1. Оптоэлектронные приборы их характеристики и параметры.

Оптоэлектроника – это раздел электроники, связанный главным образом с изучением эффектов взаимодействия между электромагнитными волнами оптического диапазона и электро­нами вещества (преимущественно твердых тел) и охватываю­щий проблемы создания оптоэлектронных приборов (в основ­ном методами микроэлектронной технологии), в которых эти эффекты используются для генерации, передачи, обработки, хранения и отображения информации.

Согласно этому определению оптоэлектронику как научно-техническое направление характеризуют три отличительные черты.

1. Физическую основу оптоэлектроники составляют явления, методы, средства, для которых принципиальны сочетание и неразрывность оптических и электронных процессов.

2. Техническую основу оптоэлектроники определяют конст­руктивно-технологические концепции современной микроэлек­троники: миниатюризация элементов; предпочтительное разви­тие твердотельных плоскостных конструкций; интеграция эле­ментов и функций; ориентация на специальные сверхчистые материалы; применение методов групповой обработки изделий.

3. Функциональное назначение оптоэлектроники состоит в решении следующих задач: генерации, переносе, преобразо­вании, хранении и отображении информации.

Для решения перечисленных задач в оптоэлектронных при­борах используются информацион­ные сигналы в оптической и электрической формах, но определяющими являются оптиче­ские сигналы – именно этим достигается то качественно новое, что отличает оптоэлектронику.

Оптоэлектронными называют приборы, чув­ствительные к электромагнитному излучению в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях, а также при­боры, производящие или использующие такое излучение.

В конкретном оптоэлектронном приборе наличие всех трех составляющих данного выше определения является обяза­тельным, но перечисленные отличительные признаки могут быть воплощены в большей или меньшей степени. Это по­зволяет разделить опто- и фотоэлектронные приборы (фото­электронные умножители, электроннолучевые приборы).

На рис. 2.1 представлена классификация оптоэлектронных при­боров и указаны физические эффекты, лежащие в основе их работы.

Рис. 2.1

Излучатель – источник, световой поток или яркость которого является функцией электрического сигнала, поступающего на его вход.

Из источников излучения нашли широкое применение светодиоды и лазеры, а из приемников – фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Широко используются оптроны, в которых применя­ются пары светодиод–фотодиод, светодиод–фототранзистор, светодиод–фототиристор.

По виду используемого излучателя выделяют приборы ко­герентной (с лазерами) и некогерентной (со светоизлучающими диодами) оптоэлектроники.

Как отдельные приборы, так и сложные оптоэлектронные системы создаются из отдельных элементов. Основными оптоэлектронными элементами являются:

· источники когерентного оптического излучения (полупро­водниковый лазер);

· источники некогерентного оптического излучения (светоизлучающий диод);

· активные и пассивные оптические среды;

· приемники оптического излучения (фотодиод);

· оптические элементы (линза);

· волоконно-оптические элементы (волоконно-оптический жгут);

· интегрально-оптические элементы (интегрально-оптическое зеркало).

Как видно из обобщенной структурной схемы оптоэлектронного прибора (ОЭП), приведенной на рис. 2.2, наряду с фо­топриемниками и излучателями важным компонентом ОЭП яв­ляются входные и выходные согласующие электрические схемы, предназначенные для формирования и обработки оптического сигнала. Особенностью этих достаточно сложных, в основном интегральных, схем является компенсация потерь энергии при преобразованиях «электричество – свет» и «свет – электри­чество», а также обеспечение высокой стабильности и устой­чивости работы ОЭП при воздействии внешних факторов.

Рис. 2.2

По функциональному назначению в классе оптоэлектронных приборов, кроме миниатюрных источников излучения и одно- и многоэлементных приемников излучения, следует выделить следующие приборы.

Оптопарой называют оптоэлектронный прибор, в котором конструктивно объединены в общем корпусе излучатель на входе и фотоприемник на выходе, взаимодейст­вующие друг с другом оптически и электрически.

Оптопары широко используются в микроэлектронной и элек­тротехнической аппаратуре для обеспечения электрической развязки при передаче информационных сигналов, бесконтакт­ной коммутации сильноточных и высоковольтных цепей и соз­дания перестраиваемых фотоприемников в устройствах кон­троля и регулирования.

