Как увеличить чувствительность фототранзистора: РадиоКот :: Повышение чувствительности радиоприёмников.

РадиоКот :: Повышение чувствительности радиоприёмников.

РадиоКот >Статьи >

Повышение чувствительности радиоприёмников.

Всё началось с того, что коллега по работе, устроив дома ремонт, решила избавиться от ставших ей не нужных вещей. Среди кандидатов на выброс оказалась магнитола «National RX-C39F» (одно из подразделений «Matsushita», известное в дальнейшем, как «Panasonic»), купленная в рассвет «застоя», в гремевшем на всей страну, магазине «Берёзка». Аппарат был в идеальном состоянии, ну разве что, облеплен вкладышами от жевательных резинок. У меня сжалось сердце, от того, что мечта многих граждан времен моей юности, вот так, бесславно исчезнет в мусорном баке:
Принеся домой, первым делом я отмыл аппарат от наклеек; в результате вот что получилось:

Собственно меня, в большей степени, интересовал встроенный УКВ — тюнер магнитолы. Я живу на границе уверенного приёма, и часть радиостанций, хорошо ловившихся в областном центре, у меня принимались не устойчиво. Правда и пользовался я магнитолкой, прямо скажем, с посредственным тюнером, построенным на одной из недорогих специализированных микросхем (не помню какой).

Поэтому на этот аппарат возлагались определённые надежды, которые, впрочем, в основном оправдались. Магнитола, действительно, ловила гораздо больше станций, но при приёме некоторых были повышенные шумы при приёме в стерео режиме. В результате, после анализа прилагавшейся схемы было принято решение повысить чувствительность тюнера.
УКВ-тюнер магнитолы не имеет каких либо особенностей, однако построен по вполне качественной схеме. Усиление и выделение сигнала ПЧ возложено на специализированную микросхему производства «Toshiba» TA7358. Это позволило улучшить чувствительность и избирательность, по сравнению с тюнерами, построенными по принципу «всё в одном» (например, как в широко распространённой микросхемы CXA1238S). Далее, сигнал поступает на однокаскадный усилитель ПЧ, выполненный на транзисторе Q1, полосовой фильтр CF (10,7мГц) и на микросхему DA2 (AN7220). Последняя микросхема, помимо обработки ПЧ-ЧМ, включает в себя полный АМ-тракт. На ней построен средне-коротковолновый тракт магнитолы.

На рисунке 2 показан участок схемы с усилителем промежуточной частоты тракта ЧМ (выделен красным прямоугольником). Его наличие навело на мысль о повышении чувствительности всего тракта простым способом- заменой штатного однокаскадного усилителя на новый — двухкаскадный. К тому же практически все, качественные УКВ приемники советского производства имеют, такие каскады.
После анализа схемотехники приёмников, были выбраны наиболее «интересные» варианты решений усилителей ПЧ.
На рисунке 3 представлен обычный двухкаскадный усилитель ПЧ:

Как видно никаких особенностей схема не имеет, однако отличается хорошей повторяемостью и стабильностью работы. В промышленных конструкциях он применялся в различных вариантах. Конденсаторы С2 и С3 служат для повышения усиления на рабочих частотах. По этому при избытке усиления их можно включить последовательно с резисторами или вообще не ставить.

Этот вариант и был выбран для модернизации магнитолы.
Кроме этого усилителя, хочется порекомендовать ещё несколько вариантов. Например вот этот:

Как видно на рисунке 4, усилитель представляет собой двухкаскадный усилитель с транзисторами включенными по схеме ОЭ-ОБ. Такое построение усилительного каскада известна как каскодная схема включения. Она обладает высокими входными и выходными сопротивлениями (по этому необходим согласующий трансформатор на выходе), большим коэффициентом усиления по мощности и самое главное — большой широкополосностью и линейностью. Широкополосность усилителя получена благодаря малому сопротивлению нагрузки VT1 и малой проходной ёмкости VT2.

Усилитель, показанный на рисунке 5 построен по схеме ОК-ОБ (дифференциальный каскад). Он обладает существенно более линейной ВАХ, по этому и используется, чаще всего, в аппаратах 0-1 групп сложности (данная схема применялась в магнитоле «Арго-006»). Поскольку входной каскад имеет меньшую крутизну характеристики, в усилителе применён второй каскад на транзисторе VT1, включенный по схеме ОЭ. Между первым и вторым каскадам установлен дополнительный керамический фильтр (10,7 мГц), что повышает избирательность всего УКВ-тракта.

И на последок хотелось бы отметить ещё один усилитель, использовавшийся в тракте ПЧ радиоприёмников (рис.6). Его особенность — интегральное исполнение. По своим характеристикам и внутренней структуре он аналогичен усилителю, показанному на рисунке 3. Изменена только схема выходного каскада (установлен согласующий трансформатор).

Все схемы, показанные на рисунках вполне работоспособны. Они применяются в промышленных магнитолах и радиоприёмниках. Кроме представленных, достаточно часто используется усилитель ПЧ на одном транзисторе (подобно показанном на рисунке 2). В силу простоты схемотехники он не рассматривался.

Указанные усилители, как уже указывалось, могут заменить штатный, заключённый в красный квадрат, на рисунке 2. Правда, необходимо учитывать мелкие особенности: при включении усилителя по схеме на рисунке 4, необходимо применить согласующий трансформатор. Такой узел можно изъять из старых плат зарубежных УКВ приёмников. Они уже настроены на частоту ПЧ. При использовании российских аналогов, необходимо установить параллельно первичной обмотке конденсатор, и настроить контур на частоту 10,7 мГц.
Вход усилителя показанного на рисунке 5 подключен к выводам согласующего трансформатора. В иностранных же радиоприёмниках нижний вывод трансформатора, обычно, подключен к массе, либо к плюсу питания. По этому, при подключении, необходимо будет перерезать токопроводящие дорожки на плате.
Во всех схемах можно применять транзисторы КТ368, КТ347, КТ346, КТ339, КТ306, КТ3127 либо их зарубежные аналоги. В некоторых схемах применялись транзисторы КТ3102, КТ3107 и даже КТ315, КТ361. Однако я такие транзисторы не применял, посему ничего хорошего о них сказать не могу.
Кроме того использовались транзисторные сборки К159НТ1 и микросхема К118УН1.
В заключении отмечу, что показанная на рисунке 2 промышленная схема (с усилителем ПЧ) мне встречалась не часто, а в переносной технике, так вообще, в первый раз. Обычно выход ПЧ-ЧМ входного модуля соединяется напрямую со входом ПЧ- ЧМ демодулятора (через керамический фильтр). Усиления ПЧ сигнала, возложено на входной каскад демодулятора. Как правило, он справляется с этой задачей только в зоне уверенного приёма (в условиях прямой видимости антенны). В таких схемах применение усилителя ПЧ очень желательно.

Вопросы, как обычно, складываем тут.

---

Как вам эта статья?	Заработало ли это устройство у вас?

