ES2334868B2 - Fotometro lineal robusto de ganancia variable. - Google Patents
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Abstract
Fotómetro lineal robusto de ganancia
variable.
La presente invención se refiere a un nuevo
circuito fotométrico lineal robusto de ganancia variable basado en
compensaciones retroactivas tanto positiva como negativa. Aquí, el
amplificador de transimpedancia utilizado para convertir la
fotocorriente en tensión es compensado con retroacción positiva, con
el objetivo de hacer que el circuito multilazo robustezca la
fotocorriente, compensado las variaciones de corriente que
atraviesan el fotodiodo mientras mantiene a cero la caída de tensión
entre sus terminales. El nuevo dispositivo fotométrico es robusto
frente a variaciones e incertidumbres en los parámetros de los
fotodiodos y frente a variaciones en las condiciones ambientales,
tales como variaciones de temperatura durante el proceso de
medición, disminuyendo considerablemente la desviación de la señal
de salida desde el valor verdadero de medida frente a incertidumbres
paramétricas y a efectos no deseados debidos a la dinámica no
modelada que se manifiestan como ruido de medida.
Description
Fotómetro lineal robusto de ganancia
variable.
La invención se encuadra en el sector técnico de
tecnología electrónica, más concretamente en el relativo al diseño
de circuitos y dispositivos fotoeléctricos (fotómetros).
Actualmente, dentro del desarrollo de
dispositivos lineales para medir intensidad de luz utilizando
fotodiodos, el método físico básico de medida que más se emplea es
el del amplificador de transimpedancia. Dicho dispositivo de medida
se basa en conectar un fotodiodo entre los terminales de entrada
negativa y positiva de un amplificador operacional y aplicar
retroalimentación negativa al amplificador; de esta forma la
relación entre la tensión de salida del amplificador y la corriente
fotogenerada que circula a través del fotodiodo depende de la
retroalimentación negativa (pasiva o activa) aplicada al
amplificador operacional. Esta configuración de amplificador de
transimpedancia es un conversor
corriente-tensión.
Los dispositivos basados en el circuito descrito
arriba tienen varias ventajas, donde es importante destacar que si
la retroalimentación negativa es lineal, entonces la tensión de
salida de dispositivo en función de la corriente fotogenerada es
lineal, porque se fuerza a que la tensión entre el ánodo y el
cátodo del fotodiodo sea constante (en concreto, cero) y, por
tanto, que la respuesta del mismo sea sólo por corriente, siendo
esta corriente la corriente de cortocircuito. Los dispositivos
fotodetectores basados en este principio de medida han demostrado
hasta la fecha ser los más eficientes y fiables en cuanto a la
realización de medidas lineales de la intensidad de luz. Por lo que
son los más utilizados hasta la fecha en fotómetros para realizar
este tipo de medidas.
Ejemplos de fabricantes de dispositivos
electrónicos y circuitos integrados que diseñan fotodiodos y
circuitos de acondicionamiento de señal, los cuales pueden venir
integrados dentro del mismo chip, para fotodiodos utilizando el
amplificador de transimpedancia explicado anteriormente, son
Burr-Brown, Texas Instruments, Analog Devices, GIGA,
Sipex Corporation e Integrated Photomatrix Limited.
Además, en la literatura sobre principios
físicos de medida con fotodiodos se pueden encontrar varios
circuitos básicos. En concreto, ejemplos de circuitos básicos de
medida reportados hasta el momento en la literatura científica y
que tienen relación con el inventado en esta patente, son los
siguientes:
- 1)
- Circuito fotométrico basado en un amplificador operacional con retroalimentación negativa, un fotodiodo y dos resistores. En este circuito el ánodo del fotodiodo está conectado al terminal de entrada negativo del amplificador operacional y el cátodo del fotodiodo está conectado a un nodo formado por la unión de un resistor cuyo otro terminal está conectado al terminal de salida del amplificador operacional, y de otro resistor cuyo segundo terminal está conectado a tierra. Además, el terminal de entrada positiva del amplificador operacional está conectado a tierra.
