Фотоприймальний пристрій, стійкий до фонової засвітки, з розширеним динамічним діапазоном вхідних сигналів
Measurement of periodic optical information signals in the background light noise with a photodetector with extended dynamic range is an urgent task of modern electronics and thus has become the aim of this study.To increase the dynamic range of the photodetector, a new version of the automatic gain...
Збережено в:
| Дата: | 2021 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers
2021
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.3-4.03 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technology and design in electronic equipment |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technology and design in electronic equipment| _version_ | 1867569665180434432 |
|---|---|
| author | Lipka, Volodymyr Ryukhtin, Vyacheslav Dobrovolsky, Yuriy |
| author_facet | Lipka, Volodymyr Ryukhtin, Vyacheslav Dobrovolsky, Yuriy |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Volodymyr Lipka",
"institution": "Ritm Central Design Bureau Joint-Stock Company, Chernivtsy, Ukraine"
},
{
"author": "Vyacheslav Ryukhtin",
"institution": "Ritm Central Design Bureau Joint-Stock Company, Chernivtsy, Ukraine"
},
{
"author": "Yuriy Dobrovolsky",
"institution": "Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University, Chernivtsy, Ukraine"
}
] |
| author_sort | Lipka, Volodymyr |
| baseUrl_str | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-06-09T12:18:48Z |
| description | Measurement of periodic optical information signals in the background light noise with a photodetector with extended dynamic range is an urgent task of modern electronics and thus has become the aim of this study.To increase the dynamic range of the photodetector, a new version of the automatic gain control (AGC) circuit has been developed, which consists of an AGC controller, an output photodetector amplifier and an AGC detector.The authors measured the dynamic range of the photodetector when receiving optical radiation with a wavelength of 1064 nm in the power range from 2.10–8 to 2.10–5 W at a modulation frequency of 20 kHz with the AGC on. Under these conditions, the dynamic range of the photodetector was found to be up to 67 dB. If the AGC was off, the dynamic range did not exceed 30 dB.Thus, the study made it possible to create a photodetector with an extended dynamic range up to 67 dB based on a new version of the AGC circuit. The design of the photodetector allowed choosing a useful signal of a particular modulation frequency in the frequency range from 3 to 45 kHz and effectively suppresses the frequencies caused by optical interference in the low frequency range from the frequency of the input signal of constant amplitude up to 3 kHz inclusive. This compensates the current up to 15 mA, which is equivalent to the power of light interference of about 15 mW.Further research should address the issues of reliability of the proposed photodetector design and optimization of its optical system.The photodetector can be used in geodesy and ambient air quality monitoring. |
| doi_str_mv | 10.15222/TKEA2021.3-4.03 |
| first_indexed | 2025-09-24T17:30:21Z |
| format | Article |
| fulltext |
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–4 3ISSN 2309-9992 (Online)
1
ЕЛЕКТРОННІ ЗАСОБИ: ДОСЛІДЖЕННЯ, РОЗРОБКИ
УДК 535.23:628.98:004.9:535-31:535.247
В. М. ЛІПКА1, к. т. н. В. В. РЮХТІН1, д. т. н. Ю. Г. ДОБРОВОЛЬСЬКИЙ2
Україна, м. Чернівці, 1Центральне конструкторське бюро «Ритм»,
2Чернівецький національний університет ім. Ю. Федьковича
E-mail: volodymyrlipka9@gmail.com
ФОТОПРИЙМАЛЬНИЙ ПРИСТРІЙ,
СТІЙКИЙ ДО ФОНОВОЇ ЗАСВІТКИ, З РОЗШИРЕНИМ
ДИНАМІЧНИМ ДІАПАЗОНОМ ВХІДНИХ СИГНАЛІВ
Оптичне вимірювання є носієм величезної кіль-
кості інформації, яку досліджують та обробляють
різноманітні електронні засоби, засновані на пер-
винних перетворювачах — фотоприймачах оптич-
ного випромінення та електронних схемах оброб-
ки фотосигналу. На величину корисного фотосигна-
лу впливають різноманітні завади, які відносяться
до двох типів — електричного походження (шумо-
ві сигнали фотоприймача, шуми, створювані провід-
никами, шуми підсилювача тощо) та оптичного по-
ходження (опти чні сигнали, генеровані різноманіт-
ними фоновими джерелами, такими як Сонце, освіт-
лювальні прилади тощо) [1]. Суттєвим серед них є
опти чне випромінення з таким спектральним діапазо-
ном, що відчувається фотоприймачем. Така ситуа ція
спостерігається при роботі фотоприймального при-
строю (ФПП) у так званому відкритому оптичному
каналі, наприклад при плануванні місцевості за до-
помогою лазерного теодоліта або при лазерному зон-
дуванні атмосфери для виявлення зміни концентра-
ції певних молекул. В процесі виконання таких за-
дач викори стовуються, зокрема, лазери, які працю-
ють в інфрачервоному діапазоні спектру.
Робота системи «лазер — ФПП» в умовах від-
критого каналу призводить до того, що випромі-
нення з певною робочою довжиною хвилі генерує
у фотоприймачі фотострум І1, а фонове випромі-
нення — фотострум І2, при цьому І2 може бути на-
багато більше за І1, і в такому випадку отримати
інформацію з корисного інформаційного сигналу
неможливо. Це особливо суттєво у випадку пері-
одичних монохроматичних сигналів, тому проти-
дія таким завадам є актуальним завданням суча сної
електроніки.