Тематические статьи по фотонике

Детекторы от компании Thorlabs Фотодиоды Принцип работы Фотодиод – быстродействующее линейное устройство, которое обладает высокой квантовой эффективностью, и генерирует фототок, когда свет поглощается в обедненной области полупроводникового перехода. На рис. 1 представлена эквивалентная схема, отражающая принцип работы фотодиода. Рис.1 Эквивалентная схема фотодиода Уровень выходного тока фотодиода определяется по формуле:  Основные понятия Чувствительность фотодиода определяется как отношение генерируемого фототока (IPD ) к мощности (P) падающего излучения на заданной длине волны. Режимы работы (Фотодиодный и Фотогальванический) Фотодиоды могут работать в двух режимах: фотогальваническом (без внещнего источника эдс) и фотодиодном (с подачей на p- n- переход обратного смещения от внешнего источника эдс). Выбор режима работы зависит от требований к быстродействию и допустимого значения темнового тока (ток обратно смещенного p-n перехода) Фотодиодный режим В фотодиодном режиме используется источник питания, который смещает фотодиод в обратном направлении (фотодетекторы DET серии от компании Thorlabs). При этом через фотодиод течет обратный ток, пропорциональный падающей мощности излучения. Приложение напряжения обратного смещения расширяет обедненный слой, что приводит к уменьшению емкости перехода и обеспечивает линейность отклика. Работа в фотодиодном режиме характеризуется большими значениями темнового тока. Его величина зависит от материала полупроводника. Фотогальванический режим В фотогальваническом режиме фотодиод работает без внешнего источника питания (напряжение обратного смещения отсутствует). Принцип действия фотодиода в этом режиме основан на фотогальваническом эффекте. В таком режиме он может работать в качестве датчика или в качестве элемента питания (солнечной батареи). В фотогальваническом режиме темнового тока принимает минимальные значения. Темновой ток Темновой ток – это ток утечки, который растет при увеличении напряжения обратного смещения. При работе в фотодиодном режиме наблюдаются более высокие значения темнового тока, которые зависят от температуры окружающей среды. При увеличении температуры на 10 °C величина темнового тока увеличивается примерно в 2 раза, а шунтирующее сопротивление удваивается при увеличении температуры на 6 °C. Чем выше напряжение смещения, тем меньше емкость перехода, но тем больше величина темнового тока. Темновой ток также зависит от материала полупроводника и размера активной области. Например, у кремниевых фотодиодов значения темнового тока значительно ниже, чем у германиевых. В таблице ниже представлены различные полупроводниковые материалы и их относительные значения темнового тока, чувствительности, быстродействия и стоимости. Материал Темновой ток Быстродействие Спектральный диапазон Стоимость Кремний (Si) Низкий Высокое Видимый – Ближний ИК Низкая Германий (Ge) Высокий Низкое Ближний ИК Низкая Фосфид галлия (GaP) Низкий Высокое УФ — Видимый Средняя Арсенид галлия-индия (InGaAs) Низкий Высокое Ближний ИК Средняя Антимонид арсенида индия (InAsSb) Высокий Низкое Ближний – Средний ИК Высокая Кадмий-ртуть-теллур (MCT, HgCdTe) Высокий Низкое Ближний – Средний ИК Высокая Емкость перехода Емкость перехода (Cj) является важной характеристикой фотодиода и имеет большое влияние на быстродействие и ширину полосы пропускания фотоприемника. Следует отметить, что емкость p-n перехода зависит от его площади и ширины (она тем больше, чем больше площадь перехода). Приложение напряжения обратного смещения приводит к увеличению ширины обедненного слоя, и таким образом к уменьшению емкости и росту быстродействия. Ширина полосы пропускания и отклик Нагрузочное сопротивление (RLOAD) и емкость перехода влияют на частотную характеристику фотодетектора. Ширину полосы пропускания (fBW) и время нарастания (tr) можно оценить по формулам: Эквивалентная мощность шума (NEP) Эквивалентная мощность шума (NEP) это среднеквадратическое значение генерируемого напряжения, когда отношение сигнал/шум равно единице. Данная величина характеризует способность детектора регистрировать слабые световые сигналы. Эквивалентная мощность шума возрастает при увеличении площади активной области и определяется по формуле: , где S/N – отношение сигнал/шум, Δf — ширина шумовой полосы частот, Incident Energy – энергия светового потока (единицы измерения Вт/см2). Согласованное нагрузочное сопротивление Нагрузочное сопротивление используется для преобразования генерируемого фототока в напряжение (VOUT): В зависимости от типа фотодиода сопротивление нагрузки может повлиять на скорость отклика. Для обеспечения оптимальной ширины полосы пропускания компания Thorlabs рекомендует использовать коаксиальный кабель (50 Ом) с терминатором на 50 Ом. Это минимизирует паразитные затухающие колебания благодаря согласованной нагрузке. Если ширина полосы пропускания не важна, то выходное напряжение можно увеличить путем увеличения нагрузки (RLOAD). При несогласованной нагрузке длина коаксиального кабеля может иметь большое влияние на отклик фотодетектора, поэтому рекомендуется использовать короткий кабель. Шунтирующее сопротивление Шунтирующее сопротивление – это сопротивление несмещенного перехода. Идеальный фотодиод будет иметь бесконечное шунтирующее сопротивление, но реальные приборы имеют сопротивление порядка 10 Ом – 1000 МОм, значение которого зависит от материала фотодиода. Например, InGaAs детекторы обладают шунтирующим сопротивлением порядка 10 МОм, тогда как сопротивление Ge детектора составляет несколько кОм. Это может существенно повлиять на уровень шума, но для большинства приложений высокое сопротивление оказывает незначительное влияние и им можно пренебречь. Последовательное сопротивление Последовательное сопротивление определяется сопротивлением полупроводникового материала. Оно пренебрежимо мало, и его влиянием в большинстве случаев можно пренебречь. Последовательное сопротивление возникает благодаря контактам и проводным соединениям фотодиода. В основном оно используется для определения линейности фотодиода при нулевом смещении. Стандартные схемы детекторов Рис.2 Схема детекторов с обратно смещенным диодом (детекторы DET серии) На рис.2 представлена схема, отражающая принцип работы детекторов DET серии с обратно смещенным фотодиодом. Величина генерируемого фототока зависит от светового потока и длины волны излучения. При подключении нагрузочного сопротивления данную величину можно наблюдать с помощью осциллографа. Функция RC-фильтра заключается в подавлении высокочастотного шума источника питания. Рис.3 Схема детектора с усилителем При использовании схемы фотоприемников с усилителем пользователь может выбирать режим работы фотодиода (фотогальванический или фотодиодный). Каждый режим обладает своими преимуществами: — Фотогальванический режим: в фотогальваническом режиме к диоду не прикладывается напряжение, и потенциал на входе A операционного усилителя равен потенциалу в точке B. При работе в таком режиме темновой ток пренебрежимо мал. — Фотодиодный режим: в фотодиодном режиме к p-n переходу приложено напряжение обратного смещения, что уменьшает емкость перехода и увеличивает полосу пропускания. Усиление зависит от резистора обратной связи (Rf). Ширина полосы пропускания детектора определяется по формуле: , где GBP – это произведение коэффициента усиления на ширину полосы пропускания ОУ, CD – сумма емкости перехода и усилителя. Частота модуляции Спектральная плотность шума большинства детекторов, включая PbS, PbSe, HgCdTe (MCT) и InAsSb, имеет зависимость вида 1/f (шум уменьшается при увеличении частоты), что оказывает значительное влияние на постоянную времени в области низких частот. Таким образом, частота модуляции (скорость изменения интенсивности) излучения оказывает влияние на чувствительность прибора. Оптимальные значения характеристик фотоприемника достигаются при частоте:   Срок службы батареи При использовании фотодетектора, работающего от батареи, важно понимать, каков срок службы аккумулятора и как он влияет на работу детектора. Выходной ток детектора прямо пропорционален потоку падающего излучения. Большинство пользователей преобразуют этот ток в напряжение с помощью согласованной нагрузки. Величина сопротивления приблизительно равна коэффициенту усиления схемы. Для высокоскоростных детекторов, например, таких как DET08, необходимо использовать нагрузку с сопротивлением 50 Ом для согласованности с импедансом стандартных коаксиальных кабелей. Это позволит уменьшить обратные отражения и улучшить качество выходного сигнала. Срок службы батареи напрямую зависит от тока в детекторе. Большинство производителей батареек выражают срок службы батарейки в мА*ч (миллиампер-час). Например, если аккумулятор рассчитан на 190 мА*ч, он будет работать в течении 190 ч при потреблении тока 1.0 мА. Пусть источник, излучение которого падает на детектор, работает на длине волны 780 нм со средней мощностью 1мВт. Чувствительность детектора на данный длине волны 0.5 А/Вт. Фототок можно рассчитать по формуле: Таким образом срок службы батареи равен: или 16 дней непрерывной работы. При уменьшении средней мощности падающего излучения до 10 мкВт, срок службы той же батарейки увеличится до 4 лет непрерывной работы. При использовании рекомендуемой согласованной нагрузки в 50 Ом, фототок (0.5 мА) преобразуется в напряжение:Если величина мощности падающего излучения уменьшится до 40 мкВт, то выходное напряжение станет равно 1 мВт. Для некоторых измерительных устройств, данное значение может оказаться слишком маленьким, поэтому необходимо искать компромисс между сроком службы батареи и точностью проводимых измерений. При использовании детекторов на батарейках необходимо использовать излучение малой интенсивности, учитывая минимально необходимый уровень напряжения. Также важно помнить, что батарейка перестанет производить ток не сразу, как только приблизится к концу срока своей службы. Сначала напряжение батарейки упадет, и электрический потенциал, прикладываемый к фотодиоду уменьшится. А это в свою очередь приведет к увеличению времени отклика детектора и уменьшению ширины полосы пропускания. Таким образом, важно убедиться, что батарейка обеспечивает достаточное напряжение для оптимальной работы детектора. Для задач, в которых детекторы DET серии, облучаются непрерывно источником достаточно высокой мощности, или постоянная замена батарей является неприемлемой, компания Thorlabs предлагает адаптер DET1B и источник питания. Недостатком этого варианта является шум, который добавится к выходному сигналу и может увеличить погрешность измерений. PbS и PbSe детекторы Детекторы на основе сульфида свинца (PbS) и селенида свинца (PbSe) широко используются для регистрации излучения в диапазоне от 1000 до 4800 нм. Тогда как фотодиод генерируют ток под воздействием света, у фоторезистора при облучении изменяется величина сопротивления. Хотя PbS и PbSe детекторы можно использовать при комнатной температуре, температурные флуктуации будут оказывать воздействие на темновое сопротивление, чувствительность и быстродействие прибора. Принцип работы При поглощении света в фотопроводящем материале возникают избыточные носители заряда, приводящие к увеличению проводимости и уменьшению сопротивления. Изменение сопротивления приведет изменению величина измеряемого напряжения. На рис. представлена схема, отражающая принцип работы детекторов на основе фотопроводящих материалов. Следует отметить, что представленная схема не рекомендуется для применения на практике из-за присутствия низкочастотных шумов. Механизм детектирования основан на проводимости тонкой пленки светочувствительного элемента. Сигнал на выходе детектора при отсутствии падающего излучения определяется уравнением: Изменение напряжения на выходе ΔVOUT происходит из-за изменения сопротивления ΔRDark, когда свет попадает на активную область датчика: Частотная характеристика Для детекторов зависимость чувствительности от частоты модуляции света имеет вид: , где fc – частота модуляции, R0 – чувствительность при частоте 0 Гц, τr– время нарастания. Воздействие температуры Светочувствительный элемент PbS и PbSe детекторов представляет собой тонкую пленку на стеклянной подложке. Форма и активная область фотопроводящего элемента меняются в зависимости от условий эксплуатации, таким образом изменяя и другие характеристики. В частности, чувствительность детектора будет изменяться в зависимости от рабочей температуры. Охлаждение детектора сместит спектральный диапазон чувствительности в область более длинных волн. Для получения оптимальных результатов рекомендуется использовать представленные детекторы в условиях контроля параметров окружающей среды. Схема детектора на основе фотопроводящего материала с усилителем Из-за шумовых характеристик предпочтительнее включение фоторезистора в цепь переменного тока. При включении фоторезистора в цепь постоянного тока шум, обусловленный приложенным напряжением, будет увеличиваться с ростом напряжения, таким образом, ограничивая чувствительность детектора. Для поддержания стабильности характеристик и получения высоких значений коэффициента усиления сигнала необходимо использовать предусилитель. Согласно схеме (рис. выше), операционный усилитель (ОУ) стремится сравнять потенциалы в точках A и B с помощью контура обратной связи. Разница напряжений на входе ОУ усиливается и передается на выход. Следует отметить, что высокочастотный фильтр на входе усилителя не пропускает сигнал постоянного тока. Кроме того, нагрузочное сопротивление должно быть равно темновому сопротивлению детектора, чтобы обеспечить получение максимального сигнала. Величина напряжения источника питания (+V) должна быть такой, чтобы величина отношения сигнал/шум была оптимальной и приближалась к единице. Некоторые задачи требуют более высокого уровня напряжения, что приведет к увеличению уровня шума. Напряжение на выходе определяется по формуле: Отношение сигнал/шум Поскольку уровень шума детектора обратно пропорционален частоте модуляции сигнала, шум будет возрастать на малых частотах. Сигнал на выходе детектора линейно увеличивается при увеличении напряжения смещения, однако шумовые характеристики мало зависят от напряжения смещения при его низком уровне. При достижении определенного уровня напряжения смещения, шум детектора начнет линейно увеличиваться с ростом напряжения. При высоких значениях напряжения шум начнет расти экспоненциально, уменьшая отношение сигнал шум. Для обеспечения оптимального уровня сигнал/шум необходимо регулировать частоту модуляции сигнала и напряжение смещения. Темновое сопротивление Темновое сопротивление – это сопротивление детектора при отсутствии освещения. Следует отметить, что темновое сопротивление будет увеличиваться или уменьшается при изменении температуры. Охлаждение детектора будет снижать величину темнового сопротивления. Обнаружительная способность (D) и удельная обнаружительная способность (D*) Обнаружительная способность (D) — это еще одна величина, используемая для оценки эффективности фотоприемника. Обнаружительная способность характеризует чувствительность и обратно пропорциональна эквивалентной мощности шума (NEP): Чем выше значение обнаружительной способности, тем выше чувствительность, то есть детектор способен регистрировать слабые сигналы. Обнаружительная способность зависит от длины волны падающих фотонов. NEP детектора, а следовательно и его обнаружительная способность зависят от активной области, поэтому сравнение свойств двух детекторов является непростой задачей. Чтобы избавится от этой зависимости, используют удельную обнаружительную способность (D*), которая не зависит от площади детектора и используется для оценки эффективности фотоприемника. В уравнении ниже, А – площадь фоточувствительной области.  Позиционно-чувствительные детекторы Двумерные позиционно-чувствительные датчики Обзор Двумерные позиционно-чувствительные датчики позволяют измерить положение, расстояние перемещения или углы падения пучка, а также они могут использоваться в качестве обратной связи в системах юстирования, например, для контроля положения зеркал, фокусировки микроскопа, и т.д. Детектор определяет положение светового пятна на основе пропорционального распределения фототока, который генерируется в месте падения светового луча. Существует два типа двумерных позиционно-чувствительных датчиков: с двухсторонним расположением электродов и с четырехсторонним расположением электродов. Датчики с двухсторонним расположением электродов обладают резистивными слоями, нанесенными с обеих сторон подложки. Датчик имеет четыре вывода. Фототок распределяется на две входных и две выходных компоненты. Распределение выходных токов определяет положение координаты Y, а распределение входных –координаты X положения пучка. Датчики с четырехсторонним расположением электродов обладают одним чувствительным резистивным слоем, расположенным с одной стороны подложки. Такие датчики значительно дешевле датчиков с двухсторонним расположением электродов. Однако линейность отклика этих датчиков падает по мере удаления пучка от центра. Это связано с расположением анодов по периметру сенсора, особенно нелинейность заметна в углах датчика, где аноды приближаются друг к другу. Компания Thorlabs использует один из вариантов датчиков с четырехсторонним расположением электродов – датчик в форме «подушечки». Модель такого датчика представлена на рисунке сверху. Аноды перемещаются в углы датчика, фигурная форма электродов обеспечивает компенсацию искажений сигнала вблизи периметра. Такая модель обладает линейностью на уровне датчиков с двухсторонним расположением электродов, но значительно меньшей стоимостью. Принцип вычисления положения луча PDP90A детектор от компании Thorlabs оснащен схемой для вычисления Δx, Δy и суммы сигналов по формулам: Согласно этим формулам расстояние в единицах измерения длины можно вычислить с помощью уравнений: где x и y – это расстояния от центра до края сенсора, Lx и Ly – характерные размеры резистивного слоя. Для PDP90A детектора Lx = Ly = 10 мм. Следует отметить, что размеры резистивного слоя не соответствуют размерам активной области датчика. Активная область обозначена на рисунке серым цветом. Погрешность определения положения В отличие от квадрантных датчиков, где требуется перекрытие всех четырех активных областей, представленные датчики позволяют получить информацию о нахождении пучка в любой точке детектора не зависимо от формы, размера и распределения мощности в пучке. Датчик определяет положение центра пятна света до тех пор, пока пятно находится на светочувствительной области. Если часть светового пятна покидает светочувствительную поверхность, это приведет к сдвигу центра, и измерения станут ненадежными. К ошибкам в измерении положения пучка также может привести уровень внешней освещенности. Для уменьшения погрешностей измерения лучше проводить в темноте. Использование фокусирующей оптики и диафрагм, также позволит снизить ошибки, связанные с внешней освещенностью. Разрешение Разрешение позиционно-чувствительного детектора – это минимальное детектируемое смещение светового пятна на поверхности сенсора датчика. Разрешение (ΔR) зависит как от размеров резистивного слоя (Lx или Ly), так и от отношения сигнал/шум (S/N). Отношение сигнал/шум этой системы можно определить как отношение суммы выходных сигналов (Vo) к напряжению шума (en). Шум на выходе детектора PDP90A составляет <2 мВ (двойная амплитуда сигнала) или 300 мкВ (среднеквадратичное значение).  , где ΔR – разрешение, Lx – характерный размер резистивного слоя, en – шумовое напряжение на выходе детектора, Vo – сумма выходных напряжений. Для детектора PDP90A: Для получения оптимальных результатов значение Voнеобходимо увеличить до 4 В, что обеспечит разрешение детектора на уровне 0.750 мкм. Для этого необходимо следить за суммарным выходным сигналом (SUM) сенсора и одновременно регулировать интенсивность падающего излучения, пока напряжение на выходе не станет равно 4 В. Напряжение более 4 В приведет к насыщению системы и, следовательно, к ошибкам в измерениях. С помощью поставляемого программного обеспечения можно легко осуществлять контроль уровня напряжения. Если суммарное напряжение выше уровня насыщения, то ползунок, отображающий уровень суммарного напряжения, станет красным. В этом случае необходимо уменьшить интенсивность излучения до уровня, при котором цвет ползунка станет зеленым. Данное значение будет соответствовать 4 В выходного напряжения. Позиционно-чувствительный детектор на основе квадрантных фотодиодов Сенсор такого детектора состоит из четырех идентичных квадрантных фотодиода, которые разделены зазором ~0.1 мм и вместе образуют круглую зону детектирования для определения положения падающего пучка (в формате 2D). При попадании света на сенсор фототок генерируется в каждой области (на рис. Q1, Q2, Q3 и Q4). На основе этих сигналов с помощью АЦП вычисляются разностные сигналы. Также вычисляется сумма всех четырех сигналов для нормировки. Нормированные координаты (Х, У) положения пучка определяются с помощью уравнений: Если симметричный пучок падает в центр сенсора, то система на выходе зарегистрирует 4 одинаковых фототока, т.е. разностные сигналы будут равны 0, а нормированные координаты (X, Y) = (0, 0). Фототоки изменятся, если пучок сдвинуть относительно центра. В этом случае разностные токи не будут раны 0. Детекторы на основе квадрантных фотодиодов очень точные и отлично подходят для систем автоюстировки. Однако необходимо следить за формой и распределением интенсивности в пучке, т.к. данный вид детекторов чувствителен к этим параметрам. Для пучков, распределение мощности в которых не является Гауссовым, центр будет определяется на основе распределения мощности (не геометрический центр пучка). Для таких пучков предпочтительнее использовать детекторы, описанные в предыдущем пункте. Счетчики одиночных фотонов Лавинные фотодиоды в режиме Гейгера обладают способностью детектировать одиночные фотоны. Чувствительность на уровне одиночных фотонов может быть достигнута за счет увеличения напряжения смещения выше напряжения пробоя (т. А на рис.4). Лавинный фотодиод будет оставаться в метастабильном состоянии, пока не поглотиться фотон, который приведет к генерации лавины (т. B). Эта лавина гасится с помощью активной схемы гашения в фотодиоде (т. C), которая понижает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя (VBR). Рис.4: Вольтамперная характеристика лавинного фотодиода в режиме Гейгера После этого высокое значение напряжения смещения может быть восстановлено. В течении описанного процесса, которое известно как мертвое время диода, лавинный фотодиод нечувствителен к любым падающим фотонам. Когда диод находится в метастабильном состоянии, возможно спонтанное формирование лавин. Если спонтанное формирование лавин происходит хаотично, то зарегистрированный сигнал называется темновым отсчетом. Если спонтанное формирование лавин по времени коррелирует с импульсами от падающих фотонов, то такой сигнал называется послеимпульсом. Чтобы избежать регистрации послеимпульсов при проведении измерений, можно ввести дополнительное мертвое время программными средствами (с помощью ПО), что приведет к игнорированию счетчиком всех импульсов, возникших в течении этого времени. Основные характеристики и понятия Режим Гейгера В этом режиме диод работает при напряжении смещения выше напряжения пробоя. Следовательно, одна электрон-дырочная пара (сгенерированная в результате поглощения фотона или тепловых флуктуаций) может вызвать лавинный процесс. Скорость темнового счета Это средний показатель зарегистрированных отсчетов при отсутствии падающего излучения, который определяет минимальную скорость счета, при которой зарегистрированный сигнал в основном вызван реальными фотонами. Регистрация ложных фотонов в основном связана с тепловыми флуктуациями и таким образом, ее можно избежать с помощью использования охлаждаемых детекторов Активное гашение происходит, когда дискриминатор регистрирует возникновение лавинного тока и резко уменьшает напряжение смещения до значений ниже напряжения пробоя. При подготовке к регистрации следующего фотона напряжение смещения снова увеличивается до значений выше напряжения пробоя. Мертвое время – это временной интервал, который необходим детектору для восстановления состояния, при котором он может регистрировать события без искажений. В течении этого времени он не видит падающих фотонов. Часть мертвого времени, связанная с активной схемой гашения, может быть определена как отношение пропущенных фотонов к падающим. Послеимпульсы Во время лавинного процесса некоторые заряды могут быть захвачены ловушками. При освобождении эти заряды могут привести к формированию лавины. Такие «ложные события» называют послеимпульсами (Afterpulses). Время жизни таких захваченных зарядов составляет порядка нескольких десятых микросекунды. Следовательно, возникновение послеимпульсов более вероятно непосредственно после импульса от реального фотона. Основные модели фотодетекторов от компании Thorlabs В таблице представлены модели фотодетекторов от компании Thorlabs. Модели, расположенные в одной и той же строке, оснащены одинаковыми светочувствительными элементами. Примечания: aКалиброванный фотодиод bКорпус TO-46 cКорпус TO-46 + разъем FC/PC ФЭУ Принцип работы С момента появления первых коммерческих ФЭУ в 1940 году, этот вид детекторов остается одним из самых популярных при проведении экспериментов, в которых требуется малое время отклика и высокая чувствительность. Сегодня ФЭУ незаменимы при проведении исследований в области аналитической химии, физики элементарных частиц, астрономии, атомной и молекулярной физики, а также в медицине и контроле производственных процессов. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ) – это чувствительные детекторы с высоким коэффициентом усиления, выходной ток которых пропорционален падающему излучению. ФЭУ состоит из стеклянной вакуумной трубки, в которой расположены фотокатод (фотоэмиссионный материал), 8-14 динодов (вторичная эмиссия) и анод (коллектор вторичных электронов). Если фотон с достаточно высокой энергией (т.е. с энергией больше энергии связи электронов материала фотокатода) падает на фотокатод, то он поглощается и испускается электрон (фотоэффект). Поскольку на первом диноде потенциал выше, чем потенциал на катоде (между этими элементами создается разность потенциалов), то выпущенный электрон ускоряется в электрическом поле и направляется на систему динодов, где за счет вторичной (ударной) электронной эмиссии образуют нарастающую от динода к диноду электронную лавину, поступающую на анод. Как правило, каждый динод обладает потенциалом, который на 100 – 200 В выше, чем потенциал предыдущего динода. Ток анода преобразуют в напряжение, для этого нагрузку с малым сопротивлением включают в цепь между анодом и землей. ФЭУ PMM01 и PMM02 от компании Thorlabs используют трансимпедансный усилитель (TIA) для преобразования тока анода (нА или мкА) в напряжение (мВ или В). Модули PMTSS, PMTSS2, и PMTSS2-SCM не содержат трансимпедансного усилителя. Например, если ФЭУ состоит из 8 динодов, как показано на рис. ниже и каждый электрон приводит к появлению 4 вторичных электронов, то усиление тока после системы динодов будет составлять 48 ≈ 66,000. В приведенном примере, каждый фотоэлектрон приводит к появлению лавины с зарядом Q = 48e, которая приходит на анод. Импульс напряжения при этом равен V = Q/C = 48e /C, где C – емкость анода. Если емкость равна 5 пФ, то напряжение импульса на выходе будет равно 2.1 мВ. Спектральная чувствительность При выборе ФЭУ необходимо обратить внимание на материал фотокатода, т.к. он определяет длинноволновую границу спектральной чувствительности. Коротковолновая граница определяется материалом окна. Сегодня изготавливают различные виды ФЭУ для работы в диапазоне от УФ до ИК, при этом используют различные материалы фотокатода, каждый из который предназначен для работы в определенном спектральном диапазоне. Квантовая эффективность (QE) – это величина, выражаемая в %, которая характеризует способность ФЭУ преобразовывать падающие фотоны в электроны. Например, QE равно 20%. Это означает, что один из 5 фотонов, падающих на фотокатод, приведет к появлению фотоэлектронов. Для задач счета фотонов, желательно иметь ФЭУ с высоким показателем квантовой эффективности. Поскольку QE зависит от длины волны, необходимо подобрать ФЭУ, с максимальной квантовой эффективностью в интересующем спектральном диапазоне. Следует отметить, что фотокатоды для видимой области спектра, как правило, обладают QE <30%. Вычислить квантовую эффективность ФЭУ можно по формуле: где S – это интегральная чувствительность [А/Вт], λ – длина волны [нм]. Конфигурация ФЭУ Доступны две основные конфигурации ФЭУ: входное окно располагается на торце или на боковой стенке вакуумной колбы. В случае, когда входное окно расположено на торце, ФЭУ оснащен полупрозрачными фотокатодами и характеризуется большой площадью активной области, пространственной однородностью, и более высокой производительностью в синей и зеленой областях спектра. Такая конфигурация предпочтительнее для применений, требующих широкой спектральной чувствительности, таких как спектроскопия. В ФЭУ с боковым окном используют непрозрачные фотокатоды, такая конфигурация чаще всего используется при работе в УФ и ИК диапазоне. Конфигурация с боковым окном дешевле, чем конфигурация с окном на торце, и часто используется для задач, требующих высокой квантовой эффективности, таких как сцинтилляционные измерения. 8-14 динодов располагают линейно или по кругу. При линейном расположении (как показано на рис.) ФЭУ обладает малым временем отклика, высоким разрешением и линейностью. Диноды располагаются по кругу в ФЭУ с боковым окном и в некоторых ФЭУ с торцевым окном, при этом система обладает компактными размерами и малым временем отклика. Коэффициент усиления ФЭУ – уникальны, так как способны усиливать очень слабые сигналы от фотокатода до детектируемого уровня выше шума считывания без внесения существенных помех. За усиление сигнала в ФЭУ отвечают диноды, и коэффициент усиления зависит от прилагаемого напряжения. ФЭУ может работать при напряжениях, превышающих значения, рекомендуемые производителем, обеспечивая при этом коэффициент усиления в 10-100 раз выше указанного в спецификации. При работе в таком режиме на ФЭУ не оказывается негативного влияния, если ток анода ниже предельно допустимых значений. Темновой ток В случае идеального ФЭУ, все сигналы, производимые фотокатодом, являются следствием попадания в трубку света. Однако, настоящие ФЭУ генерируют ток даже в отсутствии падающего излучения. Сигнал, генерируемый ФЭУ в отсутствии света, называется темновым током. Этот сигнал сильно снижает отношение сигнал/шум ФЭУ. Темновой ток главным образом обусловлен термоэлектронной эмиссией электронов из фотокатода и нескольких первых динодов, и в меньшей степени космическими лучами и радиацией. ФЭУ, разработанные для применений в красной области спектра, обладают более высокими значениями темнового тока, чем другие ФЭУ, за счет малых значений энергии связи электронов в фотокатодах, обладающих чувствительностью в красной области спектра. Термоэлектронная эмиссия зависит от температуры фотокатода и работы выхода, а значит охлаждение ФЭУ может значительно снизить темновой ток. При использовании ФЭУ с термоэлектрическим охлаждением следует избегать конденсации на входном окне, так как влага уменьшит количество света, падающего на фотокатод. Кроме того, необходимо избегать чрезмерного охлаждения, так как это может привести к негативным последствиям: уменьшение уровня сигнала или напряжения на катоде, т.к. сопротивление катодной пленки обратно пропорционально температуре. Время Нарастания Для экспериментов, требующих высокого временного разрешения, время нарастания должно быть коротким. Время нарастания импульса тока анода чаще всего используется в качестве характеристики быстродействия ФЭУ. В конечном счете, время нарастания импульса определяется временем распространения разных электронов. Оно отличается по нескольким причинам. Во-первых, начальные скорости вторичных электронов различаются. т.к. они выбиваются из разных по глубине мест материала динодов. Некоторые электроны вылетая обладают ненулевой начальной энергией, поэтому достигнут следующего динода за более короткое время. Время пролета электронов также будет зависеть от длины пути. В результате всех этих эффектов, время нарастания импульса анодного тока будет уменьшаться с увеличением напряжения как V-1/2. Другие факторы При работе с ФЭУ следует тщательно выбирать электронику, которая будет использоваться. Даже небольшие флуктуации высокого напряжения, прилагаемого между катодом и анодом могут сильно повлиять на выходной сигнал. Кроме того, условия окружающей среды также могут влиять на работу ФЭУ. Изменения температуры и влажности, а также вибрации негативно влияют на производительность ФЭУ. Корпус ФЭУ также имеет большое значение, он не только защищает трубку от постороннего света, но и снижает влияние внешних магнитных полей. Поле с магнитной индукцией в несколько гауссов, может уменьшить коэффициент усиления. Этого можно избежать путем использования магнитного экрана из материала с высокой магнитной проницаемостью.