- Esta configuración tiene dos problemas fundamentales. El primero es que aquí la señal de salida varía de forma no-lineal en función de la intensidad de luz, y el segundo que la sensibilidad a la variación de los parámetros eléctricos del fotodiodo es grande.
- Comparación con el circuito fotométrico presentado en esta patente:
- El circuito fotométrico presentado en esta patente está formado por un amplificador operacional con retroalimentación negativa y positiva, un fotodiodo y cuatro resistores, los cuales pudieran tener algún condensador en paralelo en caso de necesidad.
- El circuito objeto de la presente patente es un fotómetro lineal robusto de ganancia variable caracterizado por contener un fotodiodo cuya operación es controlada por un amplificador operacional con retroalimentaciones negativa y positiva, que impone una caída de tensión fija entre los terminales del fotodiodo (es decir, el ánodo y el cátodo del fotodiodo) y que lo fuerza a trabajar en modo corriente para cualquier rango de longitudes de ondas. El fotodiodo se ubica directamente entre el terminal de entrada positivo del amplificador operacional y el terminal de entrada negativa del amplificador operacional, con el ánodo del fotodiodo conectado al terminal de entrada positiva y el cátodo conectado al terminal de entrada negativa. Por lo que el fotodiodo no se encuentra conectado directamente a tierra.
- Además, la retroalimentación negativa esta formada por una red que se conecta entre el cátodo del fotodiodo y la tierra del circuito fotométrico, y otra red que se conecta entre el cátodo del fotodiodo y la salida del amplificador. También, la retroalimentación positiva esta formada por una red que se conecta entre el ánodo del fotodiodo y la salida del amplificador operacional, y otra red que se conecta entre el ánodo del fotodiodo y la tierra del circuito fotométrico.
- Por último, el fotómetro lineal robusto presentado en la presente patente también está caracterizado porque la ganancia del circuito fotométrico se puede variar de forma lineal variando los valores de las ganancias de los lazos de retroalimentación sin necesidad de conectar en cascada otras etapas amplificadoras. Si las redes que forman los lazos de retroalimentación están formadas por elementos activos, la ganancia del fotómetro se puede variar variando la ganancia de dichas redes. Si las redes están formadas por elementos pasivos, la ganancia del fotómetro se puede variar trabajando con redes pasivas de impedancia variable.
- En la invención presentada en esta patente los dos problemas (entre otros) que tiene la configuración eléctrica del circuito fotométrico mencionado en el apartado 1) son resueltos satisfactoriamente. En concreto, la señal de salida del circuito fotométrico presentado en esta patente es ultra-lineal y dicho circuito es prácticamente inmune a las variaciones en los parámetros del fotodiodo. Además, la estabilidad térmica del circuito objeto de la presente invención es mucho mejor que la del circuito con el cual se está comparando.
- 2)
- Circuito fotométrico basado en un conversor corriente-tensión formado por un amplificador operacional, un fotodiodo y un resistor, el cual pudiera estar en paralelo con un condensador. En este circuito el cátodo del fotodiodo conectado al terminal de entrada negativa del amplificador operacional y el ánodo del fotodiodo conectado a tierra. Además, el terminal de entrada positiva del amplificador operacional está conectado a tierra y su terminal de entrada negativa está conectado a un nodo formado por la unión del resistor, el cual pudiera estar en paralelo con un condensador, de retroalimentación negativa y el cátodo del fotodiodo.
- Esta configuración tiene varios problemas eléctricos. En primer lugar, la sensibilidad a la variación de los parámetros eléctricos del fotodiodo es muy grande. En segundo lugar, como el fotodiodo no se encuentra formando parte del lazo de retroalimentación, éste está ubicado en lazo abierto y cualquier variación o incertidumbre en sus parámetros eléctricos afecta considerablemente la respuesta de salida del circuito. Por último, la estabilidad térmica de este circuito no es muy buena.
- Comparación con el circuito fotométrico presentado en esta patente:
- En la invención presentada en esta patente los problemas planteados en el párrafo anterior son resueltos satisfactoriamente. En concreto, el circuito presentado en esta patente es prácticamente inmune a las variaciones en los parámetros del fotodiodo y su estabilidad térmica es mucho mejor que la del circuito con el cual se compara arriba.