З наукової літератури відомо, що проблему реє-
страції корисного монохроматичного потоку випро-
мінення в умовах фонового засвітлення частково
Створено дослідний зразок фотоприймального пристрою для приймання періодичних оптичних інформаційних
сигналів у відкритому оптичному каналі в умовах дії фонового випромінювання видимого світла потужністю
до 15 мВт. Пристрій працює у низькочастотному діапазоні від 3 до 45 кГц включно з динамічним діапазоном,
розширеним до 67 дБ при застосуванні автоматичного регулювання підсилення.
Ключові слова: фотоприймальний пристрій, фонове випромінення, динамічний діапазон.
можна вирішувати за допомогою схем автоматично-
го регулювання підсилення, однак при цьому відбу-
вається звуження динамічного діапазону ФПП. Тому
ще одним актуальним завданням електроніки є по-
шук технічного балансу між схемно-технічними рі-
шеннями, які забезпечують протидію фоновому ви-
проміненню при роботі ФПП у відкритому оптично-
му каналі, та збереженням й розширенням його ди-
намічного діапазону.
Фотоприймальний пристрій УФУО4, розробле-
ний раніше у ЦКБ «Ритм», має динамічний діапазон
до 30 дБ у частотному діапазоні відбору корисного
сигналу 3—45 кГц. При цьому протидія фоновій за-
світці здійснюється виключно за допомогою оптич-
ного відрізаючого світлофільтра, коли частка фоно-
вого випромінення, що проходить скрізь фільтр, ні-
яким чином не компенсується. Це суттєво обмежує
область застосування пристрою, примушуючи спо-
живача використовувати прилад лише в умовах низь-
кого рівня освітленості видимим світлом, практич-
но лише у ночі.
Метою цієї роботи було створення дослідного
зразку фотоприймального пристрою з динамічним
діа пазоном не менше 60 дБ, який би забезпечував
вимірювання потоку періодичного монохроматично-
го випромінення з довжиною хвилі 1064 нм в умо-
вах відкритого оптичного каналу при фоновому за-
світленні видимим світлом потужністю до 15 мВт.
Аналіз шляхів досягнення мети роботи
Розширення динамічного діапазону фотоприймача
досягається зменшенням його шуму, зокрема, опти-
мізацією його конструкції та технології [2]. Шуми,
створювані з’єднувальними елементами між фото-
приймачем та підсилювачем, зазвичай усуваються
шляхом створення такої конструкції ФПП, коли фо-
топриймач, підсилювач та інші елементи обробки
DOI: 10.15222/TKEA2021.3-4.03
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–44 ISSN 2309-9992 (Online)
2
ЕЛЕКТРОННІ ЗАСОБИ: ДОСЛІДЖЕННЯ, РОЗРОБКИ
оптичного сигналу збираються на одній підкладці в
одному корпусі [3].
Для протидії фоновому випроміненню шляхом ви-
ділення потрібного спектрального діапазону викори-
стовуються оптичні світлофільтри [4, 5]. Але світло-
фільтри мають загальний недолік — вони здатні про-
пускати частку оптичного випромінення за межами
того діапазону, який повинні виділяти [6].
Оскільки складовою частиною ФПП є фотодіод,
його динамічний діапазон також має бути широким,
що досягається, зокрема, зменшенням рекомбінації
носіїв заряду [7, 8]. Але такі операції ускладнюють
конструкцію фотодіода та технологію його виготов-
лення, що знову-таки веде до здороження виробу та
втраті конкурентоспроможності на ринку. Сучасні фо-
топриймачі, в конструкціях яких як вихідний матері-
ал застосовують фулерен С60 [9] та графен [10], ма-
ють гарні характеристики, але їх надійність (час на-
працювання) поки що залишається невеликою, а ціна
достатньо високою. Для вирішення поставленого за-
вдання також використовують модуляцію вхідного
сигналу [11], що вимагає обладнувати фотоприймач
детектувальним пристроєм. Як правило, перелічені
вище фотодіоди працюють у закритому оптичному
каналі та є лінійними у межах 100—200 дБ у всьо-
му діапазоні чутливості до оптичного випромінення.
Схемно-технічні рішення, які реалізуються у
ФПП, також сприяють розширенню його динамі-
чного діапазону у цілому через зменшення шуму.
Зокрема, у [12] для мінімізації шуму та досягнення
високої чутливості створено вимірювальний тракт
керуванння вихідним струмом за допомогою кон-
туру зворотного зв’язку. Тієї ж мети досягають ав-
тори [13]: за допомогою вбудованих компараторів
та логічних елементів поза приймачем отримуєть-
ся сигнал із частотою, пропорційною рівню світла,
а динамічний діапазон у закритому оптичному ка-
налі складає 145 дБ.
Описані схемні рішення належать до схем авто-
матичного регулювання підсилення (АРП) [14], які
широко використовуються у медичній галузі [15, 16]
та системах зв’язку [17, 18]. Схеми АРП здатні регу-
лювати коефіцієнт підсилення фотосигналу і таким
чином регулювати межі динамічного діапазону ФПП.