Фотодатчик. Часть 1 | Электроника для всех

Наверняка многим захочется присобачить к AVR фотодетектор, чтобы отслеживать хотя бы наличие или отсутствие света. Это полезно как для роботостроителей, так и для тех кто делает всякую автоматику. Итак, кратко опишу какие бывают фотодетекторы.

Фоторезистор
ИМХО вымирающий вид. Последний раз я его видел еще в детстве. Обычно представляет собой такой металический кругляк со стеклянным окошком, в котором видна этакая сероватая зигзагообразная дорожка. При освещении его сопротивление падает, правда незначительно, раза в три четыре.

Фототранзистор
Последнее время я на них натыкаюсь постоянно, неиссякаемый источник фототранзисторов — пятидюймовые дисководы. Последний раз я, по цене грязи, надыбал на радио барахолке штук 5 платок от дисковертов, там светотранзисторы стоят напротив дырок контроля записи и вращения дискеты. Еще сдвоенный фототранзистор (а может и фотодиод, как повезет) стоит в обычной шариковой мышке.
Выглядит как обычный светодиод, только корпус прозрачный. Впрочем, светодиоды тоже такие же бывают так что перепутать кто из них кто раз плюнуть. Но это не беда, партизан легко вычисляется обычным мультиметром. Достаточно включить омметр между его эмитером и коллектором (базы у него нет) и посветить на него, как его сопротивление рухнет просто катастрофически — с десятков килоом до считанных ом. Тот который у меня в детекторе вращения шестерен в роботе меняет свое сопротивление с 100кОм до 30 Ом. Работает фототранзистор подобно обычному — держит ток, но в качестве управляющего воздействия тут не ток базы, а световой поток.

Фотодиод
Внешне ничем не отличается от фототранзистора или обычного светодиода в прозрачном корпусе. Также порой встречаются древние фотодиоды в металлических корпусах. Обычно это совковые девайсы, марки ФД-чето там. Такой металлический цилиндрик с окошком в торце и торчащими из задницы проводками.

В отличии от фототранзистора, может работать в двух разных режимах. В фотогальваническом и фотодиодном.
В первом, фотогальваническом, варианте фотодиод ведет себя как солнечная батарейка, то есть посветил на него — на выводах возникло слабенькое напряжение. Его можно усилить и применить =). Но куда проще работать в фотодиодном режиме. Тут мы подаем на фотодиод обратное напряжение. Поскольку он хоть и фото, но диод, то в обратную сторону напряжение не пойдет, а значит его сопротивление будет близко к обрыву, а вот если его засветить, то диод начнет очень сильно подтравливать и сопротивление его будет резко падать. Причем резко, на пару порядков, как у фототранзистора.

Спектр
Кроме типа прибора у него еще есть рабочий спектр. Например, фотодетектор заточенный на инфракрасный спектр (а их большинство) практически не реагирует на свет зеленого или синего светодиода. Плохо реагирует на лампу дневного света, но хорошо реагирует на лампу накаливания и красный светодиод, а уж про инфракрасный и говорить нечего. Так что не удивляйся если у тебя фотодатчик плохо реагирует на свет, возможно ты со спектром ошибся.

Подключение
Теперь пора показать как это подключить к микроконтроллеру. С фоторезистором все понятно, тут заморочек нет никаких — берешь и подцепляешь как по схеме.
С фотодиодом и фототранзистором сложней. Надо определить где у него анод/катод или эмитер/коллектор. Делается это просто. Берешь мультиметр, ставишь его в режим прозвонки диодов и цепляешься на свой датчик. Мультиметр в этом режиме показывает падение напряжения на диоде/транзисторе, а падение напряжения тут в основном зависит от его сопротивления U=I*R. Берешь и засвечиваешь датчик, следя за показаниями. Если число резко уменьшилось, значит ты угадал и красный провод у тебя на катоде/коллекторе, а черный на аноде/эмитторе. Если не изменилось, поменяй выводы местами. Если не помогло, то либо детектор дохлый, либо ты пытаешься добиться реакции от светодиода (кстати, светодиоды тоже могут служить детекторами света, но там не все так просто. Впрочем, когда будет время я покажу вам это технологическое извращение).

Теперь о работе схемы, тут все элементарно. В затемненном состоянии фотодиод не пропускает ток в обратном направлении, фототранзистор тоже закрыт, а у фоторезистора сопротивление весьма высоко. Сопротивление входа близко к бесконечности, а значит на входе будет полное напряжение питания aka логическая единица. Стоит теперь засветить диод/транзистор/резистор как сопротивление резко падает, а вывод оказывается посажен наглухо на землю, ну или весьма близко к земле. Во всяком случае сопротивление будет куда ниже 10кОмного резистора, а значит напряжение резко пропадет и будет где то на уровне логического нуля. В AVR и PIC можно даже резистор не ставить, вполне хватит внутренней подтяжки. Так что DDRx=0 PORTx=1 и будет вам счастье. Ну а обратывать это как обычную кнопку. Единственная сложность может возникнуть с фоторезистором — у него не настолько резко падает сопротивление, поэтому до нуля может и не дотянуть. Но тут можно поиграть величиной подтягивающего резистора и сделать так, чтобы изменения сопротивления хватало на переход через логический уровень.

Если надо именно измерять освещенность, а не тупо ловить светло/темно, то тогда надо будет подцеплять все на АЦП и подтягивающий резистор делать переменным, для подстройки параметров.

Есть еще продвинутый тип фотодатчиков — TSOP там встроенный детектор частоты и усилитель, но о нем я напишу чуть попозже.

Фотодатчик. Часть 2. Модуляция

З.Ы.
У меня тут некоторые запарки, поэтому сайт будет сильно тупить с обновлением, думаю это до конца месяца. Дальше надеюсь вернуться в прежний ритм.

Фототранзисторы. Устройство и работа. Применение и особенности

Фототранзисторы являются твердотельными полупроводниками с внутренним усилением, применяемым для передачи цифровых и аналоговых сигналов. Этот прибор выполнен на основе обычного транзистора. Аналогами фототранзисторов являются фотодиоды, которые уступают ему по многим свойствам, и не сочетаются с работой современных электронных приборов и радиоустройств. Их принцип действия похож на работу фоторезистора.

Чувствительность фототранзистора гораздо выше, чем у фотодиода. Они нашли применение в различных устройствах, в которых применяется зависимость от светового потока. Такими устройствами являются лазерные радары, пульты дистанционного управления, датчики дыма и другие. Фототранзисторы могут реагировать как на обычное освещение, так и на ультрафиолетовое и инфракрасное излучение.

Устройство

Наиболее популярны биполярные фототранзисторы структуры n-p-n.

Ф-транзисторы имеют чувствительность к свету больше, чем простые биполярные, так как они оптимизированы для лучшего взаимодействия с лучами света. В их конструкции зона коллектора и базы имеет большую площадь. Корпус выполнен из темного непрозрачного материала, с окошком для пропускания света.

Большинство таких полупроводников изготавливают из монокристаллов германия и кремния. Существуют также фототранзисторы на основе сложных материалов.

Принцип действия

Транзистор включает в себя базу, коллектор и эмиттер. При функционировании фототранзистора база не включена в работу, так как свет создает электрический сигнал, который дает возможность протекать току по полупроводниковому переходу.

При нерабочей базе переход коллектора транзистора смещается в обратном направлении, а переход эмиттера в прямом направлении. Прибор остается без активности до тех пор, пока луч света не осветит его базу. Освещение активизирует полупроводник, при этом создавая пары дырок и электронов проводимости, то есть носители заряда. В итоге через коллектор и эмиттер проходит ток.

Свойство усиления

Фототранзисторы имеют рабочий диапазон, размер которого зависит от интенсивности падающего света, так как это связано с положительным потенциалом его базы.

Ток базы от падающего света подвергается усилению в сотни и тысячи раз. Дополнительное усиление тока обеспечивается особым транзистором Дарлингтона, который представляет собой полупроводник, эмиттер которого соединен с базой другого биполярного транзистора. На схеме изображен такой вид фототранзистора.

Это дает возможность создать повышенную чувствительность при слабом освещении, так как происходит двойное усиление двумя полупроводниками. Двумя транзисторами можно добиться усиления в сотни тысяч раз. Необходимо учитывать, что транзистор Дарлингтона медленнее реагирует на свет, в отличие от обычного фототранзистора.

Схемы подключения

Схема с общим эмиттером

По этой схеме создается сигнал выхода, переходящий от высокого состояния в низкое, при падении лучей света.

Эта схема выполнена с помощью подключения сопротивления между коллектором транзистора и источником питания. Напряжение выхода снимают с коллектора.

Схема с общим коллектором

Усилитель, подключенный с общим коллектором, создает сигнал выхода, переходящий от низкого состояния в высокое, при попадании света на полупроводник.

Эта схема образуется подключением сопротивления между отрицательным выводом питания и эмиттером. С эмиттера снимается выходной сигнал.

В обоих вариантах транзистор может работать в 2-х режимах:

1. Активный режим.
2. Режим переключения.

Активный режим

В этом режиме фототранзистор создает сигнал выхода, зависящий от интенсивности падающего света. Когда уровень освещенности превосходит определенную границу, то транзистор насыщается, и сигнал на выходе уже не будет повышаться, даже если увеличивать интенсивность лучей света. Такой режим действия рекомендуется для устройств с функцией сравнения двух порогов потока света.

Режим переключения

Действие полупроводника в этом режиме значит, что транзистор будет реагировать на подачу света выключением или включением. Такой режим необходим для устройств, в которых необходимо получение выходного сигнала в цифровом виде. Путем изменения значения резистора в схеме усилителя, можно подобрать один из режимов функционирования.

Для эксплуатации фототранзистора в качестве переключателя чаще всего применяют сопротивление более 5 кОм. Напряжение выхода повышенного уровня в переключающем режиме будет равно питающему напряжению. Напряжение выхода малого уровня должно равняться менее 0,8 В.

Проверка фототранзистора

Такой транзистор легко проверяется мультитестером, даже без наличия базы транзистора. Если подключить мультитестер к участку эмиттер-коллектор, то его сопротивление при любой полярности будет большим, так как транзистор закрыт. Если луч света попадает на чувствительный элемент, то измерительный прибор покажет низкое значение сопротивления, так как транзистор в этом случае открылся, благодаря свету, при правильной полярности питания.

Так ведет себя обычный транзистор, но он открывается сигналом электрического тока, а не лучом света. Кроме силы света, большую роль играет спектральный состав света.

Применение

• Системы охраны (чаще применяются инфракрасные ф-транзисторы).
• Фотореле.
• Системы расчета данных и датчики уровней.
• Автоматические системы коммутации осветительных приборов (также применяются инфракрасные ф-транзисторы).
• Компьютерные управляющие логические системы.
• Кодеры.

Преимущества

• Выдают ток больше, чем фотодиоды.
• Способны создать мгновенную высокую величину тока выхода.
• Основное достоинство – способность создания повышенного напряжения, в отличие от фоторезисторов.
• Невысокая стоимость.

Недостатки

Ф-транзисторы являются аналогом фотодиодов, однако имеют серьезные недостатки, которые создают условия для узкой специализации этого полупроводника.

• Многие виды фототранзисторов изготавливают из силикона, поэтому они не могут работать с напряжением более 1 кВ.
• Такие светочувствительные полупроводники имеют большую зависимость от перепадов напряжения питания в электрической цепи. В таких режимах фотодиод ведет себя гораздо надежнее.
• Ф-транзисторы не сочетаются с работой в лампах, по причине малой скорости носителей заряда.

Обозначения на схемах

Управляемые световым потоком транзисторы, на схемах обозначаются как обычные транзисторы.

VТ1 и VТ2 – ф-транзисторы с базой, VТ3 – транзисторы без базы. Цоколевка изображена как у простых транзисторов.

Так же, как и другие приборы на основе полупроводников с переходом n-p-n, применяющиеся для преобразования светового потока, фототранзисторы можно назвать оптронами. Их на схемах изображают в виде светодиода в корпусе, или в виде оптронов со стрелками. Усилитель во многих схемах обозначается в виде базы и коллектора.

Похожие темы:

Использование светодиода в качестве фотоприемника

---

Использование светодиода в качестве фотоприемника. В работе [1] авторами описан RGB-сенсор, использующий в качестве фотоприемников маломощные цветные светодиоды. Описанный сенсор успешно используется в лабораторной практике.

Использование светодиода в роли фотоприемника: повышение чувствительности прибора

Недостатком изготовленного сенсора является его относительно низкая чувствительность, что приводит к необходимости размещать сенсор в непосредственной близости от обьекта (1.2 метра). Поэтому появилась необходимость в разработке более чувствительного сенсора.

Можно повышать чувствительность прибора за счет усиления в канале, что для усилителя постоянного тока крайне нежелательно.
Другой путь — увеличение чувствительности фотоприемника. Поэтому как-то естественно возникла идея использование светодиода, имеющего большую площадь кристалла.

На момент начала эксперимента мы располагали одно- и трехваттными noname светодиодами со следующими длинами волн: 385 нм, 425 нм, 440 нм, 470 нм, 490 нм, 520 нм, 540 нм, 560 нм, 600 нм, 630 нм и 660 нм. Светодиоды с длинами волн 490 нм (голубой) и 540 нм (желтый), к сожалению, не годились в качестве приемных фотоэлементов, поскольку по сути являлись синими свето излучающими диодами, кристаллы которых были покрыты люминофором, излучающим вторичные фотоны с нужной длиной волны. В качестве же излучателей они вполне хороши.