- 3)
- Circuito fotométrico basado en un conversor corriente-tensión formado por dos amplificadores operacionales formando un amplificador compuesto, un fotodiodo, dos o tres resistores y un condensador. Este circuito es igual al típico conversor corriente-tensión explicado arriba con la diferencia de que en vez de trabajar con un único amplificador operacional se trabaja con dos amplificadores operacionales formando un amplificador compuesto, uno de los amplificadores operacionales se emplea como amplificador de entrada en lazo abierto con el terminal de entrada negativa conectado a tierra y el terminal de entrada positiva conectado al cátodo del fotodiodo, y el otro amplificador operacional se pone en cascada con el primero en configuración de integrador. Además, en este circuito el lazo de retroalimentación negativa global va desde la salida del integrador hasta la entrada positiva del primer amplificador operacional. El integrador lo forman con dos resistores y un condensador.
- Este circuito tiene los mismos problemas que el conversor corriente-tensión explicado arriba, lo único que su respuesta frente al ruido es mejor.
- Comparación con el circuito fotométrico presentado en esta patente:
- Teniendo en cuenta la información dada en párrafos anteriores sobre el circuito presentado en esta patente, el circuito fotométrico objeto de la presente patente soluciona los problemas que presenta el conversor corriente-tensión explicado en el párrafo anterior.
- 4)
- Circuito fotométrico formado por un conversor corriente-tensión basado en un amplificador operacional, un fotodiodo y tres resistores. Este circuito es similar al conversor corriente-tensión explicado en el apartado 2), pero aquí ni el ánodo del fotodiodo ni el terminal positivo del amplificador operacional están conectados a tierra, sino que ambos están conectados a un resistor (resistor 1) cuyo otro terminal está conectado a tierra. Por lo que solo hay una retroalimentación negativa aplicada el amplificador operacional, implementada poniendo un resistor (resistor 2) entre la salida del amplificador operacional y su entrada negativa, y el otro resistor (resistor 3) entre la entrada negativa del amplificador operacional y tierra.
- Este circuito tiene el problema de que su rechazo al ruido de alta frecuencia es muy bajo, además es muy sensible a perturbaciones e incertidumbres en los parámetros del fotodiodo.
- Comparación con el circuito fotométrico presentado en esta patente:
- En la invención presentada en esta patente los dos problemas planteados en el párrafo anterior son resueltos satisfactoriamente. Además, la estabilidad térmica del circuito presentado en esta patente es mucho mejor que la del circuito con el cual se compara en los dos párrafos anteriores.
- 5)
- Por último, otro circuito fotométrico que tiene relación con el presentado en esta patente y que vale la pena mencionar, es el formado por el típico amplificador de instrumentación basado en tres amplificadores operacionales, dos amplificadores operacionales en la etapa de entrada y el otro formando el restador de salida.
- Aquí, el fotodiodo está ubicado entre los terminales de entrada negativa de los dos primeros amplificadores operacionales, y los terminales de entrada positiva de dichos amplificadores operacionales están conectados a tierra. Además, para formar los respectivos conversores corriente-tensión, se conecta un resistor entre el terminal de salida y el terminal de entrada negativa de cada uno de los dos amplificadores operacionales de la etapa de entrada del amplificador de instrumentación.
- De esta forma, los componentes pasivos que forman el circuito básico de medida son los siguientes: dos resistores para la etapa de entrada y cuatro resistores para la etapa de salida, formada por el amplificador restador.
- Este circuito tiene el problema de que la sensibilidad de la salida a las variaciones e incertidumbres en los parámetros del fotodiodo es grande y su estabilidad térmica no es muy buena.
- Comparación con el circuito fotométrico presentado en esta patente:
- Como bien se ha comentado en párrafos anteriores, en la invención presentada en esta patente los dos problemas planteados en el párrafo anterior son resueltos satisfactoriamente.