Окрім того, схеми АРП можуть відстежувати сигнал
із певною частотою, пропорційною відповідному рів-
ню оптичного сигналу [13]. Наприклад, у [19] про-
ведено дослідження величини вихідного сигналу по-
переднього підсилювача в умовах фонового випро-
мінення з довжиною хвилі 950 нм, яке показало, що
при застосуванні фотодіода у відповідному облад-
нанні необхідно враховувати його динамічний діа-
пазон та частотні характеристики попереднього під-
силювача, які слід розширити до значень, при яких
фонове випромінення можна вивести за межі робо-
чої частоти системи. Саме таке рішення було обра-
но для подальших досліджень.
Результати досліджень
ФПП створювався у рамках виконання науково-
дослідної роботи, що проводиться в ЦКБ «Ритм»
(м. Чернівці).
Первинним перетворювачем служив фотодіод
з кремнію р-типу провідності, оптимізований для
прий мання монохроматичного випромінювання з
довжиною хвилі λ = 1064 нм (притаманна лазеру на
основі ітрієво-алюмінієвого гранату), потужністю до
5 мкВт, який широко застосовується у геодезії та при
контролі чистоти атмосфери [20], як правило, в умо-
вах відкритого оптичного каналу при фоновій освіт-
леності оптичним випроміненням видимого діапа-
зону спектру.
Було проведено оцінку величини фотоструму, який
може генерувати кремнієвий фотодіод при його опро-
міненні сонячним світлом, яке діє як фонове випромі-
нення. Для фотодіода певної конструкції, виготовлено-
го з кремнію р-типу провідності, питомий фотострум,
зумовлений фоновим випроміненням, є достатньо ви-
соким — його величина сягає 0,2 мА/мм2. Тому для
усунення такого впливу застосовувався світлофільтр
зі скла ИКС7 товщиною 4 мм, що пропу скає оптичне
випромінення, починаючи з довжини хвилі близько
800 і до 4800 нм. Таким чином, область спектраль-
ної чутливості фотодіоду звузилася до 800—1100 нм,
чого цілком достатньо для вимірювання оптичного
випромінення з λ = 1064 нм. При цьому величина фо-
нового фотоструму зменшилася на 60%.
Для збільшення динамічного діапазону ФПП та
компенсації впливу фонового випромінення було роз-
роблено нову версію схеми АРП на основі мікросхе-
ми AD633, яка наведена на рис. 1.
Працює запропонована схема наступним чином.
Фотодіод 1 генерує фотострум, який створюється
фоновим випроміненням певного частотного скла-
ду та має робочу довжину хвилі 1064 нм, яка також
модулюється за певним законом. Перший каскад
ФПП 2 побудовано за схемою роздільного підсилен-
ня в смузі частот з компенсацією постійного засвіт-
Рис. 1. Блок-схема ФПП, стійкого до немодульованого
фонового випромінення:
1 — фотодіод; 2 — перший каскад підсилювача; 3 — регуля-
тор АРП; 4 — вихідний підсилювач ФПП; 5 — детектор АРП;
Out_UFP — напруга вихідного підсилювача; On/Of_ADG —
увімкнення/вимкнення АРП
1 4
5
32
Out_UFP
On/Of_ADG
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–4 5ISSN 2309-9992 (Online)
3
ЕЛЕКТРОННІ ЗАСОБИ: ДОСЛІДЖЕННЯ, РОЗРОБКИ
лення. Він забезпечує попереднє підсилення фото-
сигналу, зумовленого робочою довжиною хвилі, та
часткове відфільтровування фотосигналу, який має
ча стотний склад, що відрізняється від частоти моду-
ляції корисного сигналу.
Схема АРП працює наступним чином. Вихідний
сигнал першого каскаду 2 подається на вхід аналого-
вого перемножувача регулятора 3, реалізованого на
мікросхемі аналогового перемножувача AD633, під-
силюється вихідним підсилювачем 4 і подається на
детектор 5. При досягненні порогового рівня детек-
тор АРП формує керуючий сигнал, який подається
на другий вхід аналогового перемножувача регуля-
тора 3, зменшуючи при цьому коефіцієнт підсилен-
ня регулятора АРП.
Фотоелектричні параметри ФПП досліджувались
відповідно до методик вимірювання параметрів фо-
топриймачів, викладених у ГОСТ 17772-88 [21], із
доповненнями, наведеними нижче.
Оскільки вольтова монохроматична чутливість
SUλ створюваного ФПП не має бути меншою, ніж у
прототипу (УФУО4), вона досліджувалась у першу
чергу. Контроль величини SUλ здійснювався шляхом
фокусування випромінення випромінювача на фото-
чутливому елементі ФПП, і при цьому вимірювала-
ся напруга фотосигнала Uout. Чутливість розрахову-
вали за формулою
SUλ = Uout / Р, (1)
де Р — потужність випромінювання (10 нВт).
Відносна похибка визначення SUλ не перевищу-
вала ±10%.