Самый первый эксперимент, где мы применили использование светодиода, принес вполне ожидаемые результаты. В Таблице 1 сравнивается чувствительность трех СД мощностью в 1 Вт. Сравниваемый параметр — выходное напряжение в мВ на нагрузке 1 МОм. Относительно низкий результат прироста чувствительности для желтого фотодиода объясняется, на наш взгляд, разной длиной волны фотопика. Ниже мы вернемся к проблеме желтого прибора.

Нас интересовала также возможность использования светодиода в качестве фотоприемника. В Таблице 2 приведены выходные напряжения инфракрасных LED-элементов, включенных в режиме фото-приемника. Сравниваемый параметр — выходное напряжение в мВ на нагрузке 1 МОм. Все СД испытывались в идентичных условиях, т.е. ток излучателя, расстояние между излучателем и приемником и их взаимное положение было одинаковым.

Для сравнения: в этом же режиме испытывался фотодиод BPW34, имеющий площадь кристалла 7.5 мм2 и максимум на длине волны 940 нм, и два 940-нм фототранзистора, включенных по схеме с общим коллектором и резистором нагрузки 10 кОм. Для проверки спектральной чувствительности был сконструирован специальный стенд, для повторяемости результатов оформленный как отдельный корпусный прибор. В качестве узкоспектральных излучателей использовались LED-элементы с известной длиной волны, перечисленные выше.

Результаты в цикле выводились на цифровой осциллограф с возможностью пост-обработки.

Световой поток каждого светодиода был приведен в соответствие с калибровочной кривой, в качестве которой использовался график спектральной чувствительности интегрального светосинхронизатора на чипе ОРТ101. Описание испытательного стенда выходит за рамки статьи и приводится в конце статьи в виде видеофайла.

Изучалась спектральная чувствительность красной группы светодиодов (660 нм, 630 нм, 620 нм) для использования в качестве фото-приемника красной части спектра, оранжево-желтой группы LED-приборов (580 нм и 560 нм) для использования в зеленой части спектра и зеленого LED-элемента (520 нм) для использования светодиода в синей части спектра.

Первые полученные результаты не вселили особого оптимизма. Красный спектр «расплылся» в область оранжевого, к которому, кстати, стремились и фотоэлементы на базе светоизлучающих диодов с длинами волн 580 и 560 нм. Зеленый LED-прибор имел наибольшую чувствительность в ультрафиолетовой (385 нм) части спектра. Это ограничивало применение LED-элементов большой мощности в качестве RGB-сенсоров, где требуется достаточно четкое разделение R, G и В компонент.

Особое огорчение вызвало отсутствие 540-нм светодиода с открытым кристаллом, который должен был служить фотоприемником зеленой части спектра. Тщательные поиски на просторах Интернета показали, что такие светоизлучающие диоды отсутствуют как класс.

Поскольку сама по себе работа мощного светодиода в качестве селективного фото-приемника нас уже не удивила, мы начали искать возможность как-то обойти возникшие ограничения. После небольшого брейнсторминга мы пришли к выводу, что цветные корпуса маломощных LED-элементов способствуют более четкому разделению частей спектра, работая как светофильтры.

Таким образом, нам надо было подобрать вспомогательные светофильтры, которые эффективно разделили бы части спектра. Разумеется, мы понимали, что применение светофильтров снизит чувствительность приемных фотоприборов. Поэтому мы необходимо применили цветные фильтры: для красного светодиода -красный фильтр с длиной волны около 630 нм, и зелено-синий фильтр 500 нм для янтарного (560 нм) и зеленого (520 нм) светодиодов. Сине-зеленый фильтр эффективно подавил оранжевую составляющую для янтарного LED, а для зеленого — частично уменьшил чувствительность для света с длиной волны меньше 460 нм.

На Рисунке 1 представлен результирующий спектр принимаемых длин волн для красного, янтарного и зеленого светодиодов с соответствующими фильтрами. Плавные изгибы кривых — результат моделирования, так как из за малого количества опорных точек график имел бы странный вид. Точки, в которых были произведены измерения, отчетливо видны на графиках.

Теория и практика применения использования фотодиодов и трансимпедансных усилителей прекрасно описана в работе [2], поэтому отсылаем заинтересованного читателя к этой работе. Здесь мы говорим только о простых практических примерах использования светодиодов в качестве фото-приемников. Ниже приведены две практические схемы, имеющие различное включение и использование светодиода в качестве фотоприемника. В схемах используется бюджетный усилитель LM358.

В первой схеме, изображенной на Рисунке 2а, фотоприемник работает в качестве генератора напряжения. Схема обладает высокой чувствительностью, малыми собственными шумами, плохими частотными свойствами и нелинейной зависимостью выходного напряжения от светового потока. Во второй схеме, изображенной на Рисунке 26, фотоприемник работает в режиме генератора тока. Эта схема имеет высокую линейность и лучшие частотные свойства.

Резистор R2 и конденсатор С1 предотвращают самовозбуждение и оптимизируют передаточную характеристику в области высоких частот. При продуманном монтаже эта цепочка может отсутствовать. Выходной сигнал этой схемы представлен на Рисунке 3.

Какое может быть возможное использование мощного светодиода в качестве фотоприемника? Здесь мы можем говорить, только о тех применениях, которые внедрены нами в практику или прошли экспериментальную проверку. Первый пример. После замены маломощных светодиодов в RGB-сенсоре [1] на мощные светодиоды, его чувствительность возросла более чем в пять раз.

br>

[adsens]

Второй пример. Использование в качестве приемопередатчиков низкочастотного телеметрического сигнала в условиях, когда проводное и радио соединения невозможны. Поскольку светодиод принципиально может совмещать функцию излучателя с функцией фотоприемника, это позволяет резко упростить конструкцию оптического узла такого приемопередатчика.

Чтобы не перегружать статью сложной схемой контроллера приема-передачи, мы специально для данной статьи собрали простейший испытательный стенд для демонстрации этих возможностей (Рисунок 4). Все несущественные детали и номиналы элементов, не участвующих в описании работы макета, опущены. Усилитель идентичен изображенному на Рисунке 2а.

Рассмотрим работу макета.

Генератор тактовых импульсов имеет противофазные выходы, единичный сигнал на которых поочередно инициирует имитаторы сигналов приема и передачи, каждый из которых генерирует пачку из четырех импульсов. Сигнал с выхода имитатора передачи инвертируется и усиливается по току транзистором VT1, затем возбуждает светодиод VD2.

Управляющий сигнал, инициирующий имитатор передачи, поступает на вход КМОП инвертора с открытым стоком CD40107, выходной транзистор которого, открываясь, шунтирует вход операционного усилителя А1, препятствуя проникновению на вход А1 мощного сигнала передачи. После окончания цикла передачи вход А1 разблокируется и он переходит в режим приема. Имитатор сигнала приема возбуждает светодиод VD1, вспышки которого имитируют удаленный источник.

Ток через этот светодиод регулируется резистором R1. Ввиду того, что моделируется именно удаленный источник, импульсный ток через светодиод очень мал и составлял в нашем случае 0.1 -2.5мА. R2 минимизирует сквозной ток в процессе отладки. Он незначительно влияет на частотную характеристику схемы, поэтому в действующем образце он сохранен.

В макете использовались два светодиода мощностью в 1 Вт с длиной волны 630 нм. Светодиоды разделяла металлическая трубка-экран длиной 120 мм. На Рисунке 5 изображены осциллограммы, демонстрирующие работу макета в режимах минимального и максимального входного сигнала. Длительность информационного импульса ограничивается частотными свойствами светодиода-фотоэлемента.

На Рисунке 6 показан опытный образец двухканального Приемопередатчика, прошедший испытания на объекте. Для наглядности светозащитные тубусы сняты. В Приемопередатчике используются спектрально далекие красный и синий цвета, что исключает применение корректирующих фильтров, снижающих чувствительность. Угол излучения/приема равен 15 градусов.

Третий пример. Мощный инфракрасный (940 нм) светодиод использован в качестве приемника в оптическом локаторе (Рисунок 9 в [3]). Часть схемы, установленная в тубусе фотоприемника, заменена схемой на ОУ, изображенной на Рисунке 26. Приемный светодиод установлен в объектив без предварительной юстировки, аналогично передающему светодиоду (Рисунок 4 в [4]). Полученный результат является рекордным для объектива с углом 10 градусов.

Человек ростом 160 см в темно-серой зимней одежде уверенно обнаруживался на расстоянии 21 м. Площадь светового пятна, создаваемого 10-градусным локатором на таком расстоянии составляет около 7.5 м² Отражающая площадь «мишени» составляет 1.6х0.45 м = 0.72 м², то есть более чем в 10 раз меньше площади светового пятна. Рассматриваемый пример является предельным случаем, поскольку, как показано в [4], оптимальное расстояние для использования 10-градусного локатора составляет 10 метров и менее.

Заключение

В статье рассмотрены вопросы применения мощных светодиодов в качестве селективных фотоприемников и приведены три практических примера использования этого свойства. В приложении рассматривается конструкция прибора для снятия характеристик спектральной чувствительности фотоприемников.

Авторы предупреждают, что приведенные в статье результаты действительны только для конкретных партий noname- светодиодов, которыми они располагали для проведения экспериментов.

Прибор для изучения спектральных характеристик фотоприемников

br>

Литература

1. Басков М.П., Левашов О.Д. RGB-сенсор на светодиодах // РадиоЛоцман. — 2019. — №12. -С. 44
2. Иоффе Д., Хоббс С.Д. Усилители для фотодиодов на операционных усилителях // Компоненты и технологии. — 2009. — №3. — С. 46
3. Басков М.П., Левашов О .Д. «Некоторые вопросы конструирования любительских оптических локаторов. Часть 1.1»
4. Басков МЛ., Левашов О.Д. «Некоторые вопро-сы конструирования любительских оптических локаторов. Часть 1.2»

Усилители для фотодиодов на операционных усилителях. Часть 1 — Компоненты и технологии

Все статьи цикла:

Одна из основных областей применения операционных усилителей с полевыми транзисторами с p-n-переходом на входах (FET input) — это усиление сигналов фотодатчиков, главным образом — фотодиодов. Существует множество предназначенных для этого разнообразных схем усилителей. Выбрать нужную схему можно в соответствии с требуемыми параметрами: линейностью, постоянным смещением, шумами и полосой пропускания. Эти же факторы влияют и на выбор конкретной модели операционного усилителя из множества новых устройств с малыми входными токами, малым шумом и высоким быстродействием.

Фотодатчики — это мост между измеряемой физической величиной — светом — и электроникой. При наблюдениях за различными физическими процессами свет играет второстепенную роль по сравнению с температурой и давлением до тех пор, пока не понадобятся дистанционные измерения без непосредственного контакта с исследуемым объектом. Тогда требуется связь между световыми сигналами в компьютерном томографе, астронавигационном оборудовании или электронном микроскопе и системой обработки сигналов. Фотодиоды — это недорогая основа для такой связи. Они позволяют создавать массивы из более чем 1000 фотодатчиков. Основная задача — точное преобразование выходного сигнала фотодиода в линейно зависящий от него сигнал. И, как всегда, возникает противоречие между скоростью и разрешением, а шум представляет собой основной ограничивающий фактор. В центре этого противоречия находится кажущийся простым преобразователь тока в напряжение. Но он имеет ограничения по многим факторам, и, как следствие, появляются альтернативные конфигурации с оптимизацией различных параметров.

Преобразование тока в напряжение

Существуют два способа получения сигнала от фотодиода: измерение напряжения и измерение тока. Для измерения напряжения схема должна иметь высокий импеданс, чтобы ток, протекающий через ее вход, был минимальным. Это условие обеспечено в схеме, показанной на рис. 1а. Здесь фотодиод включен последовательно с входом операционного усилителя, через который в идеале ток не течет. Цепь обратной связи, состоящая из резисторов R₁ иR₂, задает усиление напряжения на фотодиоде так же, как если бы оно было приложено к входу усилителя. Очевидно, что измерение напряжения будет нелинейным. Отношение выходного напряжения к входной световой энергии будет логарифмическим, так как чувствительность фотодиода изменяется в зависимости от приложенного к нему прямого напряжения.

Рис. 1. Выходным сигналом фотодиода может быть: а) напряжение; б) ток

Постоянная чувствительность при постоянном приложенном напряжении позволяет сделать вывод о том, что для получения линейной зависимости выходного сигнала от световой энергии надо использовать измерение тока. Измеритель этого тока должен иметь нулевой входной импеданс, чтобы падение напряжения на диоде также было нулевым. Нулевой импеданс обеспечивает операционный усилитель, так как благодаря большому усилению его обратная связь устанавливает нулевую разность напряжений между входами. Это является ключевым моментом базовой схемы преобразователя тока в напряжение, показанной на рис. 1б. Она обеспечивает входное сопротивление, равное R₁/A, где A — это коэффициент усиления операционного усилителя с разомкнутой петлей обратной связи. Несмотря на то, что сопротивление R₁обычно очень велико, результирующее входное сопротивление остается пренебрежимо малым по сравнению с выходным сопротивлением фотодиодов.

Ток диода практически не течет через вход операционного усилителя, целиком направляясь в резистор обратной связи R₁. Для получения этого эффекта операционный усилитель устанавливает на своем выходе напряжение, равное произведению тока фотодиода на сопротивление R₁. Для получения как можно большего коэффициента преобразования тока в напряжение сопротивление R₁делают настолько большим, насколько позволяют существующие ограничения. При большом значении сопротивления этот резистор начинает давать значительный температурный дрейф напряжения из-за температурного коэффициента входног о тока усилителя. Чтобы компенсировать эту ошибку, обычно к неинвертирующему входу усилителя подключают резистор R₂с таким же сопротивлением, как у R₁, как показано на рис. 1, и добавляют емкостную развязку для устранения большей части его шума. Оставшаяся ошибка по постоянному току определяется разностью входных токов усилителя и разбросом сопротивлений двух резисторов. Недостатком такого способа коррекции ошибки является падение напряжения, которое создается на диоде, и возникающий в результате него ток утечки диода. Эта утечка может свести на нет коррекцию, полученную от R₂, так как для получения высокой чувствительности фотодиоды обычно имеют большой размер области p-n-перехода. Ток утечки пропорционален этому размеру и может оказаться даже больше, чем входные токи операционного усилителя.

Устранить этот новый источник ошибки может только нулевое падение напряжения на диоде, но тогда возникнет конфликт с другим атрибутом больших фотодиодов. Они имеют большую паразитную емкость, которая значительно увеличивает шумы, как будет описано далее. Чтобы уменьшить эту емкость, иногда к диоду прикладывают значительное обратное напряжение. Это ухудшает стабильность параметров по постоянному току и превращает токовый шум фотодиода в дополнительный фактор ошибки. Большой размер фотодиода фактически может ухудшить общую точность, и добиваться улучшения светочувствительности следует, в первую очередь, оптическими способами, например, встраивая линзу в корпус фотодиода.

Сопротивление резистора обратной связи в преобразователе тока в напряжение почти полностью определяет шум и полосу пропускания, а также усиление. Шум, вносимый непосредственно резистором, имеет спектральную плотность [1] и появляется прямо на выходе преобразователя тока в напряжение без усиления. При росте величины сопротивления не только увеличивается выходной шум пропорционально квадратному корню, но и прямо пропорционально увеличивается выходной сигнал. Таким образом, соотношение сигнал/шум увеличивается пропорционально квадратному корню из сопротивления.

Шум операционного усилителя также влияет на выходной шум, неожиданным образом действуя через большое сопротивление обратной связи и емкость диода. Источники шума в усилителе представлены на рис. 2 как входной шумовой ток I_n и входное шумовое напряжение e_n. Этот шумовой ток протекает через резистор обратной связи, усиливаясь так же, как и ток сигнала. Он представляет собой входной ток смещения I_B и имеет спектральную плотность [1]. Если выбрать операционный усилитель с входным током порядка пикоампер, то эта составляющая шума будет пренебрежимо мала для практически используемых значений сопротивления обратной связи.

Рис. 2. Влияние емкости диода на работу цепи обратной связи в базовой схеме преобразователя тока в напряжение
(шум операционного усилителя усиливается больше и в более широкой полосе, чем сигнал)

На первый взгляд, входное шумовое напряжение усилителя передается на выход с небольшим усилением. Это справедливо для постоянного тока, когда усиление, равное 1+R₁/R_D, сохраняется небольшим, благодаря большому сопротивлению диода R_D. Емкость диода C_D изменя работу цепи обратной связи на высоких частотах, добавляя очень большое усиление шумового напряжения e_n. Так как эта емкость и сопротивление обратной связи обычно достаточно велики, эффект может проявляться на довольно низких частотах. На рис. 2 — иллюстрация этого эффекта. На нем изображена кривая усиления операционного усилителя рядом с графиком работы обратной связи, или «шумовым усилением». Эта кривая сначала начинает подниматься под влиянием нуля, вносимого C_D, и этот подъем прекращается только под влиянием второй паразитной емкости. Паразитная емкость C_S шунтирует сопротивление обратной связи, и в результате действия вносимого ею полюса усиление устанавливается на уровне 1+C_D/C_S. Для больших фотодиодов C_D может составлять сотни пикофарад, давая тем самым шумовое усиление в сотни раз. Это усиление простирается в область высоких частот и ограничивается только полосой пропускания операционного усилителя. При увеличении сопротивления обратной связи полюс и ноль этого усиления смещаются в сторону низких частот, расширяя полосу с большим усилением.