Existen también otros circuitos fotométricos que
realizan la medición de la intensidad de luz incidente sobre el
fotodiodo utilizando otros modos de medida diferentes a los
descritos como los expuestos en publicaciones de
Burr-Brown, M. Jonson, J. Graeme y R.
Pallas-Areny & J. G. Webster.
Diversas patentes diseñan sistemas basados en
circuitos fotométricos donde el elemento básico sensor es el
fotodiodo conectado al amplificador de transimpedancia:
En la patente "regulación automática de
enfoque" con número de publicación ES 2 064 763, se describe un
circuito de regulación de enfoque para un dispositivo de exploración
óptico, en el cual un haz luminoso se lleva con la ayuda de un
circuito de regulación de pistas a lo largo de las pistas de datos
wobuladas en una frecuencia media de un soporte de registro en forma
de disco, se enfoca sobre el soporte de registro mediante el
circuito de regulación de enfoque y es reflejado por el soporte de
registro sobre un fotodetector de cuatro cuadrantes. La relación
entre esta patente y la presentada aquí es muy poca. En concreto, la
patente ES 2 064 763 se basa en un circuito de regulación de enfoque
caracterizado por trabajar las señales de salida de dos parejas de
fotodiodos.
En la patente "dispositivo para la detección
automática de defectos en lentes oftálmicas" ES 2 143 944, el
fotómetro que utilizan es convencional. En concreto, no patentan el
fotómetro, sino un dispositivo para la detección automática de
defectos en lentes oftálmicas.
El objeto de la patente "goniómetro de doble
reflexión" ES 2 187 384 es el diseño de un goniofotómetro
destinado para medir en modo automático el flujo luminoso de
luminarias, con una realización que permite que las dimensiones del
sistema sean mínimas, al plegar mediante reflexión el cono formado
por la radiación de la luminaria. El goniofotómetro consta de un
sistema óptico-fotométrico
(detector-filtro
fotométrico-diagras-amplificador),
montado sobre un sistema posicionador que le permite el movimiento
relativo con respecto a la fuente luminosa o luminaria que se desea
evaluar.
El circuito fotométrico mostrado en la patente
"Solid state photometer circuit" (United States Patent 4689305)
está formado por una fuente de emisión bioluminiscente, un primer
amplificador operacional en la configuración clásica de conversor
corriente-tensión, un segundo amplificador
operación en configuración de integrador y un interruptor para
conectar o desconectar la salida del primer amplificador operacional
con la entrada del integrador según convenga, con el objetivo de
obtener un salida proporcional a la emisión de la fuente
bioluminiscente.
En la patente "Multifunctional photometer
apparatus" (United States Patent 5825478), se diseña un
fotómetro, para aplicaciones en análisis químicos, con el objetivo
de medir la absorción de radiación electromagnética en una muestra
de forma simultánea a múltiples longitudes de ondas. Aquí, los
circuitos detectores de luz son conversores
corriente-tensión convencionales, como los
explicados en páginas anteriores. Además, las salidas de los
conversores son enviadas a restadores y las señales resultantes son
acondicionadas electrónicamente y enviadas a un controlador
proporcional-integral-derivativo.
Las señales resultantes son tratadas y convertidas en mediciones de
absorción de radiación electromagnética en muestras.
Y, por último, en la patente "Light measuring
aparatos and colorimeter" (United States Patent 6462819) los
dispositivos fotodetectores son fotodiodos y la conversión también
se realiza mediante conversores corriente-tensión
convencionales. Las salidas de estos conversores son multiplexadas,
amplificadas, convertidas a señales digitales mediante un conversor
analógico-digital y enviadas a un microprocesador,
el cual se encarga de realizar las operaciones matemáticas
necesarias para dar una señal de salida que represente la medición
de la intensidad de luz
incidente.
incidente.