Вимірювання проводилися, коли система АРП
була вимкнена. Результати показали, що вольтова мо-
нохроматична чутливість створеного ФПП на часто-
ті 20 кГц і довжині хвилі оптичного випромінювання
1064 нм досягає 2,8·106 В/Вт, що не гірше ніж зна-
чення, притаманні ФПП УФУО4.
Залежність амплітуди вихідного сигналу від ча-
стоти вхідного сигналу сталої амплітуди (АЧХ), а
саме — смугу пропускання ФПП (ΔU), отримува-
ли при варіюванні частоти випромінення (без зміни
амплітуди) по рівню –3дБ, вимірюючи селективним
вольтметром амплітуду вихідного сигналу ФПП на
дискретних частотах. Величину динамічного діапа-
зона розраховували за формулою
ΔU = 20 lg(Ufd /Uf10), (2)
де Uf10, Ufd — амплітуди вихідного сигналу ФПП, від-
повідно, на частоті 10 кГц та на дискретних частотах.
Відносна похибка визначення ΔU — у ме жах
±10%.
АЧХ вольтової монохроматичної чутливості пер-
шого каскаду ФПП наведено на рис. 2. Тут видно, що
смуга пропускання, виміряна по рівню –3 дБ, знахо-
диться у діапазоні частот від 3 до 100 кГц.
Дослідження запропонованої конструкції ФПП
показали (рис. 3), що вона забезпечує вибір кори-
сного сигналу певної частоти модуляції у діапазоні
від 3 до 45 кГц і ефективно придушує частоти, ви-
Рис. 2. АЧХ вольтової мо-
нохроматичної чутливо сті
першого каскаду ФПП,
стійкого до немодульова-
ного фонового оптичного
випромінення
ΔU, дБ
0
–10
–20
–30
–40
–50
0,1 0,4 0,7 1 4 7 10 40 70 100 400 700 1000
f, кГц
Рис. 3. АЧХ вольтової мо-
нохроматичної чутливо-
сті ФПП, стійкого до не-
модульованого фонового
оптичного випромінення,
у цілому
ΔU, дБ
–25
–75
–125
–175
100 101 102 103 104 105 106
f, кГц
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–46 ISSN 2309-9992 (Online)
4
ЕЛЕКТРОННІ ЗАСОБИ: ДОСЛІДЖЕННЯ, РОЗРОБКИ
кликані оптичними завадами у низькочастотному ді-
апазоні від частоти вхідного сигналу сталої ампліту-
ди до 3 кГц включно.
Також за допомогою відповідного селективного
вольтметра досліджувалось середньоквадратичне
значення власних шумів ФПП за відсутності фоно-
вого засвітлення при вимкненій системі АРП. Смуга
пропускання ФПП склала 42 кГц. Це значення не пе-
ревищувало 2 мВ (в смузі 1 кГц).
Виміряний струм компенсації першого каскаду
ФПП становить 15 мА, що еквівалентно потужно сті
світлових завад, що падають на поверхню фотодіо-
да, близько 15 мВт.
Динамічний діапазон ФПП dФПП визначається як
логарифм відношення максимальної амплітуди вхід-
ного сигналу підсилювача UCmax, за якої спотворення
сигналу досягають гранично допустимого значення,
до порогового значення чутливості підсилювача Uпор.
Дослідження dФПП здійснювалося збільшенням
потужності випромінювання до максимально можли-
вого вихідного сигналу ФПП без спотворення форми
(обмеження амплітуди імпульсу сигналу), контролю-
ючи його на осцилографі та вимірюючи його амплі-
туду UCmax за осцилограмою. Умови вимірювання:
довжина хвилі оптичного випромінення 1064 нм,
діапазон потужності від 2·10–8 до 2·10–5 Вт, частота
модуляції 20 кГц при ввімкненому АРП.
Динамічний діапазон розраховували за формулою
dФПП = 20 lg(UCmax/Uпор). (3)
Відносна похибка визначення dФПП лежить у ме-
жах ±15%.
У цих умовах динамічний діапазон ФПП складає
до 67 дБ, при вимкненому АРП — не більше 30 дБ.
Для порівняння у таблиці наведено характеристи-
ки ФПП попередньої конструкції та новоствореного.
Характеристика ФПП
УФУО4
Створений
ФПП
Динамічний діапазон, дБ 30 67
Компенсація струм-фоно во го
засвітлення, мА 0 15
Частотний діапазон відбору
корисного сигналу, кГц 3 — 45
Висновки
Таким чином, нова версія схеми АРП, розробле-
ної для збільшення динамічного діапазону дослід-
ного зразка ФПП та компенсації впливу на нього фо-
нового випромінення видимого діапазону спектру,
дозволила розширити його динамічний діапазон на
37 дБ відносно прототипу УФУО4. Конструкція но-
вого ФПП забезпечує вибір корисного сигналу пев-
ної частоти модуляції у частотному діапазоні від 3 до
45 кГц і придушує частоти, викликані фоновим ви-
проміненням у низькочастотному діапазоні від по-
стійної складової до 3 кГц включно. При цьому від-
бувається компенсація струму до 15 мА, що еквіва-
лентно потужності фонового випромінення близь-
ко 15 мВт.
Подальші дослідження мають відповісти на пи-
тання щодо надійності запропонованої конструкції
ФПП та оптимізації його оптичної системи.