Первые признаки этого явления подъема усиления знакомы каждому, кто использовал большое сопротивление в цепи обратной связи операционного усилителя для схем общего применения. Большое сопротивление между выходом и входом операционного усилителя приводит к перерегулированию, выбросам на переходной характеристике, ухудшению времени установления и даже возбуждению из-за взаимодействия сопротивления с входной емкостью усилителя. Сопротивление и емкость формируют дополнительный полюс в цепи обратной связи, в результате чего получается классический отклик дифференцирующей обратной связи. Кривая коэффициента передачи обратной связи, которая показана штриховой линией для общего случая применения операционных усилителей, пересекает кривую усиления операционного усилителя с разомкнутой обратной связью при уклоне 12 дБ за октаву. Это соответствует фазовому сдвигу, близкому или равному 180°. Общепринятое «лекарство» для этого случая — конденсатор, параллельный резистору обратной связи. Он автоматически появляется в преобразователях ток-напряжение, с их очень большими сопротивлениями обратной связи, в виде паразитной емкости. Такая емкость порождает дополнительный полюс в цепи обратной связи для управления фазовым сдвигом в петле обратной связи.

Для понимания действия шумов в преобразователе тока в напряжение важно обратить внимание на то, что ток сигнала и шумовое напряжение проходят через цепи с разными частотными характеристиками. Коэффициент преобразования тока в напряжение имеет плоскую характеристику вплоть до спада импеданса обратной связи, вызванного паразитной емкостью. Усиление шумового напряжения усилителя, показанное на том же рис. 2, простирается далеко за пределы этого спада и остается большим в широком диапазоне частот. Бóльшая часть полосы пропускания операционного усилителя часто служит для усиления шумов, а не сигнала. Обычно это доминирующий источник шумов при большом сопротивлении обратной связи.

Относительное влияние основных источников шума в преобразователе тока в напряжение можно видеть на рис. 3. По мере увеличения сопротивления обратной связи в этом преобразователе в общем шуме сначала доминирует вклад шумового напряжения операционного усилителя, затем вклад резистора обратной связи и, наконец, происходит максимальное усиление на высоких частотах. На рис. 3 показан выходной шум для базовой схемы преобразователя тока в напряжение (рис. 1б), включая влияние шумового усиления, представленное на рис. 2б. Показан общий выходной шум для трех случаев — как функция сопротивления обратной связи, и в каждом из них приведена среднеквадратическая сумма составляющих от сопротивления обратной связи и от операционного усилителя. Представлены три операционных усилителя с полевыми транзисторами с p-n переходом на входах. Эти усилители имеют разные параметры, которые перекрывают различные спектры применений фотодиодов при малых шумах и входных токах и широкой полосе пропускания. Все три типа имеют малые шумы и малые входные токи. OPA111 имеет наименьшие шумы среди усилителей такого класса, 6 нВ/√Гц, а OPA128 обладает наименьшим входным током, который равен 0,075 пА. OPA404 обеспечивает полосу пропускания 6,4 МГц при остальных параметрах, соответствующих этому классу. Шум операционного усилителя находится путем интегрирования спектральной плотности шума усилителя с учетом частотной характеристики шумового усиления [2]. Также штриховой линией показан шум резистора для OPA111 и OPA2111. Эта кривая шума резистора отличается для других типов усилителей, так как каждый операционный усилитель имеет свой спад полосы пропускания для шума резистора.

Рис. 3. Влияние основных источников шума в преобразователе тока в напряжение

В разных диапазонах сопротивления обратной связи различные факторы управляют поведением шумовых кривых. При небольших сопротивлениях шумовые кривые — плоские, и основной вклад в общий шум вносит шумовое напряжение операционного усилителя. В результате этого увеличение сопротивления поначалу очень незначительно влияет на шум, за исключением низковольтного шума OPA111/OPA2111. В этой области подъем шумового усиления еще не работает, поэтому выходной шум остается небольшим. Между 10 кОм и 1 МОм доминирует шум резистора, и кривые шума ведут себя так, как показывает штриховая линия для OPA111/OPA2111. Здесь кривые демонстрируют зависимость, пропорциональную квадратному корню из сопротивления, и отличаются только из-за разных полос пропускания усилителей. При дальнейшем увеличении сопротивления начинает доминировать подъем шумового усиления, и основной вклад в общий шум вносит значительно усиленный шум операционного усилителя. Этот эффект, в первую очередь, заметен по увеличению наклона кривой для OPA404, так как широкая полоса этого усилителя подчеркивает подъем усиления. Шумовые кривые выравниваются, когда полная полоса пропускания усилителя пересекается с подъемом усиления. При дальнейшем увеличении усиления шум резистора продолжал бы поднимать кривые на графике, но полоса пропускания ограничивается паразитной емкостью. В этой верхней области любое увеличение сопротивления сопровождается соответствующим уменьшением полосы шума, поэтому общий шум резистора остается постоянным. Изменение емкости диода и паразитной емкости перемещают точку начала подъема усиления, но форма кривой выходного шума остается той же самой в любом случае. Каждый раз будут наблюдаться участки с доминированием шума усилителя, шума резистора и подъема усиления.

Сравнение кривых показывает, что OPA111/ OPA2111 дают меньше шума в двух диапазонах. В то же время OPA128 дает меньше шума в среднем диапазоне. Это происходит благодаря меньшей полосе пропускания усилителя. А описанная далее техника сокращения полосы пропускания устраняет разницу с OPA111. Преимущество OPA128 — это очень небольшая ошибка на постоянном токе вследствие его входного тока 0,075 пА, что составляет 1/20 от входного тока его малошумящего конкурента. Третий операционный усилитель, OPA404, дает наибольший общий выходной шум, но это в значительной степени является следствием широкой полосы пропускания. Из-за полосы 6,4 МГц усиливаются шумы в большем диапазоне частот. В то время как кривая шума этого усилителя выше, чем у OPA128, OPA404, как ни странно, имеет меньшую спектральную плотность шума, но его полоса пропускания в шесть раз больше. Эта полоса 6,4 МГц может использоваться для усиления сигналов при сопротивлении обратной связи до 50 кОм, и усилитель будет иметь наилучшую полосу для сопротивлений до 150 кОм. OPA404 — это счетверенный усилитель. Из соображений экономии его целесообразно использовать и при больших сопротивлениях, в сочетании с сокращением полосы пропускания для снижения выходного шума.

Только пятимерный график может отобразить одновременно выходной шум, сопротивление, ошибку по постоянному току, размер фотодиода и полосу пропускания, то есть те параметры, которые потребуются для расчета преобразователя тока в напряжение. Требования каждого специфического применения рассматриваются отдельно с учетом этих факторов. Чтобы избежать оптимизации конкретного проекта только для одного фактора, например, усиления, на каждом этапе разработки необходимо учитывать различные эффекты от увеличения сопротивления обратной связи. Такие варианты, как использование большого фотодиода, должны рассматриваться с учетом его емкости и ее влияния на выходной шум и общую чувствительность схемы.

Управление шумом

Эффект подъема усиления является первым из факторов, ограничивающим возможность применения большого сопротивления в цепи обратной связи. Чтобы ограничить этот эффект, или же вообще устранить повышение усиления, обычно параллельно резистору обратной связи добавляют конденсатор. Для некоторых значений R₁ емкость этого конденсатора может быть очень малой, и из-за непредсказуемости величины паразитной емкости потребуется точная подстройка. В этом случае может выручить Т-образная цепь конденсаторов, как показано на рис. 4а. Для подстройки достаточно добавить к паразитной емкости меньше, чем одну пикофараду. В этой Т-образной схеме используется емкостной делитель, состоящий из конденсаторов C₂ и C₃. Он ослабляет сигнал, приложенный к C₁ на входе схемы. Только часть выходного сигнала приложена к C₁, поэтому на входной узел поступает меньшая часть сигнала. Тем самым ослабляется эффект шунтирования, и это выглядит так, как будто R₁ шунтируется меньшей емкостью. Управление степенью ослабления осуществляется при помощи конденсатора C₃. Это самый большой из конденсаторов, и, благодаря большой емкости, его проще найти в регулируемом исполнении. Так как этот конденсатор соединен с «землей», его можно экранировать для уменьшения влияния паразитной емкости во время настройки.

Рис. 4. а) Т-образная конденсаторная схема; б) развязка одним элементом в Т-образной резистивной цепи обратной связи

Другая возможность добавления емкости существует при использовании Т-образной резисторной цепи в обратной схеме, которой обычно заменяют резисторы с очень большим сопротивлением. Последний заменен на рис. 4б элементами с более приемлемыми номиналами, но при этом увеличился низкочастотный шум. Эта конфигурация похожа на Т-образную конденсаторную цепь. Здесь R₂ и R₃ ослабляют сигнал на R₁, поэтому последний со стороны входного узла представляется как резистор с гораздо бóльшим сопротивлением. Здесь не существует удобной возможности компенсации постоянного смещения из-за входных токов. Поэтому на неинвертирующем входе необходим резистор с очень большим сопротивлением.

Паразитную емкость в Т-образной цепи обратной связи можно уменьшить, увеличив расстояние между тремя элементами на печатной плате. А влияние паразитной емкости каждого отдельного элемента уменьшается за счет выбора меньшего номинала сопротивления. Чувствительность к другим паразитным емкостям от выхода операционного усилителя до его входа будет такой же, как и раньше.

Одним из положительных свойств ослабляющей цепи обратной связи является возможность использовать конденсаторы приемлемых номиналов. Установка конденсатора параллельно R₂ устраняет ослабление на высоких частотах, сводя сопротивление цепи обратной связи к R₁. Эта операция отличается от настоящего шунтирования резистора обратной связи конденсатором, так как здесь импеданс обратной связи выравнивается на некотором уровне, а не спадает с увеличением частоты, но значительное уменьшение эквивалентного сопротивления можно использовать при необходимости. Другое преимущество Т-образной резисторной схемы — более точная компенсация ошибки по постоянному току.

Уменьшение высокочастотных шумов при шунтировании Т-образной схемы сопровождается их увеличением на низких частотах. Ниже частоты, на которой начинает работать шунтирование, шумовое усиление увеличивается из-за ослабления сигнала обратной связи в Т-образной цепи. Поэтому усиливаются шумы и напряжение смещения операционного усилителя, так же, как и шум резистора R₁, с коэффициентом 1+R₂/R₃. Бороться с этим можно при помощи резисторов с небольшим сопротивлением, так, чтобы этот эффект увеличивался только пропорционально квадратному корню из нового шумового усиления. Наиболее важно, однако, удалить усиление на высоких частотах с помощью шунтирующего конденсатора, поскольку это устраняет бóльшую часть шумов из полученной шумовой полосы. При отсутствии других способов устранения высоких частот, зашунтированный резистор в Т-образной цепи обеспечивает наименьший общий выходной шум для широкого диапазона сопротивлений обратной связи.

Добавление емкости в обратную связь — это эффективный способ уменьшения шумового усиления, но оно так же эффективно уменьшает полосу пропускания сигнала. Эта полоса и так невелика из-за большого сопротивления обратной связи, и в результате может получиться полоса пропускания не больше одного килогерца. Желательно решить проблему шумов, ограничив полосу усилителя именно в точке неизбежного ограничения полосы сигнала. Тогда высокочастотное усиление, которое усиливает только шумы, будет удалено. Операционные усилители с возможностью внешней компенсации фазы позволяют сделать это, но среди них не встречаются усилители с достаточно малыми входными токами и напряжениями шумов, пригодные для работы с фотодиодами.

Чтобы получить нужное ограничение полосы с подходящими операционными усилителями, в составном усилителе используются два операционных усилителя, один из которых снабжен цепью управления фазовой компенсацией, как показано на рис. 5а. Обратите внимание на перестановку инвертирующего и неинвертирующего входов усилителя А₁. Это необходимо для сохранения одиночной инверсии фазы в двух последовательно включенных усилителях. Для управления полосой пропускания в составной схеме к усилителю А₂ добавляется внутренняя обратная связь. На постоянном токе эта обратная связь блокируется С₁, и общее усиление с разомкнутой обратной связью будет равно произведению этих усилений для каждого усилителя, или, в данном случае, 225 дБ. Спад частотной характеристики этого усиления происходит под действием полюса в усилении усилителя А₁ с разомкнутой связью и отклика интегратора, задаваемого для усилителя А₁ элементами С₁ и R₃. Так как этот спад вызван действием двух полюсов, он должен быть ограничен перед пересечением кривой шумового усиления, чтобы обеспечить устойчивость. Ноль добавляется включением R₄. Выше частоты этого нуля вследствие влияния R₄ прекращается интегрирование, и передаточная функция А₂ становится равной коэффициенту усиления инвертирующего усилителя — R₄/R₃. В результате спад усиления становится больше, чем у одиночного усилителя на высоких частотах. В графическом отображении полоса шумового усиления на рис. 5б заметно сузилась, как если бы сократилась полоса пропускания операционного усилителя.

Рис. 5. а) Уменьшение шумов в схеме составного усилителя; б) сокращение полосы шумов без уменьшения полосы сигнала

Сокращение полосы шумов показано на рис. 5б затененной областью. Визуально оно не выглядит существенным, но это из-за логарифмического масштаба. В действительности уменьшение шумов получается весьма значительное, потому что на этом верхнем частотном участке логарифмического графика представлена бóльшая часть полосы пропускания усилителя. Перемещение точки единичного усиления шумов с 2 МГц до 200 кГц снижает выходной шум А₁ примерно в три раза. Чтобы получить тот же результат при помощи шунтирования обратной связи, придется уменьшить полосу пропускания сигнала в 10 раз. При подхо де, показанном на рис. 5а, эта полоса не изменяется. Усилитель А₂ не добавляет ни шумов, ни постоянного смещения, так как он включен после усилителя с большим усилением А₂. При использовании операционного усилителя OPA111 с исключительно малым входным шумом эта схема улучшает подавление шумов до фундаментального ограничения, накладываемого резистором обратной связи. Это условие сохраняется для всех практически применяемых значений большого сопротивления обратной связи. В качестве второго усилителя выбран широкополосный OPA404, ослабляющее действие которого простирается далеко за пределы полосы единичного усиления A₁. Это предотвращает появление второго пика усиления, который может вызвать генерацию. Сигнальная полоса преобразования тока в напряжение при этом совершенно не затрагивается, так как на R₁ ничто не повлияло.

Показанная на рис. 5 технология обычно используется при низких уровнях сигнала, когда система особенно чувствительна к шумам. При большом значении сигнала становится важным ограничение скорости нарастания сигнала, но при использовании второго усилителя также можно добиться значительного улучшения ситуации. Ограничение скорости нарастания вызвано ограничением максимального выходного напряжения А₁ и его ослаблением в А₂. Если максимальный размах напряжения на выходе А1 составляет 12 В и усиление А₂ равно — 1/10, как показано на рис. 5, то итоговое выходное напряжение ограничено размахом 1,2 В. Для малых сигналов это будет приемлемо, так максимальные практически используемые значения сопротивления обратной связи сами по себе ограничивают выходной размах.

Высокоуровневые сигналы не столь чувствительны к шуму и лучше переносят более прямой подход к фильтрации. Активный фильтр после обычного преобразователя тока в напряжение также устраняет высокочастотный шум. Установка полюса фильтра на границе полосы сигнала приводит к тому, что полоса пропускания системы практически не простирается дальше полосы полезной информации. Такой фильтр не включается в контур обратной связи преобразователя, поэтому входной шум и смещение второго усилителя добавляются к сигналу.

Окончание статьи

Литература

1. Tobey G., Graeme J., Huelsman L. Operational Amplifiers — Design and Applications, McGrawHill, 1971.
2. OPA101 product data sheet, PDS-434A, Burr-Brown Corp., 1980.
3. Morrison R. Grounding and Shielding Techniques in Instrumentation. 2-nd edition. John Wiley & Sons, 1977.
4. Sutu Y., Whalen J. Statistics for Demodulation RFI in Operational Amplifiers. IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility. August 23, 1983.