Sin embargo, debido al tipo de amplificador de
transimpedancia que utilizan los circuitos fotométricos comentados
arriba, todos están basados en el amplificador de transimpedancia
convencional (es decir, conversores
corriente-tensión convencionales), éstos tienen los
problemas comentados en páginas anteriores. En concreto, no pueden
compensar satisfactoriamente la respuesta de salida de tales
dispositivos frente a variaciones e incertidumbres en los
parámetros de los fotodiodos que llevan incorporados debido a
variaciones en la temperatura ambiente y a otras perturbaciones. Por
lo que necesitan de una gran cantidad de circuitos de
instrumentación (tanto analógica como digital) externa, para poder
funcionar en aplicaciones tanto de laboratorio como
industriales.
El gran problema de los circuitos fotométricos
reportados hasta el momento es que en éstos el elemento sensor se
encuentra en lazo abierto y no hay ningún lazo de control
retroalimentado que garantice prestaciones robustas. Por lo que los
dispositivos diseñados hasta el momento no son robustos y la
respuesta de salida de los mismos depende fuertemente de las
condiciones de trabajo, de la temperatura ambiente y de la calidad
de los parámetros del elemento sensor (es decir, de la calidad del
fotodiodo).
Todo lo anterior es un problema que afecta
considerablemente las mediciones cuando se trabaja en ambientes
industriales no controlados, introduciendo gran incertidumbre de
medida en los dispositivos.
Por tanto, la presente invención tiene como
objetivo resolver el problema planteado anteriormente,
introduciendo un dispositivo sencillo, de bajo coste, de fácil
fabricación y de fácil integración en la tecnología actual de
fabricación de dispositivos sensores de intensidad de luz, tanto
discretos como de circuitos integrados formados por uno o varios
fotodiodos y las respectivas etapas de tratamiento de señal
incorporadas dentro del mismo circuito integrado.
El circuito objeto de la presente patente es un
fotómetro lineal robusto de ganancia variable caracterizado por
contener un fotodiodo cuya operación es controlada por un
amplificador operacional con retroalimentaciones negativa y
positiva, que impone una caída de tensión fija igual a cero voltios
entre los terminales del fotodiodo (es decir, el ánodo y el cátodo
del fotodiodo), forzando al fotodiodo a trabajar en modo corriente
para cualquier rango de longitudes de ondas y garantizando una
relación lineal entre la energía de luz recibida y la respuesta del
fotodiodo.
En la presente patente, el fotodiodo se ubica
directamente entre el terminal de entrada positivo del amplificador
operacional y el terminal de entrada negativa del amplificador
operacional, con el ánodo del fotodiodo conectado al terminal de
entrada positiva y el cátodo conectado al terminal de entrada
negativa. Por lo que el fotodiodo no se encuentra conectado
directamente a tierra.
Además, la retroalimentación negativa esta
formada por una red que se conecta entre el cátodo del fotodiodo y
la tierra del circuito fotométrico, y otra red que se conecta entre
el cátodo del fotodiodo y la salida del amplificador. También, la
retroalimentación positiva esta formada por una red que se conecta
entre el ánodo del fotodiodo y la salida del amplificador
operacional, y otra red que se conecta entre el ánodo del fotodiodo
y la tierra del circuito fotométrico.
Por último, el fotómetro lineal robusto
presentado en la presente patente también está caracterizado porque
la ganancia del circuito fotométrico se puede variar de forma lineal
variando los valores de las ganancias de los lazos de
retroalimentación sin necesidad de conectar en cascada otras etapas
amplificadoras. Si las redes que forman los lazos de
retroalimentación están formadas por elementos activos, la ganancia
del fotómetro se puede variar variando la ganancia de dichas redes.
Si las redes están formadas por elementos pasivos, la ganancia del
fotómetro se puede variar trabajando con redes pasivas de impedancia
variable.
El circuito de la figura 1 representa un esquema
del circuito lineal robusto fotométrico objeto de la presente
patente. Aquí, (1), (2), (3) y (4) representan asociaciones de
componentes activos y/o pasivos que forman los lazos de
retroalimentación. Además, (5) representa el fotodiodo (es decir, el
elemento sensor) y (6) representa el amplificador operacional.