ВИКОРИСТАНІ ДЖЕРЕЛА
1. Авиационные лазерные и оптико-электронные системы.
Под ред. В. М. Сидорина, Москва, ВВИА им. Н.Е. Жуковского,
2003, 321 с.
2. Рогальский А. Инфракрасные детекторы. Новосибирск,
Наука, 2003, 636 с. [. Rogalski A. Infrared and Terahertz Detectors,
Third Edition. CRC Press, 2018, 1066 p.
3. Бараночников М.Л. Приемники и детекторы излучений.
Справочник. Москва, 2017, 1041 с.
4. Тарасов В.В., Якушенков Ю. Г. Инфракрасные системы
«смотрящего» типа. Москва, Логос, 2004. -342 с.
5. Молдавская Л.Д., Востоков Н.В., Гапонова Д.М. и др.
Сэндвич-структура InGaAs/GaAs с квантовыми точками для
инфракрасных фотоприемников. Физика и техника полупровод-
ников, 2008, т. 42, вып. 1, c.101–105.
6. Колежук К.В., Комащенко В.Н., Шереметова Г.И. и др.
Новое поколение приемников ультрафиолетового излучения.
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2003,
№ 3, с. 51–51.
7. Chunxiong Bao, Zhaolai Chen, Yanjun Fang et al. Low-noise
and large-linear-dynamic-range photodetectors based on hybrid-
perovskite thin-single-crystals. Advanced Materials, 2017, vol. 29,
iss. 39. https://doi.org/10.1002/adma.201703209
8. Chenglong Li, Hailu Wang, Fang Wang et al. Ultrafast and
broadband photodetectors based on a perovskite/organic bulk
heterojunction for large-dynamic-range imaging. Light: Science
& Applications, 2020, vol. 9, art. no. 31. https://doi.org/10.1038/
s41377-020-0264-5
9. Fawen Guo, Zhengguo Xiao, Jinsong Huang . Fullerene
photodetectors with a linear dynamic range of 90 dB enabled by a
cross-linkable buffer layer. Advanced Optical Materials, 2013, vol. 1,
iss. 4, pp. 289–294. https://doi.org/10.1002/adom.201200071
10. De Sanctis A., Jones G. F., Wehenkel D. J. et al. Extraordinary
linear dynamic range in laser-defined functionalized graphene
photodetectors. Science Advances, 2017, vol. 3, no. 5, e1602617.
https://doi.org/10.1126/sciadv.1602617
11. Williams K.J., Nichols L.T., Esman R.D. Photodetector
nonlinearity limitations on a high-dynamic range 3 GHz fiber
optic link. Journal of Lightwave Technology, 1998, vol. 16, iss. 2,
pp. 192–199. https://doi.org/10.1109/50.661009
12. Xiaojun Bi, Jian Li, Zhen Gu et al. High sensitivity and
dynamic-range 25 Gbaud silicon receiver chipset with current-
controlled DC adjustment path and cube-shape Ge-on-Si PD. IEEE
Transactions on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2020, vol. 67,
iss. 11, pp. 3991–4001. https://doi.org/10.1109/TCSI.2020.3011292
13. Raynor J.M. , Seitz P. A linear array of photodetectors with
wide dynamic range and near photon quantum-noise limit. Sensors and
Actuators A: Physical, 1997, vol 61, iss. 1–3, pp. 327–330. https://
doi.org/10.1016/S0924-4247(97)01481-7
14. Alegre Pérez, Juan Pablo, Celma Santiago López, Belén
Calvo. Automatic Gain Control. Techniques and Architectures for
RF Receivers. Springer-Verlag New York, 2011, 134 p. https://www.
springer.com/gp/book/9781461401667
15. Thomas F. A., Dietz V., Schrafl-Altermatt M. Automatic
gain control of neural coupling during cooperative hand movements.
Scientific Reports, 2018, vol. 8, art. no. 5959. https://doi.org/10.1038/
s41598-018-24498-6
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–4 7ISSN 2309-9992 (Online)
5
ЕЛЕКТРОННІ ЗАСОБИ: ДОСЛІДЖЕННЯ, РОЗРОБКИ
16. Veugen L. C. E., Chalupper J., Snik Ad. F.M. et al. Matching
automatic gain control across devices in bimodal cochlear implant
users. Ear and Hear. 2016, vol. 37, iss. 3, pp. 260–70. https://doi.
org/10.1097/AUD.0000000000000260
17. Borowski H., Isoz O., Marsten Eklöf F. et al. Detecting
false signals with automatic gain control. GPS World Staff, 2012.
https://www.gpsworld.com/detecting-false-signals-automatic-gain-
control-12804/
18. Jun Hee Jang, Hyung Jin Choi. A fast automatic gain control
scheme for 3GPP LTE TDD system. 2010 IEEE 72nd Vehicular
Technology Conference - Fall, 2010, pp. 1–10. https://doi.org/10.1109/
VETECF.2010.5594461
19. Hodovaniouk V.M., Doktorovych I.V., Butenko V.K. et al.
Silicon photodiode & preamplifier operation characteristic properties
under background radiation conditions. Semiconductor Physics
Quantum Electronics & Optoelectronics, 2005, vol. 1, iss. 1, pp. 83–86.