Оптоэлектронные датчики – приборы, преобразующие внешние физические воздействия: температуру, давление, влажность, ускорение, магнитное поле и другие, – в электри­ческие сигналы. Действие этих приборов основано на различных принципах. К датчикам относятся формирователи сигналов изо­бражения и оптопары с открытым оптическим каналом. Осо­бенно интенсивное развитие этого направления связано с по­явлением волоконно-оптических датчиков, в которых внешние воздействия изменяют характеристики оптического сигнала, распространяюще­гося по волокну.

2. . Аналого-цифровые преобразователи

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) _{Analog-to-Digital convertors (ADC)}

    АЦП служит для измерения напряжения, т.е. преобразования аналоговой информации в цифру. Амплитудам в диапазоне V_n +  V ставится в соответствие число n. Одной из характеристик АЦП является его разрядность, т.е. количество дискретных значений напряжения, на которые может делиться весь рабочий диапазон входных (анализируемых) напряжений. Когда АЦП используется для амплитудного анализа, число, получаемое на выходе АЦП используется для адресации памяти и называется номером канала, а  V - шириной канала. Номер канала несет информацию об амплитудном значении сигнала. Амплитуда в свою очередь связана с измеряемой физической величиной (энергией, временем и т.п.). Максимальное количество каналов связано с разрядностью АЦП. АЦП нередко служат интерфейсом между измерительной аппаратурой и компьютером. (Многоканальные анализаторы, в состав которых входят АЦП, по сути, специализированные ЭВМ.)  Современные АЦП обычно имеют до 14 двоичных разрядов (16384 каналов). В зависимости от требований эксперимента измерения могут производиться при разных диапазонах конверсии (512, 1024 и т.д.) вплоть до максимального, определяемого разрядностью АЦП     Важными характеристиками АЦП, используемых для спектроскопии, являются интегральная и дифференциальная нелинейности.

Рис. 1. Идеальная (сплошная зеленая линия) и реальная функция преобразования АЦП

     Интегральная нелинейность I_int характеризует отклонение реальной функции преобразования (штрихпунктир) от идеальной линейной (сплошная линия) (см. рис. 1). Интегральная нелинейность I_int определяется следующим образом

I_int% = 100(V_nom - V_act)/V_max,

где (V_nom - V_act) - максимальное отклонение от линейности.     Дифференциальная нелинейность I_dif характеризует неоднородность ширин каналов АЦП и определяется следующим образом.

I_dif% = 50(W_max - W_min)/W_avg,

где W_max, W_min и W_avg - максимальная, минимальная и средняя ширины каналов.     У качественных АЦП дифференциальная нелинейность ~1%, а интегральная <0.05% при 12-разрядном (4096 каналов) преобразовании.

    В промышленной электронике было разработано много методов преобразования аналоговых величин в цифровой код. Однако в ядерной электронике используются только некоторые из них. В основном используются АЦП вилкинсоновского типа и АЦП поразрядного взвешивания. В последнее время в ядерной электронике стали использоваться и параллельные АЦП, входящие в состав цифровых процессоров сигналов.

Рис. 2. Сигналы в АЦП во время измерения.

а )

б )

в ) Рис. 3. Циклы работы АЦП вилкинсоновского типа.

Аналого-цифровой преобразователь вилкинсоновского типа

    Принцип работы АЦП вилкинсоновского типа (D.H Wilkinson) основан на преобразовании амплитуда - время. Входной импульс поступает на дискриминатор нижнего уровня, уровень дискриминации которого обычно устанавливается выше уровня шумов (см. рис. 2). Когда уровень входного сигнала достигнет уровня дискриминации, линейные ворота открываются, и накопительная емкость C соединяется с входом (рис. 3а). Начинается заряд емкости до амплитудного значения  входного сигнала. Когда емкость зарядится, линейные ворота закрываются, накопительная емкость отсоединяется от входа и присоединяется к источнику постоянного тока (рис. 3б). Начинается линейный разряд емкости. В это же время таймирующий (времязадающий) генератор подключается к адресному счетчику, который начинает считать импульсы таймирующего генератора. Частота генератора обычно 100 - 200 МГц. Когда емкость полностью разрядится, накопительная емкость отсоединяется от источника постоянного тока, а таймирующий генератор отсоединяется от адресного счетчика (рис. 3в) и начинается цикл записи в память. Число сосчитанных во время разряда емкости импульсов определяет время разряда накопительной емкости, а время линейного разряда пропорционально амплитуде анализируемого импульса. Полученное в адресном счетчике число (код) используется для адресации соответствующей ячейки памяти, куда добавляется единица.     Мертвое время у этого АЦП  складывается из