La presente invención se refiere a un nuevo
circuito fotométrico para medida de la intensidad de luz, basado en
amplificadores operacionales y retroalimentación negativa y positiva
que supera las desventajas de los circuitos fotométricos que
aparecen en el estado actual de la técnica. Esta invención resuelve
todos los problemas planteados anteriormente en el apartado
dedicado a la descripción del estado de la técnica que tienen las
patentes anteriores.
Aquí se describe un circuito fotométrico lineal
y robusto basado en lazos de retroalimentación positiva y negativa,
donde el fotodiodo está forzado a trabajar en modo corriente y está
ubicado directamente entre los terminales de entrada del
amplificador operacional; es decir, entre el terminal de entrada
positiva y el terminal de entrada negativa. Además, dicho
amplificador está retroalimentado con lazos de retroalimentación
negativa y positiva. El fotodiodo está trabajando en régimen lineal
y las variaciones en sus parámetros eléctricos, tales como la
capacidad de la unión, la resistencia de la unión y la resistencia
serie, quedan compensadas por la acción de ambos lazos de
retroalimentación.
En concreto, el uso de ambas retroalimentaciones
permite conformar de forma robusta la función de sensibilidad
complementaria de los circuitos fotométricos, ubicando los
autovalores y los ceros del circuito de conversión
corriente-tensión en los lugares deseados teniendo
en cuenta las características del fotodiodo (es decir, la
resistencia de la unión, la capacidad de la unión y la resistencia
serie) y del amplificador operacional utilizado (es decir, la
impedancia de entrada, la impedancia de salida, el producto ganancia
ancho de banda y la frecuencia de corte de ganancia unitaria, entre
otros).
Con la presente invención se logra por primera
vez que el fotodiodo completo quede gobernado por un sistema
retroalimentado multilazo, donde se diseña el controlador de forma
tal que incertidumbres en los parámetros del fotodiodo (o sea, las
incertidumbres estructuradas y las no estructuradas) afecten lo
menos posible las medidas realizadas por el circuito fotométrico.
Además, gracias a esta estructura novedosa de diseño, los efectos de
variación de la respuesta de salida del circuito fotométrico debido
a variaciones de la temperatura se reducen considerablemente. Lo
cual es un problema que afecta considerablemente a los circuitos
fotométricos actuales y, por su puesto, a los circuitos fotométricos
descritos en las patentes mencionadas en el apartado dedicado a la
descripción del estado de la
técnica.
técnica.
En concreto, con la presente invención el
diseñador puede conformar de forma robusta la respuesta en
frecuencia del circuito fotométrico, los valores singulares de la
función de sensibilidad y de la función de sensibilidad
complementaria de dicho circuito, garantizando un ancho de banda
satisfactorio y minimizando los posibles picos de resonancia de la
función de sensibilidad, los cuales provocan la amplificación de
perturbaciones en los parámetros de los fotodiodos.
Además, la solución aportada desemboca en una
disminución apreciable de los costes, la estructura básica puede
estar compuesta por muy pocos resistores y condensadores (en caso
de que se desee disminuir el ancho de banda del circuito
fotométrico) y por un solo amplificador operacional. Por lo que el
consumo de energía es muy bajo, la implementación es sencilla y es
de fácil integración en la tecnología actual de fabricación de
sensores con etapas de instrumentación incorporadas dentro del
mismo chip. Lo que abre las puertas al diseño de fotómetros
inteligentes.
El amplificador operacional (6), de la forma en
la cual está conectado en la figura 1, impone que la caída de
tensión entre el ánodo y el cátodo del fotodiodo (5) sea idealmente
cero; además, al tener alta impedancia de entrada, evita que la
corriente fotogenerada y las corrientes debidas a las retroacciones
entren al mismo, forzando a que todas las corrientes debidas a la
respuesta del sensor y a la retroalimentación circulen a través de
los componentes que forman los lazos de retroalimentación (1), (2),
(3) y (4), y permitiendo la compensación por corriente del fotodiodo
(5).