20. Колесник Ю.И., Кипенский А.В. Квантовая электроника.
Применение лазеров : Уч. пособие. Харьков, 2005, 156 с.
21. ГОСТ17772-88. Приемники излучения. Полупроводниковые
фотоэлектрические и фотоприемные устройства. Методы измере-
ния фотоэлектрических параметров и определение характеристик.
Дата надходження рукопису
до редакції 31.03 2021 р.
V. M. LIPKA1, V. V. RYUKHTIN1, Yu. G. DOBROVOLSKY2
Ukraine, Chernivtsi, 1Ritm Central Design Bureau Joint-Stock Company,
2Yuriy Fedkovych Chernivtsi National University
E-mail: volodymyrlipka9@gmail.com
PHOTODETECTOR RESISTANT TO BACKGROUND LIGHT NOISE WITH EXTENDED
DYNAMIC RANGE OF INPUT SIGNALS
Measurement of periodic optical information signals in the background light noise with a photodetector with extended dynamic
range is an urgent task of modern electronics and thus has become the aim of this study.
To increase the dynamic range of the photodetector, a new version of the automatic gain control (AGC) circuit has been
developed, which consists of an AGC controller, an output photodetector amplifier and an AGC detector.
The authors measured the dynamic range of the photodetector when receiving optical radiation with a wavelength of 1064 nm
in the power range from 2.10–8 to 2.10–5 W at a modulation frequency of 20 kHz with the AGC on. Under these conditions, the
dynamic range of the photodetector was found to be up to 67 dB. If the AGC was off, the dynamic range did not exceed 30 dB.
Thus, the study made it possible to create a photodetector with an extended dynamic range up to 67 dB based on a new version
of the AGC circuit. The design of the photodetector allowed choosing a useful signal of a particular modulation frequency
in the frequency range from 3 to 45 kHz and effectively suppresses the frequencies caused by optical interference in the low
frequency range from the frequency of the input signal of constant amplitude up to 3 kHz inclusive. This compensates the
current up to 15 mA, which is equivalent to the power of light interference of about 15 mW.
Further research should address the issues of reliability of the proposed photodetector design and optimization of its optical
system.
The photodetector can be used in geodesy and ambient air quality monitoring.
Keywords: photodetector, background light noise, dynamic range.
DOI: 10.15222/TKEA2021.3-4.03
UDC 535.23:628.98:004.9:535-31:535.247
REFERENCES
1. Aviatsionnyye lazernyye i optiko-elektronnyye sistemy [Aviation
Laser and Optoelectronic Systems] Ed. by V.M. Sidorin. Moskow,
VVIA named after N.E. Zhukovsky, 2003, 321 p. (Rus)
2. Rogalski A. Infrared and Terahertz Detectors, Third Edition.
CRC Press, 2018, 1066 p.
3. Baranochnikov M.L. Priyemniki i detektory izlucheniy.
Spravochnik [Radiation Receivers and Detectors. Handbook].
Moskow, 2017, 1041 p. (Rus)
4. Tarasov V.V., Yakushenkov Yu.G. Infrakrasnyye sistemy
«smotryashchego» tipa [Infrared Systems of the “Looking” Type].
Moskow, Logos, 2004, 342 p. (Rus)
5. Moldavskaya L.D., Vostokov N.V., Gaponova D.M. et al.
[InGaAs/GaAs Sandwich Structure with Quantum Dots for Infrared
Photodetectors]. Physics and Technology of Semiconductors, 2008,
vol. 42, iss. 1, pp. 101–105. (Rus)
6. Kolezhuk K.V., Komashchenko V.N., Sheremetova G.I. et
al. New generation of ultraviolet radiation receivers. Tekhnologiya i
Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2003, no. 3, pp. 51–51. (Ukr)
7. Chunxiong Bao, Zhaolai Chen, Yanjun Fang et al. Low-noise
and large-linear-dynamic-range photodetectors based on hybrid-
perovskite thin-single-crystals. Advanced Materials, 2017, vol. 29,
iss. 39. https://doi.org/10.1002/adma.201703209
8. Chenglong Li, Hailu Wang, Fang Wang et al. Ultrafast and
broadband photodetectors based on a perovskite/organic bulk
heterojunction for large-dynamic-range imaging. Light: Science
& Applications, 2020, vol. 9, art. no. 31. https://doi.org/10.1038/
s41377-020-0264-5
9. Fawen Guo, Zhengguo Xiao, Jinsong Huang . Fullerene pho-
todetectors with a linear dynamic range of 90 dB enabled by a cross-
linkable buffer layer. Advanced Optical Materials, 2013, vol. 1, iss. 4,
pp. 289–294. https://doi.org/10.1002/adom.201200071
10. De Sanctis A., Jones G. F., Wehenkel D. J. et al. Extraordinary
linear dynamic range in laser-defined functionalized graphene pho-
todetectors. Science Advances, 2017, vol. 3, no. 5, e1602617. https://
doi.org/10.1126/sciadv.1602617
11. Williams K.J., Nichols L.T., Esman R.D. Photodetector non-
linearity limitations on a high-dynamic range 3 GHz fiber optic link.