  = T_r + T_c + T_mc,

где T_r  - время достижения максимума импульса, T_c - время конверсии, T_mc - время цикла записи. Времена T_r  и T_mc около 1 мкс. Основной вклад в мертвое время вносит время конверсии, которое зависит от амплитуды входного импульса или соответственно от номера канала n (T_c = nT_gen), где T_gen - период таймирующего генератора. Так T_c = 10 мкс при частоте генератора 100 МГц и n = 1000.     У АЦП вилкинсоновского типа малые интегральная и дифференциальная нелинейности, однако относительно большое мертвое время, которое к тому же зависит от амплитуды.

Аналого-цифровой преобразователь поразрядного взвешивания Successive approximation ADC (Fixed Dead Time ADC)

    Принцип работы АЦП поразрядного взвешивания заключается в последовательном сравнении амплитуды анализируемого сигнала (V_in) с напряжением цифро-аналогово преобразователя (V_DAC), уровень которого задается регистром.

Номер канала	Состояние регистра	Диапазон амплитуд
8	000	Vmax>V>7/8(Vmax)
7	111	7/8(Vmax)>V>6/8(Vmax)
6	110	6/8(Vmax)>V> 5/8(Vmax)
5	101	5/8(Vmax)>V> 4/8(Vmax)
4	100	4/8(Vmax)>V> 3/8(Vmax)
3	011	3/8(Vmax)>V> 2/8(Vmax)
2	010	2/8(Vmax)>V> 1/8(Vmax)
1	001	1/8(Vmax)>V

    Для простоты рассмотрим работу трехразрядного АЦП. В начальном состоянии в старшем бите регистра установлена единица (100). Согласно этой установке цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) устанавливает напряжение равное половине динамического диапазона (V_DAC = V_max/2). Это напряжение сравнивается с величиной измеряемой амплитуды V_in. Если V_in > V_max/2, то в регистре следующий бит (110), а в ЦАП соответственно устанавливается напряжение 6/8(V_max). Если V_in < V_max/2, то в регистре старший бит зануляется, а единица устанавливается в следующем бите (010), что соответствует напряжению ЦАП 2/8(V_max). После еще одного (третьего) сравнения преобразование заканчивается, при этом |V_in  - V_DAC| < V_max/8, а конечное состояние регистра определяет адрес ячейки памяти, куда добавляется единица. В 12-разрядном АЦП (4096 каналов) проводится соответственно 12 сравнений. Время преобразования и, соответственно, мертвое время АЦП поразрядного взвешивания не зависит от амплитуды как в АЦП вилкинсоновского типа, а определяется количеством сравнений, т.е. разрядностью. Мертвое время АЦП поразрядного взвешивания ~1 мкс. Дифференциальная нелинейность таких АЦП несколько хуже, чем у АЦП вилкинсоновского типа.     Улучшить дифференциальную нелинейность можно с помощью метода сдвигающейся шкалы(sliding scale linearization). Его также называют методом статистического разравнивания. Сущность этого метода заключается в следующем. К входному сигналу добавляется ступенька напряжения примерно равная ширине канала, к следующему входному сигналу -  удвоенная ступенька и т.д. m раз, после чего система возвращается в исходное состояние*. В адресном регистре каждый раз формируется число, которое на m больше, чем должно было бы быть без добавления "ступенек". Затем из адресного регистра это число m вычитается. Таким образом, происходит статистическое усреднение ширины каналов, и дифференциальная нелинейность уменьшается в (m+1) раз. __________________________________________________ * Это похоже на измерение расстояний при помощи линейки, нулевая отметка у которой от измерения к измерению сдвигается на одно деление.