Как настроить чувствительность обнаружения проблем

• Платформа
  • Поддерживаемые технологии
    
  • Ценообразование
  • Производительность приложения
  • Мониторинг инфраструктуры
  • AIOps
  • Цифровой опыт
  • Безопасность приложений
  • Цифровая бизнес-аналитика
    
  • Решения
    • AWS
    • Лазурь
    • Google
    • Kubernetes
    • OpenShift
    • ServiceNow
    • VMware Tanzu
    • Цифровой
      Преобразователь
      Hub
    • Истории клиентов
    • Ресурсы
      • Блог
      • Демо
      • Вебинары и мероприятия
      • Истории клиентов
      • COVID-19: преемственность
      • Подкасты
      • Цифровой
        Преобразователь
        Hub
      • COVID-19
        Continuity
        Поддержка
      • Услуги и поддержка
        • Dynatrace ONE
        • Экспертные услуги
        • Университет
        • Ресурсы поддержки
        • Новости продуктов
        • Бизнес-аналитика
        • Включение автономного облака
        • Принять Dynatrace
        • Ускорение доставки ПО
        • Автоматизация облачных операций
        • Около
          • Новости
          • Карьера
          • Партнеры
          • Лидерство
          • Отношения с инвесторами
          • Локации
          • Связаться с нами
          • Наше новое изобретение
          • Партнеры
          SaaS вход Бесплатная пробная версия Поиск
          • Главная
          • Как пользоваться Dynatrace
          • Обнаружение и анализ проблем
          • Как настроить чувствительность обнаружения проблем
          • Начать работу с Dynatrace
            • Что такое Dynatrace?
            • Начать работу с Dynatrace Managed
          • Какие новости
            • Примечания к выпуску
              • SaaS
                • Версия 1.207
                • Версия 1.206
                • Версия 1.205
                • Версия 1.204
                • Версия 1.203
                • Версия 1.202
                • Версия 1.201
                • Версия 1.200
                • Версия 1.199
                • Версия 1.198
                • Версия 1.197
              • Удалось
                • Версия 1.206
                • Версия 1.204
                • Версия 1.202
                • Версия 1.200
                • Версия 1.198
                • Версия 1.196
              • OneAgent
                • Версия 1.207
                • Версия 1.205
                • Версия 1.203
                • Версия 1.201
                • Версия 1.199
                • Версия 1.197
                • Версия 1.195
              • ActiveGate
                • Версия 1.207
                • Версия 1.205
                • Версия 1.203
                • Версия 1.201
                • Версия 1.199
                • Версия 1.197
                • Версия 1.195
              • API Dynatrace
                • Версия 1.207
                • Версия 1.206
                • Версия 1.205
                • Версия 1.204
                • Версия 1.203
                • Версия 1.202
                • Версия 1.201
                • Версия 1.200
                • Версия 1.199
                • Версия 1.198
                • Версия 1.197
                • Устаревшие API
              • Ассистент Дэвиса
                • Версия 1.194
                • Версия 1.190
                • Версия 1.186
                • Версия 1.184
              • Журнал изменений модулей кода z / OS для выпуска 7.2
              • Предыдущие выпуски
            • Новости продуктов
            • Новые разделы справки
            • Предварительные версии и выпуски Early Adopter
            • Новости о прекращении поддержки
          • Технологическая поддержка
            • Облачные платформы
              • Веб-сервисы Amazon
                • Настройте Dynatrace SaaS для мониторинга AWS
                • Настройте Dynatrace Managed для мониторинга AWS
                • Интеграции
                  • Развернуть OneAgent на AWS Fargate
                  • Развернуть OneAgent в службе эластичных контейнеров (EC2)
                  • Развернуть OneAgent на AWS Elastic Beanstalk
                  • Развернуть OneAgent как расширение Lambda
                  • Развертывание OneAgent с помощью AWS Systems Manager Distributor
                  • Эластичный сервис Kubernetes
                • Конфигурация
                  • CORS Amazon S3
                  • Подключитесь к Dynatrace с помощью AWS PrivateLink
                  • Определите правила именования хостов на основе тегов AWS
                  • Ограничьте вызовы API в AWS с помощью тегов
                • Вспомогательные услуги
                  • API-шлюз
                  • AppStream 2.0
                  • AppSync
                  • Афина
                  • Аврора
                  • Биллинг
                  • Чат-бот
                  • CloudFront
                  • CloudHSM
                  • CloudSearch
                  • Журналы CloudWatch
                  • Использование CloudWatch
                  • CodeBuild
                  • Cognito
                  • Подключить
                  • Перенос базы данных
                  • DataSync
                  • Прямое соединение
                  • DocumentDB
                  • DynamoDB
                  • EC2 API
                  • EC2 Auto Scaling
                  • Спотовый флот EC2
                  • ECS Container Insights
                  • ElastiCache
                  • Эластичный бобовый стебель
                  • Сервис эластичных контейнеров (ECS)
                  • Эластичная файловая система (EFS)
                  • Эластичный вывод
                  • Эластичный сервис Kubernetes (EKS)
                  • Эластичный MapReduce (EMR)
                  • Служба Elasticsearch (ES)
                  • Эластичный транскодер
                  • Элементаль MediaConnect
                  • Elemental MediaConvert
                  • Elemental MediaPackage
                  • Elemental MediaTailor
                  • EventBridge
                  • FSx
                  • GameLift
                  • Клей
                  • Инспектор
                  • Интернет вещей
                  • IoT Analytics
                  • График вещей Интернета вещей
                  • Keyspaces (Кассандра)
                  • Кинезис
                  • Лекс
                  • МСК (Кафка)
                  • MQ
                  • Нептун
                  • OpsWorks
                  • Полли
                  • QLDB
                  • Красное смещение
                  • Rekognition
                  • РобоМейкер
                  • Маршрут 53
                  • Резольвер Route 53
                  • SageMaker
                  • Каталог услуг
                  • Простая электронная почта (SES)
                  • Простая служба уведомлений (SNS)
                  • Простая служба очереди (SQS)
                  • Простая служба хранения (S3)
                  • Служба простого рабочего процесса (SWF)
                  • Шаговые функции
                  • Шлюз хранения
                  • Системный менеджер Команда запуска
                  • Textract
                  • Передача семьи
                  • Транзитный шлюз
                  • Переведите
                  • Надежный советник
                  • VPC NAT шлюзы
                  • Site-to-Site VPN
                  • WAF Classic
                  • WAFV2
                  • Рабочая почта
                  • WorkSpaces
                • Введение в мониторинг AWS
                • Устранение неполадок
              • Службы Microsoft Azure
                • Интеграция с OneAgent
                  • Интеграция OneAgent в службу приложений Azure
                  • Интегрируйте OneAgent в веб-приложение для контейнеров
                  • Интеграция OneAgent в Функции Azure
                  • Интеграция OneAgent на виртуальных машинах Azure
                  • Интеграция OneAgent в масштабируемый набор виртуальных машин Azure
                  • Интеграция OneAgent в Service Fabric
                  • Интеграция OneAgent в службу Azure Kubernetes
                • Интеграция с Azure Monitor
                • Вспомогательные услуги
                  • Конфигурация приложения Azure
                  • Служба приложений Azure (план службы приложений, слот для развертывания веб-приложений)
                  • Аналитика приложений Azure
                  • Учетная запись службы автоматизации Azure
                  • Пакет Azure
                  • Блокчейн Azure
                  • Когнитивные службы Azure — все в одном
                  • Когнитивные службы Azure — детектор аномалий
                  • Когнитивные службы Azure — Автозаполнение Bing
                  • Когнитивные службы Azure — Пользовательский поиск Bing
                  • Когнитивные службы Azure — поиск сущностей Bing
                  • Когнитивные службы Azure — поиск Bing
                  • Когнитивные службы Azure — проверка орфографии Bing
                  • Когнитивные службы Azure — компьютерное зрение
                  • Когнитивные службы Azure — модератор контента
                  • Когнитивные службы Azure — индивидуальное прогнозирование зрения
                  • Когнитивные службы Azure — Обучение индивидуальному видению
                  • Когнитивные службы Azure — лицо
                  • Когнитивные службы Azure — иммерсивное средство чтения
                  • Когнитивные службы Azure — Ink Recognizer
                  • Когнитивные службы Azure — понимание языка (LUIS)
                  • Когнитивные службы Azure — разработка с пониманием языка (LUIS)
                  • Когнитивные службы Azure — Персонализатор
                  • Когнитивные службы Azure — QnA Maker
                  • Когнитивные службы Azure — речь
                  • Когнитивные службы Azure — Аналитика текста
                  • Когнитивные службы Azure — Переводчик
                  • Экземпляры контейнеров Azure
                  • Реестр контейнеров Azure
                  • Обозреватель данных Azure
                  • Фабрика данных Azure (V1, V2)
                  • Аналитика озера данных Azure
                  • Хранилище озера данных Azure Gen1
                  • Общий доступ к данным Azure
                  • База данных Azure для MariaDB
                  • База данных Azure для MySQL
                  • База данных Azure для PostgreSQL (один сервер, гипермасштабирование)
                  • Служба подготовки устройств Azure (DPS)
                  • Зона Azure DNS
                  • Сетка событий Azure (темы домена, темы, системные темы)
                  • Центры событий Azure
                  • Цепь Azure ExpressRoute
                  • Брандмауэр Azure
                  • Лазурная входная дверь
                  • Azure HDInsight
                  • Среда службы интеграции Azure
                  • Центральные приложения Azure IoT
                  • Хранилище ключей Azure
                  • Служба Azure Kubernetes
                  • Приложения логики Azure
                  • Машинное обучение Azure
                  • Учетная запись Azure Maps
                  • Службы мультимедиа Azure
                  • Приложение Azure Mesh
                  • Файлы Azure NetApp
                  • Сетевой интерфейс Azure
                  • Наблюдатель за сетями Azure (монитор подключений, предварительный просмотр монитора подключений)
                  • Центр уведомлений Azure
                  • Azure Power BI
                  • Частная зона DNS Azure
                  • Общедоступный IP-адрес Azure
                  • Лазерное реле
                  • Служба поиска Azure
                  • Azure SignalR
                  • Azure Spring Cloud
                  • Управляемый экземпляр Azure SQL
                  • Учетная запись хранения Azure Classic
                  • Синхронизация хранилища Azure
                  • Azure Stream Analytics
                  • Azure Synapse Analytics (рабочая область Synapse, пул Apache Spark, пул SQL)
                  • Аналитика временных рядов Azure (среда, источник события)
                  • Диспетчер трафика Azure
                  • Виртуальные машины Azure (классический)
                  • Шлюз виртуальной сети Azure
                  • Брандмауэр веб-приложений Azure (WAF)
              • Cloud Foundry
                • Развертывание выпуска OneAgent BOSH
                • Мониторинг
                  • Контролируйте свои кластеры с Dynatrace
                  • Обзор показателей Cloud Foundry
                • Обслуживание
                  • Обновить OneAgent
                  • Удалить OneAgent
                  • Жизненный цикл поддержки
                  • Устранение неполадок
                • Другие развертывания и конфигурации
                  • Стратегии развертывания
                  • Разверните OneAgent в IBM Cloud Foundry
                  • Развертывание OneAgent на основных веб-службах
                  • Развернуть OneAgent на SAP Cloud Platform
                  • Установите Dynatrace Service Broker
                  • Организуйте развертывание Cloud Foundry по тегам
                  • Метаданные группы процессов для Cloud Foundry
              • Облачная платформа Google
                • OneAgent в Google App Engine
                • OneAgent на Google Kubernetes Engine
                • OneAgent в Google Compute Engine
              • Kubernetes
                • Развернуть OneAgent Operator
                • Мониторинг
                  • Контролируйте свои кластеры с Dynatrace
                  • Использование кластера
                  • События
                  • Рабочие нагрузки
                  • Метрики Kubernetes
                  • Метрики Прометея
                • Обслуживание
                  • Обновить OneAgent
                  • Удалить OneAgent
                  • Перенос оператора OneAgent в новую среду Dynatrace
                  • Жизненный цикл поддержки
                  • Устранение неполадок
                • Другие развертывания и конфигурации
                  • Стратегии развертывания
                  • Развернуть OneAgent Daemonset
                  • Разверните OneAgent для мониторинга только приложений
                  • Храните изображения Dynatrace в частных реестрах
                  • Организуйте развертывание Kubernetes по тегам
                  • Настроить Istio
              • Red Hat OpenShift
                • Развернуть OneAgent Operator
                • Мониторинг
                  • Контролируйте свои кластеры с Dynatrace
                  • Использование кластера
                  • События
                  • Рабочие нагрузки
                  • Метрики OpenShift
                • Обслуживание
                  • Обновить OneAgent
                  • Удалить OneAgent
                  • Перенос оператора OneAgent в новую среду Dynatrace
                  • Жизненный цикл поддержки
                  • Устранение неполадок
                • Другие развертывания и конфигурации
                  • Стратегии развертывания
                  • Развернуть OneAgent Daemonset
                  • Разверните OneAgent для мониторинга только приложений
                  • Развернуть OneAgent через OperatorHub
                  • Храните изображения Dynatrace в частных реестрах
                  • Организуйте развертывания OpenShift по тегам
                  • Настроить Istio
              • Другие платформы
                • Докер
                  • Базовые концепты

          % PDF-1.5 % 1 0 obj > endobj 4 0 obj (\ 376 \ 377 \ 000I \ 000n \ 000t \ 000r \ 000o \ 000d \ 000u \ 000c \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n) endobj 5 0 obj > endobj 8 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000R \ 000e \ 000l \ 000a \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n \ 000s \ 000h \ 000i \ 000p \ 000 \ 040 \ 000t \ 000o \ 000 \ 040 \ 000P \ 000r \ 000i \ 000o \ 000r \ 000 \ 040 \ 000L \ 000i \ 000t \ 000e \ 000r \ 000a \ 000t \ 000u \ 000r \ 000e) endobj 9 0 объект > endobj 12 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000M \ 000e \ 000a \ 000s \ 000u \ 000r \ 000e) endobj 13 0 объект > endobj 16 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000S \ 000p \ 000e \ 000c \ 000i \ 000a \ 000l \ 000 \ 040 \ 000C \ 000a \ 000s \ 000e \ 000s) endobj 17 0 объект > endobj 20 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000C \ 000l \ 000a \ 000s \ 000s \ 000i \ 000c \ 000a \ 000l \ 000 \ 040 \ 000M \ 000i \ 000n \ 000i \ 000m \ 000u \ 000m \ 000 \ 040 \ 000D \ 000i \ 000s \ 000t \ 000a \ 000n \ 000c \ 000e) endobj 21 0 объект > endobj 24 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000I \ 000n \ 000s \ 000t \ 000r \ 000u \ 000m \ 000e \ 000n \ 000t \ 000a \ 000l \ 000 \ 040 \ 000V \ 000a \ 000r \ 000i \ 000a \ 000b \ 000l \ 000e \ 000 с) endobj 25 0 объект > endobj 28 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000E \ 000s \ 000t \ 000i \ 000m \ 000a \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n) endobj 29 0 объект > endobj 32 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000A \ 000p \ 000p \ 000l \ 000i \ 000c \ 000a \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n \ 000s) endobj 33 0 объект > endobj 36 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000C \ 000h \ 000a \ 000r \ 000i \ 000t \ 000a \ 000b \ 000l \ 000e \ 000 \ 040 \ 000G \ 000i \ 000v \ 000i \ 000n \ 000g) endobj 37 0 объект > endobj 40 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000L \ 000i \ 000f \ 000e \ 000c \ 000y \ 000c \ 000l \ 000e \ 000 \ 040 \ 000C \ 000o \ 000n \ 000s \ 000u \ 000m \ 000p \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n) endobj 41 0 объект > endobj 44 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000A \ 000u \ 000t \ 000o \ 000m \ 000o \ 000b \ 000i \ 000l \ 000e \ 000 \ 040 \ 000D \ 000e \ 000m \ 000a \ 000n \ 000d) endobj 45 0 объект > endobj 48 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000C \ 000o \ 000n \ 000c \ 000l \ 000u \ 000s \ 000i \ 000o \ 000n \ 000s) endobj 49 0 объект > endobj 52 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000R \ 000e \ 000l \ 000a \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n \ 000s \ 000h \ 000i \ 000p \ 000 \ 040 \ 000t \ 000o \ 000 \ 040 \ 000A \ 000l \ 000t \ 000e \ 000r \ 000n \ 000a \ 000t \ 000i \ 000v \ 000e \ 000 \ 040 \ 000M \ 000e \ 000a \ 000s \ 000u \ 000r \ 000e \ 000s \ 000 \ 040 \ 000o \ 000f \ 000 \ 040 \ 000S \ 000e \ 000n \ 000s \ 000i \ 000t \ 000i \ 000v \ 000i \ 000t \ 000y \ 000 \ 040 \ 000t \ 000o \ 000 \ 040 \ 000M \ 000o \ 000m \ 000e \ 000n \ 000t \ 000s) endobj 53 0 объект > endobj 56 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000D \ 000r \ 000o \ 000p \ 000p \ 000i \ 000n \ 000g \ 000 \ 040 \ 000M \ 000o \ 000m \ 000e \ 000n \ 000t \ 000s) endobj 57 0 объект > endobj 60 0 obj (\ 376 \ 377 \ 000E \ 000f \ 000f \ 000e \ 000c \ 000t \ 000 \ 040 \ 000o \ 000f \ 000 \ 040 \ 000P \ 000a \ 000r \ 000a \ 000m \ 000e \ 000t \ 000e \ 000r \ 000s \ 000 \ 040 \ 000o \ 000n \ 000 \ 040 \ 000M \ 000o \ 000m \ 000e \ 000n \ 000t \ 000s) endobj 61 0 объект > endobj 64 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000P \ 000r \ 000o \ 000o \ 000f \ 000s \ 000 \ 040 \ 000f \ 000o \ 000r \ 000 \ 040 \ 000R \ 000e \ 000s \ 000u \ 000l \ 000t \ 000s \ 000 \ 040 \ 000i \ 000n \ 000 \ 040 \ 000M \ 000a \ 000i \ 000n \ 000 \ 040 \ 000T \ 000e \ 000x \ 000t) endobj 65 0 объект > endobj 68 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000P \ 000r \ 000o \ 000o \ 000f \ 000 \ 040 \ 000o \ 000f \ 000 \ 040 \ 000P \ 000r \ 000o \ 000p \ 000o \ 000s \ 000i \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n \ 000 \ 040 \ 0001) endobj 69 0 объект > endobj 72 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000P \ 000r \ 000o \ 000o \ 000f \ 000 \ 040 \ 000o \ 000f \ 000 \ 040 \ 000P \ 000r \ 000o \ 000p \ 000o \ 000s \ 000i \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n \ 000 \ 040 \ 0002) endobj 73 0 объект > endobj 76 0 объект (\ 376 \ 377 \ 000P \ 000r \ 000o \ 000o \ 000f \ 000 \ 040 \ 000o \ 000f \ 000 \ 040 \ 000P \ 000r \ 000o \ 000p \ 000o \ 000s \ 000i \ 000t \ 000i \ 000o \ 000n \ 000 \ 040 \ 0003) endobj 77 0 объект > endobj 80 0 объект > поток x ڍ n: _GHT] -eII س 8% до н.э.MӯV.O «p: _ {g00M & I ~ Yl & 㗇 ۫ i ׫4 K | X-Y} ı4Ndz9Zn [.nW (eN / 4B8x6QR ALy> & = / 4I0’V (Q1sS5rK? -, M / YF] W1] I | g XOm% _gCb˺f / fU0 & iABkDv? `f ~ M # 5vg [h [ M˭m0> ԢS ִ d-) N6m-f_mlJt0k ~ LW г; г ڳ yw} Cu`S C $ nw} ‘+ ƉhQk = ڶ # ߑ B’D ۝ v?