Технологія та конструювання в електронній апаратурі, 2021, № 3–48 ISSN 2309-9992 (Online)
6
ЕЛЕКТРОННІ ЗАСОБИ: ДОСЛІДЖЕННЯ, РОЗРОБКИ
Опис статті для цитування:
Ліпка В. М., Рюхтін В. В., Добровольський Ю. Г. Фото-
приймальний пристрій, стійкий до фонової засвітки, з розши-
реним динамічним діапазоном вхідних сигналів. Техно логия
и конструи рование в электронной аппаратуре, 2021, № 3–4,
с. 3–8. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2021.3-4.03
Cite the article as:
Lipka V. M., Ryukhtin V. V., Dobrovolsky Yu. G. Photodetector
resistant to background light noise with extended dynamic range
of input signals. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi
Apparature, 2021, no. 3–4, pp. 3–8. http://dx.doi.org/10.15222/
TKEA2021.3-4.03
Journal of Lightwave Technology, 1998, vol. 16, iss. 2, pp. 192–199.
https://doi.org/10.1109/50.661009
12. Xiaojun Bi, Jian Li, Zhen Gu et al. High sensitivity and dy-
namic-range 25 Gbaud silicon receiver chipset with current-controlled
DC adjustment path and cube-shape Ge-on-Si PD. IEEE Transactions
on Circuits and Systems I: Regular Papers, 2020, vol. 67, iss. 11,
pp. 3991–4001. https://doi.org/10.1109/TCSI.2020.3011292
13. Raynor J.M. , Seitz P. A linear array of photodetectors with
wide dynamic range and near photon quantum-noise limit. Sensors and
Actuators A: Physical, 1997, vol 61, iss. 1–3, pp. 327–330. https://
doi.org/10.1016/S0924-4247(97)01481-7
14. Alegre Pérez, Juan Pablo, Celma Santiago López, Belén
Calvo. Automatic Gain Control. Techniques and Architectures for
RF Receivers. Springer-Verlag New York, 2011, 134 p. https://www.
springer.com/gp/book/9781461401667
15. Thomas F. A., Dietz V., Schrafl-Altermatt M. Automatic
gain control of neural coupling during cooperative hand movements.
Scientific Reports, 2018, vol. 8, art. no. 5959. https://doi.org/10.1038/
s41598-018-24498-6
16. Veugen L. C. E., Chalupper J., Snik Ad. F.M. et al. Matching
automatic gain control across devices in bimodal cochlear implant
users. Ear and Hear. 2016, vol. 37, iss. 3, pp. 260–70. https://doi.
org/10.1097/AUD.0000000000000260
17. Borowski H., Isoz O., Marsten Eklöf F. et al. Detecting
false signals with automatic gain control. GPS World Staff, 2012.
https://www.gpsworld.com/detecting-false-signals-automatic-gain-
control-12804/
18. Jun Hee Jang, Hyung Jin Choi. A fast automatic gain con-
trol scheme for 3GPP LTE TDD system. 2010 IEEE 72nd Vehicular
Technology Conference - Fall, 2010, pp. 1–10. https://doi.org/10.1109/
VETECF.2010.5594461
19. Hodovaniouk V.M., Doktorovych I.V., Butenko V.K. et al.
Silicon photodiode & preamplifier operation characteristic proper-
ties under background radiation conditions. Semiconductor Physics
Quantum Electronics & Optoelectronics, 2005, vol. 1, iss. 1, pp. 83–86.
20. Kolesnik Yu. I., Kipensky A. V. Kvantovaya elektronika.
Primeneniye lazerov [Quantum Еlectronics. Application of Lasers].
Kharkov, 2005, 156 p. (Ukr)
21. State Standart 17772-88. [Radiation Receivers. Semiconductor
Photovoltaic and Photodetectors. Methods for Measuring Photovoltaic
Parameters and Characterization]. (Rus)
Баришніков Г. В., Гельжинський І. І., Готра З. Ю., Іванюк Х. Б.,
Мінаєв Б. П., Стахіра П. Й. Органічні світловипромінювальні
структури. — Львів : Видавництво Львівської політехніки, 2020.
Розглянуто теорію та принципи молекулярної люмінесценції
та її застосування в органічних світловипромінювальних
структурах, базові структури та принцип роботи, описано
електрофлуоресцентні органічні світловипромінювальні
структури синього та зеленого кольорів свічення,
електрофосфоресцентні органічні світловипромінювальні
структури із випромінюванням у високоенергетичній
ділянці оптичного випромінювання, синього, оранжево-
го та червоного кольорів свічення із випромінюванням
у синьо-зеленій області видимого спектра, органічні
світловипромінювальні структури жовтого, оранжевого
та теплого білого кольорів свічення. Наведено схематичні
рішення мікроелектронного керування органічними
світловипромінювальними структурами.
Монографія розрахована на фахівців, які працюють у галузі електроніки, а також може
бути корисною студентам і аспірантам відповідного спрямування.
