FOTOMETRO 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

Fotómetro lineal robusto de ganancia variable.

Sector técnico

La invención se encuadra en el sector técnico de tecnología electrónica, más concretamente en el relativo al diseño de circuitos y dispositivos fotoeléctricos (fotómetros).

Estado de la técnica

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...

1. Fotómetro lineal robusto de ganancia variable caracterizado por contener un fotodiodo cuya operación es controlada por un amplificador operacional con retroalimentaciones negativa y positiva, estando dicho fotodiodo ubicado directamente entre el terminal de entrada positiva del amplificador operacional y el terminal de entrada negativa del amplificador, con el ánodo del fotodiodo conectado al terminal de entrada positiva y el cátodo conectado al terminal de entrada negativa. Además, el amplificador operacional está retroalimentado con lazos de retroalimentación positiva y retroalimentación negativa formados por redes. Aquí, el lazo de retroalimentación negativa está formado por dos redes, una conectada entre el terminal de salida del amplificador operacional y el terminal de entrada negativa del amplificador operacional, y la otra red está conectada entre el cátodo del fotodiodo y la tierra del circuito fotométrico. También, el lazo de retroalimentación positiva está formado por dos redes, una conectada entre el terminal de salida del amplificador operacional y el terminal de entrada positiva del amplificador operacional, y la otra red está conectada entre ánodo del fotodiodo y la tierra del circuito fotométrico.

2. Fotómetro lineal robusto de ganancia variable según reivindicación 1 en el que al menos las redes conectadas a tierra son resistores.

3. Fotómetro lineal robusto de ganancia variable según reivindicación 2 en el que las redes entre salida y entradas son resistores.

4. Fotómetro lineal robusto de ganancia variable según cualquiera de las reivindicaciones anteriores en el que los lazos de retroalimentación están compuestos por redes pasivas de impedancia variable.