          Значение, использование, методы измерения

          Что такое анализ чувствительности?

          Метод, используемый для определения того, как значения независимых переменных повлияют на конкретную зависимую переменную при заданном наборе допущений, определяется как чувствительный анализ .Его использование будет зависеть от одной или нескольких входных переменных в определенных границах, таких как влияние, которое изменения процентных ставок окажут на цену облигации.

          Он также известен как анализ «что — если». Анализ чувствительности можно использовать для любой деятельности или системы. Все, от планирования семейного отпуска с учетом переменных до решений на корпоративном уровне, может быть выполнено с помощью анализа чувствительности.

          Применение анализа чувствительности в инвестициях
          

          Анализ чувствительности работает по простому принципу: Измените модель и понаблюдайте за поведением.

          Параметры, которые необходимо учитывать при выполнении вышеуказанного, следующие:

          A) Схема эксперимента: Он включает в себя комбинацию параметров, которые необходимо изменять. Это включает в себя проверку того, какие и сколько параметров необходимо изменить в данный момент времени, присвоение значений (максимальные и минимальные уровни) перед экспериментом, изучение корреляций: положительных или отрицательных и, соответственно, присвоение значений комбинации.

          B) Что меняется tfo: Различные параметры, которые могут быть выбраны для изменения в модели, могут быть:
          a) количество действий
          b) цель по отношению к предполагаемому риску и ожидаемой прибыли
          c) технические параметры
          d) количество ограничений и их пределы

          C) Что нужно учитывать:
          a) значение цели согласно стратегии
          b) значение переменных решения
          c) значение принята целевая функция между двумя стратегиями

          Измерение анализа чувствительности

          Ниже приведены шаги, используемые для проведения анализа чувствительности:

          1. Сначала определяется базовый результат; скажем, ЧПС при конкретном входном значении базового случая (V1), для которого необходимо измерить чувствительность.Все остальные входные данные модели остаются неизменными.
          2. Затем вычисляется значение выхода при новом значении входа (V2) при сохранении постоянных других входов.
          3. Найдите процентное изменение на выходе и процентное изменение на входе.
          4. Чувствительность рассчитывается путем деления процентного изменения выхода на процентное изменение входного.

          Этот процесс тестирования чувствительности для другого входа (скажем, темп роста денежных потоков) при сохранении неизменности остальных входов повторяется до тех пор, пока не будет получен показатель чувствительности для каждого из входов.Можно сделать вывод, что чем выше показатель чувствительности, тем более чувствителен выходной сигнал к любому изменению этого входа и наоборот.

          Методы анализа чувствительности

          Существуют различные методы для проведения анализа чувствительности:

          • Методы моделирования и симуляции
          • Инструменты управления сценариями с помощью Microsoft excel

          Существует два основных подхода к анализу чувствительности:

          • Локальный Анализ чувствительности
          • Анализ глобальной чувствительности

          Анализ локальной чувствительности является производным (числовым или аналитическим).Термин «локальный» указывает на то, что производные берутся в одной точке. Этот метод подходит для простых функций стоимости, но не применим для сложных моделей, например, модели с разрывами не всегда имеют производные.

          Математически чувствительность функции стоимости по отношению к определенным параметрам равна частной производной функции стоимости по этим параметрам.

          Локальный анализ чувствительности — это метод поочередно (OAT), который анализирует влияние одного параметра на функцию стоимости за один раз, сохраняя другие параметры фиксированными.

          Анализ глобальной чувствительности — второй подход к анализу чувствительности, часто применяемый с использованием методов Монте-Карло. Этот подход использует глобальный набор образцов для исследования пространства дизайна.

          Широко применяются различные методы, включая:

          • Анализ дифференциальной чувствительности: Он также относится к прямому методу. Он включает решение простых частных производных для анализа временной чувствительности.Хотя этот метод эффективен с точки зрения вычислений, решение уравнений — трудоемкая задача.
          • Измерения чувствительности по одному: Это наиболее фундаментальный метод с частичным дифференцированием, в котором значения различных параметров берутся по одному. Его также называют локальным анализом, поскольку он является индикатором только адресованных точечных оценок, а не всего распределения.
          • Факториальный анализ: Он включает в себя выбор заданного количества выборок для определенного параметра и последующий запуск модели для комбинаций.Результат затем используется для определения чувствительности параметра.

          С помощью индекса чувствительности можно рассчитать разницу в% выхода, когда один входной параметр изменяется от минимального до максимального значения.

          • Корреляционный анализ помогает определить связь между независимыми и зависимыми переменными.
          • Регрессионный анализ — это комплексный метод, используемый для получения ответов для сложных моделей.
          • Анализ субъективной чувствительности: В этом методе анализируются отдельные параметры.Это субъективный метод, простой, качественный и легкий метод исключения входных параметров.

          Использование анализа чувствительности для принятия решений

          Одно из ключевых приложений анализа чувствительности — использование моделей менеджерами и лицами, принимающими решения. Весь контент, необходимый для модели принятия решений, можно полностью использовать только путем многократного применения анализа чувствительности. Это помогает аналитикам решений понять неопределенности, плюсы и минусы ограничений и объема модели решения.
          Большинство, если не все решения принимаются в условиях неопределенности. Это оптимальное решение при принятии решений для различных параметров, которые являются приблизительными. Один из подходов к выводу — заменить все неопределенные параметры ожидаемыми значениями и затем провести анализ чувствительности. Для лица, принимающего решения, было бы передышкой, если бы у него / нее были какие-то признаки того, насколько чувствительным будет выбор при изменении одного или нескольких входных параметров.

          Использование анализа чувствительности

          • Ключевым применением анализа чувствительности является определение чувствительности моделирования к неопределенностям во входных значениях модели.
          • Они помогают в принятии решений
          • Анализ чувствительности — это метод для прогнозирования результата решения, если ситуация оказывается иной, чем ключевые прогнозы.
          • Помогает в оценке рискованности стратегии.
          • Помогает определить, насколько выход зависит от конкретного входного значения. Анализирует, помогает ли зависимость в оценке связанного риска.
          • Помогает принимать обоснованные и правильные решения
          • Помогает искать ошибки в модели

          Заключение

          Анализ чувствительности — один из инструментов, который помогает лицам, принимающим решения, не просто решить проблему.Он дает представление о проблемах, связанных с моделью, о которой идет речь. Наконец, лицо, принимающее решение, получает хорошее представление о том, насколько чувствительно выбранное им оптимальное решение к любым изменениям входных значений одного или нескольких параметров.

          Как рассчитать коэффициенты чувствительности для погрешности измерения

          Введение

          Задумывались ли вы об использовании коэффициентов чувствительности при оценке неопределенности измерения?

          Возможно, вы видели коэффициенты чувствительности, используемые в бюджете неопределенности, и задавались вопросом, почему они использовались или как они рассчитывались.

          Если вы ответили утвердительно на любое из приведенных выше утверждений, это руководство для вас.

          Сегодня вы узнаете все, что вам когда-либо понадобится об использовании коэффициентов чувствительности для вычисления неопределенности.

          Из этого руководства вы узнаете:

          • Что такое коэффициенты чувствительности,
          • Почему важны коэффициенты чувствительности,
          • Когда следует использовать коэффициенты чувствительности,
          • Когда не следует использовать коэффициенты чувствительности, и
          • Как рассчитать коэффициенты чувствительности (шаг за шагом)

          Итак, если вам интересно узнать о коэффициентах чувствительности, продолжайте читать.Вы только что нашли полное руководство по коэффициентам чувствительности и погрешности измерения.

          Что такое коэффициенты чувствительности

          Согласно Руководству по выражению неопределенности в измерениях (GUM), коэффициенты чувствительности — это частные производные, используемые для описания того, как выходная оценка y изменяется при изменении значений исходных оценок x ₁ , x ₂ ,… , х _n .

          По сути, коэффициенты чувствительности показывают, как переменные в уравнении или функции связаны с вычисленным результатом.

          Если вы измените значение переменной x в уравнении, это повлияет на величину результата y.

          Это полезно при оценке неопределенности, так как вы можете преобразовать компоненты неопределенности в аналогичные единицы измерения.

          Следовательно, коэффициенты чувствительности — это всего лишь множитель, используемый для преобразования ваших компонентов неопределенности в правильные единицы и величины для анализа неопределенности.

          Если вам известны коэффициенты чувствительности для переменных в процессе измерения, вы можете воспроизвести взаимосвязь при оценке неопределенности.

          Почему следует использовать коэффициенты чувствительности

          Согласно руководству A2LA G104 по оценке неопределенности измерений при тестировании, все вклады в неопределенность должны быть в одних и тех же единицах измерения, прежде чем их можно будет объединить.

          При принятии решения о том, использовать ли коэффициенты чувствительности, вы должны определить, выражены ли ваши источники неопределенности количественно в одних и тех же единицах измерения.

          Если да, то коэффициенты чувствительности использовать не нужно.

          Если ваши участники используют несколько разных единиц измерения, вам следует рассмотреть возможность использования коэффициентов чувствительности.

          Однако у вас все еще есть возможность.

          Вместо использования коэффициентов чувствительности в ваших бюджетах неопределенности вы можете преобразовать значения ваших индивидуальных компонентов неопределенности перед вводом данных в ваш бюджет неопределенности.

          Используя этот метод, вам не нужно использовать коэффициенты чувствительности.

          В этом руководстве я предполагаю, что вам нужно использовать коэффициенты чувствительности.

          Когда следует использовать коэффициенты чувствительности

          Используйте коэффициенты чувствительности, когда вам необходимо преобразовать компоненты неопределенности в аналогичные единицы измерения для анализа.

          Например…

          Представьте, что у вас есть набор стальных мерных блоков с коэффициентом линейного теплового расширения 10,8 x 10-6 м / К. Теперь представьте, что у вас есть термометр, который контролирует вашу рабочую зону и имеет погрешность измерения 0,2 ° C.

          Как вы соотносите неопределенность термометра с неопределенностью измерения измерительного блока?

          С коэффициентом чувствительности.

          В этом примере коэффициент линейного теплового расширения — это ваш коэффициент чувствительности. Так что самостоятельно рассчитывать коэффициент чувствительности не нужно.

          Теперь все, что вам нужно сделать, это умножить коэффициент чувствительности и погрешность вашего термометра. Результатом будет компонент неопределенности, преобразованный в метры (м), который будет связан с вашим анализом.

          В качестве альтернативы, коэффициенты чувствительности также могут использоваться для преобразования компонентов неопределенности в правильный порядок величины.

          Например…

          Представьте, что вы выполняете анализ неопределенности, где результаты измерения выражаются в миллиметрах (мм), а ваша составляющая неопределенности — в метрах (м).

          Что ж, большинство людей просто переведут компонент неопределенности в миллиметры (мм).

          Однако вы можете использовать коэффициенты чувствительности, чтобы выполнить эту задачу за вас.

          Используя коэффициент чувствительности 1000, вы можете преобразовать компонент неопределенности из метров в миллиметры в вашем бюджете неопределенности.

          Это еще один сценарий использования коэффициентов чувствительности при оценке неопределенности.

          В целом, так работают коэффициенты чувствительности. Они используются для преобразования ваших компонентов неопределенности в единицы измерения и величины относительно вашего анализа неопределенности.

          Итак, когда у вас есть источники неопределенности, которые находятся в разных единицах измерения или порядке величины, вы должны использовать коэффициенты чувствительности.

          Если вы продолжите читать, я научу вас вычислять коэффициенты чувствительности позже в этом руководстве.

          Когда не следует использовать коэффициенты чувствительности

          Вам не нужно использовать коэффициенты чувствительности, если все ваши входные величины или факторы неопределенности указаны в одной и той же единице измерения.

          Когда все ваши неопределенности перечислены в одних и тех же единицах измерения, вы просто зря потратите время. Так что не беспокойтесь о коэффициентах чувствительности.

          Однако некоторые калькуляторы неопределенности требуют, чтобы вы использовали коэффициенты чувствительности, даже если они вам не нужны.

          В этом случае необходимо ввести значение коэффициента чувствительности, иначе калькулятор неопределенности может работать неправильно, что может привести к неверным результатам или ошибкам.

          Чтобы избежать этой проблемы, просто используйте значение единицы (т.е. 1) в качестве коэффициента чувствительности.

          Это быстрое и простое решение, которое избавит вас от множества головных болей.

          Если вам интересно, почему следует использовать значение единицы, посмотрите на уравнение ниже и примите во внимание следующее:

          Неопределенность вашего результата y вычисляется путем умножения коэффициента чувствительности на неопределенность вашей входной переменной x.

          Любое значение, умноженное на единицу, все равно будет равняться тому же значению. Таким образом, использование коэффициента чувствительности, равного единице, позволит вам рассчитать погрешность и не повлиять на результаты.

          Чтобы лучше понять, взгляните на пример ниже.

          Это анализ неопределенности для элемента с ламинарным потоком, где результаты измерений выражаются в стандартных кубических сантиметрах в минуту (sccm). Поскольку неопределенность, связанная с повторяемостью, находится в тех же единицах измерения (т.е. sccm) коэффициент чувствительности не нужен.

          Однако калькулятор погрешности на изображении ниже требует ввода коэффициента чувствительности. Следовательно, вы должны использовать значение, равное единице (т.е. 1).

          Теперь, когда калькулятор неопределенности умножает коэффициент чувствительности и значение неопределенности для воспроизводимости, результат не будет затронут.

          Итак, когда все ваши источники неопределенности количественно определены в тех же единицах измерения, что и результат измерения, вам не нужно использовать коэффициенты чувствительности.

          Однако, если ваш калькулятор неопределенности требует, чтобы вы использовали коэффициенты чувствительности, обязательно используйте значение, равное единице в этих ситуациях.

          Как рассчитать коэффициенты чувствительности

          Время от времени вам нужно будет использовать коэффициент чувствительности при оценке неопределенности. Поэтому вам важно знать, как их рассчитать.

          В этом разделе я собираюсь показать вам, как рассчитать коэффициенты чувствительности для большинства основных сценариев.

          Однако следует отметить, что некоторые функции измерения могут быть довольно сложными и могут потребовать более продвинутого метода для вычисления коэффициентов чувствительности.

          Этот раздел не будет обучать вас продвинутым методам.

          Вместо этого вы научитесь выполнять только основной метод. Но не волнуйся. Большинство из вас, вероятно, никогда не столкнется с редкой необходимостью использовать передовые методы.

          Когда это раскрыто, давайте начнем.

          Чтобы вычислить коэффициенты чувствительности, вы должны сравнить изменение выходной переменной y при изменении значения конкретной входной переменной x при сохранении постоянных остальных переменных.
          Еще в средней школе по алгебре вы, наверное, узнали, что функция x равна y.

          Зная этот принцип, вы можете использовать неопределенность или ошибку переменной x, чтобы определить изменение переменной y.

          Если эти значения известны, вы можете использовать приведенное ниже уравнение для расчета коэффициента чувствительности.

          По сути, все, что вам нужно сделать, это разделить изменение переменной y на изменение переменной x.

          Если это объяснение сбивает с толку, я разбил процесс на девять простых шагов, которым вы можете следовать, чтобы вычислить свой первый коэффициент чувствительности.

          Просто следуйте приведенным ниже инструкциям, чтобы рассчитать коэффициент чувствительности.

          Пошаговое вычисление коэффициентов чувствительности

          1. Определите функцию измерения или уравнение

          Первым шагом к вычислению коэффициента чувствительности является определение функции или уравнения, которые представляют ваш процесс измерения.

          2. Определите переменные в уравнении.

          Каждая переменная, входящая в уравнение, будет входной переменной x.Вычисленным результатом уравнения всегда будет выходная переменная y.

          3. Выберите интересующую переменную.

          Выберите в уравнении переменную, для которой требуется коэффициент чувствительности.

          Если более чем одной переменной требуется коэффициент чувствительности, оценивайте только одну переменную за раз.

          4. Выберите два значения для выбранной переменной.

