Эти І^С-усилители с двумя-тремя каскадами усиления оканчиваются катодным повторителем для со­ гласования с выходом регистрирующего устройства (само­ писца, электронного осциллографа и т. п.).

На рис. 45 показана схема такого усилителя с коррек­ цией амплитудно-частотных искажений других звеньев усилителя. Первый и второй каскады усилителя выпол­ нены по схеме с общим катодом (лампы Л1 и Л2).

Регулятором высокочастотной коррекции служит пере­ ключатель П1, низкочастотной — переключатель П2. Третьим каскадом является катодный повторитель (лампа ЛЗ). Переменное сопротивление в цепи катода регулирует величину отрицательной обратной связи всего усилителя.

97

4 Заказ №. 613

21.Фотоэлектрооптический усилитель

Для усиления слабых сигналов, например малых токов от термоэлементов, в ряде приборов, например в автомати­ ческих инфракрасных спектрометрах, применяется фото­ электрооптический усилитель (ФЭОУ) проф. Б. П. Козы­ рева с серннстосеребряными вентильными фотоэлементами.

Принцип действия этого усилителя показан на рис. 46. Ток от приемника излучений 5 подается на зеркальный

Рис. 46. Принцип действия фотоэлектрооптического усилителя ФЭОУ

сильноуспокоенный короткопериодный весьма чувстви­ тельный гальванометр 4. Источник света / освещает через объектив 2 растр 3, образованный на стеклянной пла­ стинке непрозрачными полосками, нанесенными на равных расстояниях одна от другой путем распыления алюминия через специальную маску. Объектив 2 проецирует тело накала лампы / на зеркальце гальванометра. Отраженный от зеркальца свет падает на объектив 6, создающий изо­ бражение растра 3 на совершенно таком же растре 7. Пройдя через этот растр, свет попадает na вентильный фо­ тоэлемент 8, ток которого измеряется вторым гальвано­ метром.

В начальном положении на чувствительную площадку фотоэлемента 8 попадает некоторый световой поток, вели­ чину которого можно регулировать нуль-корректором галь­ ванометра 4, поворачивая его зеркальце так, чтобы изо-

98

бражение растра 3 смещалось по растру 7 (сдвигая или раздвигая щели между непрозрачными полосками). При этом добиваются нулевого отклонения второго гальвано­ метра.

При засвете приемника излучений 5 измеряемым лу­ чистым потоком зеркальце этого гальванометра откло­ няется и изменяет взаимное расположение полосок изо­ бражения растров 3 и 7; при этом изменяется и поток, па­ дающий на фотоэлемент 8. При достаточной силе света лампы J фотоэлемент 8 создаст ток, значительно превы­ шающий сигнал от приемника излучений 5.

Усилитель делается из нескольких каскадов, причем коэффициент усиления каждого каскада может достигать нескольких сотен единиц. Число каскадов определяется допустимой нестабильностью схемы, вызываемой шумами и беспорядочными колебаниями зеркальца первого галь­ ванометра из-за броуновского движения молекул воздуха.

4*