El fotodiodo (5) puede ser un fotodiodo
comercial y el amplificador operacional (6) debe escogerse de forma
tal que tenga alta impedancia de entrada, baja impedancia de salida,
alta ganancia en lazo abierto, alto rechazo a variaciones en la
fuente de alimentación, alto rechazo al modo común en la entrada,
bajo ruido y, preferiblemente, gran ancho de banda para poder
aprovechar al máximo las prestaciones del fotodiodo. De forma tal
que las limitaciones en la respuesta en frecuencia del dispositivo
sean mínimas.
Además, los elementos que forman los lazos de
retroalimentación (1), (2), (3) y (4), pueden ser tanto componentes
activos como componentes pasivos, según el tipo de función de
transferencia deseada. Sin embargo, se recomienda que el circuito de
medida sea lo más sencillo posible. Por lo que, utilizando
resistores y condensadores, se pueden implementar todas las
funciones de transferencia deseadas para el circuito
fotométrico.
Ambos lazos de retroalimentación de la figura 1
determinan la velocidad de respuesta del circuito fotométrico y la
ganancia del mismo, y la ganancia se puede variar de forma lineal
variando los valores de las ganancias de los lazos de
retroalimentación sin necesidad de conectar en cascada otras etapas
amplificadoras. Si las redes que forman los lazos de
retroalimentación están formadas por elementos activos, la ganancia
del fotómetro se puede variar variando la ganancia de dichas redes.
Si las redes están formadas por elementos pasivos, la ganancia del
fotómetro se puede variar trabajando con redes pasivas de impedancia
variable.
Sin embargo, en determinadas aplicaciones
concretas, en las cuales el diseñador o los diseñadores deciden que
las redes sean pasivas, las combinaciones de las impedancias
equivalentes representadas por (1), (2), (3) y (4) pudieran hacer
que el circuito fotométrico fuera inestable, perdiéndose así las
propiedades de prestaciones robustas y pasando a un régimen de
estabilidad condicional. En este nuevo régimen, los diseñadores
pudieran lograr tiempos de respuesta mucho más pequeños, pero la
respuesta tendría rebase y oscilaciones. Todos estos problemas son
resueltos con el circuito fotométrico presentado en esta
patente.
También, debido a la conexión del amplificador
operacional con retroalimentación negativa y retroalimentación
positiva, el circuito fotométrico presentado en esta patente evita
la necesidad de formar amplificadores compuestos para reducir el
ancho de banda del ruido, sin necesidad de reducir el ancho de
banda de la señal útil. El circuito de la figura 1 evita la
necesidad de formar amplificadores compuestos utilizando un único
amplificador operacional de bajo ruido, de gran ancho de banda, con
impedancia de entrada mucho mayor que la resistencia paralelo de la
unión del fotodiodo y con baja impedancia de salida.
Por último, con el objeto de cumplir con la
función divulgativa del documento, un modo de realización de la
invención es utilizar el fotodiodo de silicio BPW21 de Siemens, el
amplificador operacional OPAl28 de Burn-Brown, y
diseñar los lazos de retroalimentación negativa y positiva
alrededor del amplificador operacional como una asociación de
resistores conectados según se indica en la figura 1. Además, poner
resistores de los siguientes valores:
R_{1} = 1 k\Omega, R_{2} = 100 \Omega,
R_{3} = 100 k\Omega y R_{4} = 22,08 k\Omega.
Con el presente modo de realización se obtiene
un circuito fotométrico robusto de fácil implementación, tanto con
componentes discretos como con tecnología de circuitos integrados
monolíticos, con sensibilidad a la intensidad de luz incidente en el
fotodiodo igual as 3323,3 V/W, con no-linealidad
(expresada como tanto por ciento de la salida a plena escala) igual
a 0,55%, con coeficiente de variación de la tensión de salida con la
temperatura igual a -21.83 \muV/°C y prácticamente insensible a
perturbaciones e incertidumbres en los parámetros eléctricos del
fotodiodo.
La aplicación industrial del dispositivo
descrito en la presente patente es muy amplia. Se puede aplicar para
mejorar el circuito fotométrico básico que llevan incorporados
fotómetros comerciales, tanto portátiles como de laboratorio, tales
como: los fotómetros utilizados en equipos para la medición de cloro
libre y total, medidores de pH y dureza total, y, en equipos de
medición multiparamétrica, para determinar la calidad de las aguas;
y los fotómetros que se utilizan para tomar fotografías a individuos
u objetos.