Н
О
В
І
К
Н
И
Г
И
НОВІ КНИГИ
|
| id | oai:tkea.com.ua:article-72 |
| institution | Technology and design in electronic equipment |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-10T01:00:23Z |
| publishDate | 2021 |
| publisher | PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | wwwtkeacomua/cd/c97445828e653e9809af1710ae5c2ecd.pdf |
| spelling | oai:tkea.com.ua:article-722026-06-09T12:18:48Z Photodetector resistant to background light noise with extended dynamic range of input signals Фотоприймальний пристрій, стійкий до фонової засвітки, з розширеним динамічним діапазоном вхідних сигналів Lipka, Volodymyr Ryukhtin, Vyacheslav Dobrovolsky, Yuriy photodetector background light noise dynamic range фотоприймальний пристрій фонове випромінення динамічний діапазон Measurement of periodic optical information signals in the background light noise with a photodetector with extended dynamic range is an urgent task of modern electronics and thus has become the aim of this study.To increase the dynamic range of the photodetector, a new version of the automatic gain control (AGC) circuit has been developed, which consists of an AGC controller, an output photodetector amplifier and an AGC detector.The authors measured the dynamic range of the photodetector when receiving optical radiation with a wavelength of 1064 nm in the power range from 2.10–8 to 2.10–5 W at a modulation frequency of 20 kHz with the AGC on. Under these conditions, the dynamic range of the photodetector was found to be up to 67 dB. If the AGC was off, the dynamic range did not exceed 30 dB.Thus, the study made it possible to create a photodetector with an extended dynamic range up to 67 dB based on a new version of the AGC circuit. The design of the photodetector allowed choosing a useful signal of a particular modulation frequency in the frequency range from 3 to 45 kHz and effectively suppresses the frequencies caused by optical interference in the low frequency range from the frequency of the input signal of constant amplitude up to 3 kHz inclusive. This compensates the current up to 15 mA, which is equivalent to the power of light interference of about 15 mW.Further research should address the issues of reliability of the proposed photodetector design and optimization of its optical system.The photodetector can be used in geodesy and ambient air quality monitoring. Створено дослідний зразок фотоприймального пристрою для приймання періодичних оптичних інформаційних сигналів у відкритому оптичному каналі в умовах дії фонового випромінювання видимого світла потужністю до 15 мВт. Пристрій працює у низькочастотному діапазоні від 3 до 45 кГц включно з динамічним діапазоном, розширеним до 67 дБ при застосуванні автоматичного регулювання підсилення. PE "Politekhperiodika", Book and Journal Publishers 2021-09-07 Article Article Peer-reviewed Article application/pdf https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.3-4.03 10.15222/TKEA2021.3-4.03 Technology and design in electronic equipment; No. 3–4 (2021): Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi apparature; 3-8 Технологія та конструювання в електронній апаратурі; № 3–4 (2021): Технология и конструирование в электронной аппаратуре; 3-8 3083-6549 3083-6530 10.15222/TKEA2021.3-4 uk https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.3-4.03/65 Copyright (c) 2021 Lipka V. M., Ryukhtin V. V., Dobrovolsky Yu. G. http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ |
| spellingShingle | фотоприймальний пристрій фонове випромінення динамічний діапазон Lipka, Volodymyr Ryukhtin, Vyacheslav Dobrovolsky, Yuriy Фотоприймальний пристрій, стійкий до фонової засвітки, з розширеним динамічним діапазоном вхідних сигналів |
| title | Фотоприймальний пристрій, стійкий до фонової засвітки, з розширеним динамічним діапазоном вхідних сигналів |
| title_alt | Photodetector resistant to background light noise with extended dynamic range of input signals |
| title_full | Фотоприймальний пристрій, стійкий до фонової засвітки, з розширеним динамічним діапазоном вхідних сигналів |
| title_fullStr | Фотоприймальний пристрій, стійкий до фонової засвітки, з розширеним динамічним діапазоном вхідних сигналів |
| title_full_unstemmed | Фотоприймальний пристрій, стійкий до фонової засвітки, з розширеним динамічним діапазоном вхідних сигналів |
| title_short | Фотоприймальний пристрій, стійкий до фонової засвітки, з розширеним динамічним діапазоном вхідних сигналів |
| title_sort | фотоприймальний пристрій, стійкий до фонової засвітки, з розширеним динамічним діапазоном вхідних сигналів |
| topic | фотоприймальний пристрій фонове випромінення динамічний діапазон |
| topic_facet | photodetector background light noise dynamic range фотоприймальний пристрій фонове випромінення динамічний діапазон |
| url | https://www.tkea.com.ua/index.php/journal/article/view/TKEA2021.3-4.03 |
| work_keys_str_mv | AT lipkavolodymyr photodetectorresistanttobackgroundlightnoisewithextendeddynamicrangeofinputsignals AT ryukhtinvyacheslav photodetectorresistanttobackgroundlightnoisewithextendeddynamicrangeofinputsignals AT dobrovolskyyuriy photodetectorresistanttobackgroundlightnoisewithextendeddynamicrangeofinputsignals AT lipkavolodymyr fotoprijmalʹnijpristríjstíjkijdofonovoízasvítkizrozširenimdinamíčnimdíapazonomvhídnihsignalív AT ryukhtinvyacheslav fotoprijmalʹnijpristríjstíjkijdofonovoízasvítkizrozširenimdinamíčnimdíapazonomvhídnihsignalív AT dobrovolskyyuriy fotoprijmalʹnijpristríjstíjkijdofonovoízasvítkizrozširenimdinamíčnimdíapazonomvhídnihsignalív |