          Выберите два разных значения для вашей переменной. Как правило, вы должны выбрать высокое и низкое значение, которые представляют диапазон вашей функции измерения.

          В качестве альтернативы вы можете выбрать одно значение для переменной x, а второе значение добавить неопределенность измерения к исходному значению x.

          Подойдет любой метод. Итак, выберите наиболее удобный для вас метод.

          5. Вычислите и запишите результат, используя первое значение.

          Используя первое значение, которое вы выбрали на шаге 4, вставьте его в уравнение и вычислите первый результат для выходной переменной y.

          Если ваше уравнение имеет более одной входной переменной x, убедитесь, что их значения постоянны на протяжении всего процесса. Это важное правило, которое следует помнить при оценке одной переменной за раз.

          6. Вычислите и запишите результат, используя второе значение.

          Затем вставьте второе значение, которое вы выбрали на шаге 4, в свое уравнение и вычислите второй результат для выходной переменной y.

          7. Вычислите разницу результатов y.

          Теперь, когда у вас есть данные, пора вычислить коэффициент чувствительности.

          Начните с вычисления разности выходной переменной y. Вычтите результат y на шаге 6 из результата y на шаге 5.

          8. Вычислите разницу в вашей переменной x.

          Затем вычислите разность входной переменной x. Вычтите значение x на шаге 6 на значение x на шаге 5.

          9. Разделите разницу y на разницу x.

          Наконец, разделите результат шага 7 на результат шага 8.

          Это будет ваш коэффициент чувствительности для входной переменной x.

          Бонус: Проверьте свои результаты.

          После этого обязательно проверьте свои результаты. Просто умножьте свой новый коэффициент чувствительности на входные переменные, выбранные на шаге 4.

          В качестве помощи можно использовать приведенное ниже уравнение.

          Результат должен быть равен результатам, вычисленным на шагах 5 и 6.

          Если ваши результаты совпадают, ваш коэффициент чувствительности был рассчитан правильно. В противном случае вы допустили ошибку и должны повторять процесс, пока он не сработает.

          Примеры расчета коэффициентов чувствительности

          Теперь, когда вы знаете, как рассчитывать коэффициенты чувствительности, давайте рассмотрим несколько примеров, демонстрирующих этот процесс.

          Примеры в этом разделе должны помочь вам понять визуальную концепцию письменных инструкций из предыдущего раздела.

          Я постарался дать вам практические примеры, которые вы легко сможете воспроизвести и попробовать на себе.

          Примеры в разделе будут включать:

          1. Калибровка постоянного тока с использованием закона Ома
          2. Калибровка измерительного блока и коэффициент линейного теплового расширения
          3. Калибровка датчика давления с выходом от 4 до 20 мА
          4. Калибровка датчика давления с выходом от 0 до 5 В

          Калибровка постоянного тока с использованием закона Ома

          Если вы когда-либо работали в области электрической метрологии, вы должны знать закон Ома и хорошо разбираться в круговой диаграмме.

          Используя принцип закона Ома, представьте, что вы косвенно измеряете ток с помощью резистора 0,1 Ом и цифрового мультиметра.

          При 1 амперах цифровой мультиметр показывает 0,1 вольт.

          При 10 амперах вы видите на цифровом мультиметре 1 вольт.

          Используя записанные данные, вычислите разницу двух измерений напряжения и двух заданных значений тока.

          Затем разделите разницу в вольтах на разницу в амперах.

          Результат — коэффициент чувствительности 0,1 В на ампер.

          Принцип работы фототранзистора — инструментальные средства

          Фототранзистор похож на обычный BJT, за исключением того, что базовый ток вырабатывается и управляется светом, а не источником напряжения. Фототранзистор эффективно преобразует световую энергию в электрический сигнал.

          В фототранзисторе базовый ток возникает, когда свет падает на базовую область светочувствительного полупроводника.Р-n переход коллектор-база освещается падающим светом через отверстие линзы в корпусе транзистора. Когда нет падающего света, есть только небольшой ток утечки коллектор-эмиттер, генерируемый термически, I _CEO ; этот темновой ток обычно находится в диапазоне нА. Когда свет попадает на pn-переход коллектор-база, возникает базовый ток Iλ, который прямо пропорционален силе света. Это действие создает ток коллектора, который увеличивается с увеличением Iλ. За исключением способа генерации тока базы, фототранзистор ведет себя как обычный BJT.Во многих случаях электрическое соединение с базой отсутствует.

          Соотношение между током коллектора и генерируемым светом базовым током в фототранзисторе составляет

          Ic = β _DC T _λ

          Схематический символ и некоторые типичные фототранзисторы показаны на рисунке ниже.

          Поскольку фактическая фотогенерация тока базы происходит в области коллектор-база, чем больше физическая область этой области, тем больше тока базы генерируется.Таким образом, типичный фототранзистор спроектирован так, чтобы обеспечить большую площадь для падающего света, как показано на упрощенной структурной схеме на рисунке ниже.

          Фототранзистор может быть двухпроводным или трехпроводным. В конфигурации с тремя выводами основной вывод выведен так, что устройство можно использовать как обычный BJT с дополнительной функцией светочувствительности или без нее. В конфигурации с двумя выводами база электрически недоступна, и устройство можно использовать только со светом в качестве входа.Во многих приложениях фототранзистор используется в двухпроводном исполнении.

          На рисунке ниже показан фототранзистор со схемой смещения и типичными характеристическими кривыми коллектора. Обратите внимание, что каждая отдельная кривая на графике соответствует определенному значению интенсивности света (в данном случае единицы измерения — мВт / см2) и что ток коллектора увеличивается с интенсивностью света.

          Фототранзисторы чувствительны не ко всему свету, а только к свету в определенном диапазоне длин волн.Они наиболее чувствительны к определенным длинам волн в красной и инфракрасной части спектра.

          Чувствительность и специфичность — статья энциклопедии

          Чувствительность и специфичность диагностических тестов основаны на теореме Байеса и определены как «меры для оценки результатов диагностических и скрининговых тестов. Чувствительность представляет собой долю действительно больных людей в обследованной популяции, которые определены как заболевшие контрольная работа.Это мера вероятности правильно диагностировать состояние. Специфичность — это доля действительно здоровых людей, выявленных таким образом с помощью скринингового теста. Это мера вероятности правильной идентификации здорового человека. (Из Ласта, Эпидемиологический словарь, 2-е изд.) » ^[1]

          Успешное применение чувствительности и специфичности является важной частью практики доказательной медицины.

          Расчеты

          Таблица два на два для диагностического теста

          		Болезнь
          		Настоящее время	Отсутствует
          Результат теста	Положительно	Cell A	Cell B	Итого с положительной пробой
          	Отрицательный	Ячейка C	Ячейка D	Итого с отрицательной пробой
          		Всего по болезни	Всего без болезней

          Многие из этих вычислений можно выполнить на http: // statpages.org / ctab2x2.html.

          Чувствительность и специфичность

          Прогностическая ценность тестов

          Прогностическая ценность диагностических тестов определяется как «в скрининговых и диагностических тестах, вероятность того, что человек с положительным тестом является истинно положительным (т. Е. Имеет заболевание), называется прогностической ценностью положительного теста; тогда как прогностическая ценность отрицательного теста — это вероятность того, что человек с отрицательным тестом не болен.Прогностическая ценность связана с чувствительностью и специфичностью теста ». ^[2]

          Сводная статистика диагностических возможностей

          Хотя простое сообщение о точности теста кажется интуитивно понятным, на точность в значительной степени влияет распространенность заболевания. ^[3] Например, если заболевание возникло с частотой один на тысячу, то простое предположение о том, что у всех пациентов нет заболевания, даст точность более 99%, тогда как если бы частота заболевания была 999 на тысячу, то же предположение даст точность около 1%.

          С появлением многих биомаркеров, которые могут быть дорогостоящими диагностическими тестами, многие исследования были посвящены тому, как суммировать дополнительную ценность нового дорогостоящего теста в существующих диагностических методах. ^{[4] [5] [6]} Лучший метод сравнения диагностических тестов зависит от того, должен ли новый тест заменить или добавить к существующему диагностическому тесту. ^[7]

          Площадь под кривой ROC

          Для получения дополнительной информации см .: Кривая рабочих характеристик приемника .

          Была предложена область под кривой рабочих характеристик приемника (кривая ROC), AROC или c-index. С-индекс варьируется от 0 до 1, а результат 0,5 указывает на то, что диагностический тест не добавляет к предположениям. ^[8] Были предложены варианты. ^{[9] [10]}

          Байесовский информационный критерий

          Информационный критерий Байеса был предложен Шварцем в 1978 году. ^[11]

          Отношение шансов диагностики

          Диагностическое отношение шансов (DOR) основано на отношениях правдоподобия. ^[12]

          Тогда как отношение правдоподобия: ^[13]

          Диагностическое отношение шансов: ^[13]

          Или диагностическое отношение шансов:

          Например:

          • Если чувствительность и специфичность составляют 95% и 80% соответственно (или наоборот), то DOR = 71.
          • Если чувствительность и специфичность 95%, то DOR = 361.

          «DOR колеблется от 0 до бесконечности, причем более высокие значения указывают на лучшее выполнение дискриминационного теста. Значение 1 означает, что тест не делает различий между пациентами с расстройством и пациентами без него … DOR не зависит от распространенности заболевания ». ^[12]

          Сумма чувствительности и специфичности

          Этот простой показатель называется приростом уверенности: ^[14]

          Может варьироваться от 0 до 2, а результат 1 указывает на то, что диагностический тест не помогает делать предположения.

          Аналогично, индекс Youden J ( J *): ^[15]

          Индекс получен из:

          Номер, необходимый для диагностики

          Номер, необходимый для диагностики: ^[16]

          Кривая предсказуемости

          Предложен график кривой предсказуемости. ^[17]

          Пропорциональное снижение показателя неопределенности

          Предложено пропорциональное снижение показателя неопределенности (PRU). ^[18]

          Интегрированная чувствительность и специфичность

          Эта мера была предложена в качестве альтернативы площади кривой рабочих характеристик приемника. ^[19]

          Таблицы переклассификации

          Пример таблицы переклассификации для теста с двоичными выходами (например, нормальный и ненормальный)

          Эта мера была предложена в качестве альтернативы площади кривой рабочих характеристик приемника. ^{[4] [19]} Этот метод позволяет рассчитать «индекс реклассификации», «коэффициент реклассификации» или «чистое улучшение реклассификации» (NRI). ^[19]

          NRI аналогичен индексу Youden J и усилению достоверности, которые являются функциями суммы чувствительности и специфичности. В особом случае двух диагностических тестов, которые имеют двоичные результаты (например, нормальный и ненормальный), NRI равно усилению достоверности первого теста минус усиление достоверности второго теста, или, альтернативно, указанному изменению сумма чувствительности и специфичности:

          
          

          
          И NRI, и Youden J , и коэффициент уверенности — это меры, которые:

          • Предположим, что важность правильной классификации аномального пациента не менее важна, чем правильная классификация нормального пациента.
          • Суммируйте две оценки (чувствительность и специфичность), а не средневзвешенное значение этих двух оценок, исходя из отношения аномальных пациентов к нормальным.
            • Суммирование помогает сравнить два теста, которые были изучены в условиях с разной распространенностью заболевания.
            • Однако NRI можно рассматривать как вводящую в заблуждение, поскольку это индекс реклассификации, а не коэффициент реклассификации. В частном случае распространенности заболевания 50%, индекс реклассификации ровно вдвое превышает показатель реклассификации .

          Клиническая чистая реклассификация улучшения (CNRI) — это вариация, которая является NRI только для субъектов с промежуточным риском заболевания. ^[6]

          Последовательный подсчет очков

          Последовательная оценка была предложена для того, чтобы изолировать эффект нового дорогостоящего диагностического теста. ^[20]

          Угрозы действительности расчетов

          Различные ошибки, возникающие при изучении и анализе диагностических тестов, могут повлиять на достоверность расчетов. Пример — смещение спектра.

          Плохо спланированные исследования могут переоценить точность диагностического теста. ^[21]

          Список литературы

          1. ↑ Национальная библиотека медицины.Чувствительность и специфичность. Проверено 9 декабря 2007.
          2. ↑ Национальная библиотека медицины. Прогностическая ценность тестов. Проверено 9 декабря 2007.
          3. ↑ Харрелл Ф. Э., Калифф Р. М., Прайор Д. Б., Ли К. Л., Розати Р. А. (май 1982 г.). «Оценка результатов медицинских тестов». JAMA 247 (18): 2543–6. PMID 7069920. ^[e]
          4. ↑ ^{4,0 4,1} Кук Н.Р., Ридкер П.М. (июнь 2009 г.). «Достижения в измерении влияния индивидуальных предикторов сердечно-сосудистого риска: роль мер реклассификации». Ann. Междунар. Med. 150 (11): 795–802. PMID 19487714. ^[e]
          5. ↑ Cornell J, Mulrow CD, Localio AR (декабрь 2008 г.). «Точность диагностических тестов и принятие клинических решений». Ann. Междунар. Med. 149 (12): 904–6. PMID 1
          6. 11. ^[e]
          7. ↑ ^{6,0 6,1} Cook NR (январь 2008 г.). «Комментарии к« Оценка дополнительной предсказательной способности нового маркера: от области под кривой ROC до реклассификации и за ее пределами »М.J. Pencina и др., Статистика в медицине (DOI: 10.1002 / sim.2929) «. Stat Med 27 (2): 191–5. DOI: 10.1002 / sim.2987. PMID 17671959. Исследования в блогах.
          8. ↑ Хайен А., Макаскилл П., Ирвиг Л., Боссайт П. (2010). «Соответствующие статистические методы необходимы для оценки диагностических тестов для замены, дополнения и сортировки». J Clin Epidemiol . DOI: 10.1016 / j.jclinepi.2009.08.024. PMID 20079607. Исследование блогов.
          9. ↑ Хэнли Дж. А., Макнил Б. Дж. (Апрель 1982 г.).«Значение и использование площади под кривой рабочей характеристики приемника (ROC)». Радиология 143 (1): 29–36. PMID 7063747. ^[e]
          10. ↑ Уолтер С.Д. (июль 2005 г.). «Частичная площадь под сводной кривой ROC». Stat Med 24 (13): 2025–40. DOI: 10.1002 / sim.2103. PMID 15
          6. Исследование блогов.
          11. ↑ Bangdiwala SI, Haedo AS, Natal ML, Villaveces A (сентябрь 2008 г.). «Таблица согласования как альтернатива кривой рабочих характеристик приемника для диагностических тестов». J Clin Epidemiol 61 (9): 866–74. DOI: 10.1016 / j.jclinepi.2008.04.002. PMID 18687288. Исследование блогов.
          12. ↑ Шварц Г. (1978). Оценка размера модели. Анналы статистики 6, 461–464. DOI: 10.1214 / aos / 1176344136 Google Scholar
          13. ↑ ^{12,0 12,1} Glas AS, Lijmer JG, Prins MH, Bonsel GJ, Bossuyt PM (ноябрь 2003 г.). «Отношение шансов диагностики: единый показатель эффективности теста». J Clin Epidemiol 56 (11): 1129–35.PMID 14615004. ^[e]
          14. ↑ ^{13,0 13,1} Целевая группа и группа интересов SGIM EBM (2009). Спросите эксперта EBM! — Общество общей и внутренней медицины (SGIM). Общество общей внутренней медицины.
          15. ↑ Connell FA, Koepsell TD (май 1985). «Меры повышения достоверности диагностического теста». Am. J. Epidemiol. 121 (5): 744–53. PMID 4014166. ^[e]
          16. ↑ Youden WJ (январь 1950 г.).«Индекс рейтинговых диагностических тестов». Рак 3 (1): 32–5. PMID 15405679. ^[e]
          17. ↑ Bandolier (1996) Насколько хорош этот тест? II
          18. ↑ Pepe, Margaret S .; Зидинг Фэн, Ин Хуанг, Гэри Лонгтон, Росс Прентис, Ян М. Томпсон, Инъе Чжэн (01.02.2008). «Интеграция предсказуемости маркера с его характеристиками в качестве классификатора». Am. J. Epidemiol. 167 (3): 362-368. DOI: 10.1093 / aje / kwm305. PMID 17982157.Проверено 17 декабря 2008. Исследование блогов.
          19. ↑ Coulthard MG (май 2007 г.). «Количественная оценка того, как тесты уменьшают диагностическую неопределенность». Arch. Дис. Ребенок. 92 (5): 404–8. DOI: 10.1136 / adc.2006.111633. PMID 17158858. Исследование блогов.
          20. ↑ ^{19,0 19,1 19,2} Pencina MJ, Д’Агостино РБ, Д’Агостино РБ, Васан РС (январь 2008 г.). «Оценка дополнительной прогностической способности нового маркера: от области под кривой ROC до реклассификации и далее». Stat Med 27 (2): 157–72; обсуждение 207–12. DOI: 10.1002 / sim.2929. PMID 17569110. Исследование блогов.
          21. ↑ Гренландия S (январь 2008 г.). «Необходимость переориентации в сторону экономически эффективного прогнозирования: комментарии к статье« Оценка дополнительной прогностической способности нового маркера: от области под кривой ROC к реклассификации и за ее пределами »MJ Pencina et al.