Además, se puede aplicar para mejorar el
circuito fotométrico básico de los fotómetros que se utilizan en
productos para investigación médica y biológica, y para mejorar los
circuitos fotométricos básicos de fotómetros de mano. También, esta
patente se puede utilizar para mejorar el circuito fotométrico de
los circuitos integrados opto-electrónicos, el
amplificador de transimpedancia y el fotodetector con circuito
electrónico incorporado.
Claims (3)
1. Fotómetro lineal robusto de ganancia variable
que comprende:
- un fotodiodo (5) cuya operación es controlada
por un amplificador operacional (6), estando dicho fotodiodo (5)
ubicado directamente entre el terminal de entrada positiva del
amplificador operacional (6) y el terminal de entrada negativa del
amplificador (6), con el ánodo del fotodiodo (5) conectado al
terminal de entrada positiva y el cátodo conectado al terminal de
entrada negativa,
- el amplificador operacional (6) está
retroalimentado con un lazo de retroalimentación negativa que está
formado por dos redes (1,2):
- una primera red de realimentación negativa (2)
conectada entre el terminal de salida del amplificador operacional
(6) y el terminal de entrada negativa del amplificador operacional
(6), y
- una segunda red de realimentación negativa (1)
está conectada entre el cátodo del fotodiodo y la tierra del
circuito fotométrico,
el amplificador operacional (6) está además
retroalimentado con un lazo de retroalimentación positiva que está
formado a su vez por dos redes (3, 4):
- una primera red de realimentación positiva (3)
conectada entre el terminal de salida del amplificador operacional y
el terminal de entrada positiva del amplificador operacional, y
- otra segunda red de realimentación positiva
(4) que está conectada entre ánodo del fotodiodo y la tierra del
circuito fotométrico, siendo los componentes de la redes de
retroalimentación (1, 2, 3, 4) resistores.
2. Fotómetro lineal robusto de ganancia variable
según la reivindicación 1, en el que los lazos de retroalimentación
(1, 2, 3, 4) están compuestas por resistores de impedancia
variable.
3. Fotómetro lineal robusto de ganancia variable
según la reivindicación 1, donde:
- la primera red de realimentación negativa (2)
tiene sustancialmente una resistencia de 100 \Omega,
- la segunda red de realimentación negativa (1)
tiene sustancialmente una resistencia de 1 k\Omega,
- la primera red de realimentación positiva (3)
tiene sustancialmente una resistencia de 100 k\Omega,
- la segunda red de realimentación positiva (4)
tiene sustancialmente una resistencia de 22,08 k\Omega.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200701601A ES2334868B2 (es) | 2007-06-11 | 2007-06-11 | Fotometro lineal robusto de ganancia variable. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ES200701601A ES2334868B2 (es) | 2007-06-11 | 2007-06-11 | Fotometro lineal robusto de ganancia variable. |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| ES2334868A1 ES2334868A1 (es) | 2010-03-16 |
| ES2334868B2 true ES2334868B2 (es) | 2011-01-17 |
Family
ID=41727875
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ES200701601A Active ES2334868B2 (es) | 2007-06-11 | 2007-06-11 | Fotometro lineal robusto de ganancia variable. |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2334868B2 (es) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5670775A (en) * | 1995-06-23 | 1997-09-23 | Ardac, Inc. | Current-boosted positive feedback logarithmic transresistance amplifier for currency validators |
-
2007
- 2007-06-11 ES ES200701601A patent/ES2334868B2/es active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5670775A (en) * | 1995-06-23 | 1997-09-23 | Ardac, Inc. | Current-boosted positive feedback logarithmic transresistance amplifier for currency validators |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Burr-Brown Application Bulletin AB-075 "{}Photodiode Monitoring With Op Amps"{} (figura 7b, figura 4) Enero 1995. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2334868A1 (es) | 2010-03-16 |
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| EC2A | Search report published |
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