Параллельное АЦП Flash ADC

    Успехи микроэлектроники позволили создать параллельные АЦП, с помощью которых можно снимать профили аналоговых сигналов, т.е. получать развертку сигнала во времени в цифрах. В параллельном АЦП содержится большое количество (2^k), где k - разрядность АЦП, параллельно включенных дискриминаторов  с последовательно увеличивающимися порогами дискриминации

V_n = V_n-1 +  V.

Количество сработавших дискриминаторов собственно и есть результат преобразования аналоговой информации (напряжения) в цифру. Неоспоримым преимуществом таких АЦП является то, что они очень быстрые.  Параллельные АЦП в частности нашли применение в цифровых процессорах спектрометрических сигналов. Для большинства применений такие АЦП должны иметь 12 разрядов и оцифровывать с частотой ~100 МГц. Для временных измерений с быстрыми сцинтилляторами требуются 8-разрядные АЦП с частотой ~1 ГГц.

3.Логические элементы ,классификация и основные параметры

Логическими элементами (ЛЭ) называются электронные схемы, выполняющие простейшие логические операции.

ЛЭ наряду с элементами памяти составляют основу цифровых ИС и отличаются большим разнообразием. Классификация логических элементов выполняется по следующим признакам.

1. По выполняемым логическим функциям:

Основа — алгебра логики (булева алгебра).

Каждая логическая переменная (А, В, С и т.п.) может принимать только одно значение из двух: 1 (“истинно”) или 0 (“ложно”).

  Все логические функции любого числа логических переменных можно образовать с помощью трех основных операций:

• логическое отрицание (инверсия, операция НЕ): ;

• логическое сложение (дизъюнкция, операция ИЛИ): С = А + В;

• логическое умножение (конъюнкция, операция И): С = АВ;

 

Возможны более сложные операции: И-НЕ ( ); ИЛИ-НЕ ( ).

В ИС могут входить несколько ЛЭ и реализовывать любую сложную функцию.

Каждый ЛЭ может иметь несколько входов и выходов.

Условное графическое обозначение ЛЭ и выполняемых ими функций:

Рис. 1. Условные обозначения логических элементов

1 и 0 представляются двумя уровнями напряжения (потенциала), U¹ и U⁰ (“высокий” и “низкий” уровни). Фактически U¹ определяется напряжением источника питания, а U⁰ — падение напряжения на открытом p-n переходе.

2. По режиму работы ИС:

• статические;

• динамические.

Статические могут работать как в статическом, так и в динамическом (импульсном) режиме. Динамические — только в импульсном.

3. По типу применяемых транзисторов:

• на биполярных и МДП-транзисторах;

• на арсенид-галлиевых МЕП и ГМЕП-транзисторах.

 

МЕП — с управляющим переходом металл-полупроводник. ГМЕП — с гетеропереходом (полупроводники одинаковой структуры, но с разной шириной запрещенной зоны).

У каждого вида ИС - множество схемотехнических и конструкторско-технологических разновидностей.

Например, к биполярным ЛЭ относятся элементы:

• ТТЛ — транзисторно-транзисторной логики;

• ЭСЛ — эмиттерно-связанной логики;

• И²Л — интегральной инжекционной логики и др.

Основные параметры логических элементов

— Коэффициент объединения по входу К_об — число входов, с помощью которых реализуется логическая функция.

— Коэффициент разветвления по выходу К_раз показывает, какое число логических входов устройств этой же серии может быть одновременно присоединено к выходу данного логического элемента.

— Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигналов через ЛЭ и определяется из графиков зависимости от времени входного и выходного сигналов (Рисунок 10). Различают время  задержки распространения сигнала при включенииЛЭ t^1,0_зд.р, время задержки сигнала при выключении t^0,1_зд.р и среднее время задержки распространения t^1,0_{зд.р ср}.

Рисунок 10 К определению времени задержки распространения сигнала ЛЭ

Средним временем задержки распространения сигнала называют интервал времени, равный полусумме времён задержки распространения сигнала при включении и выключении логического элемента:

t_{зд.р ср} = (t^1,0_зд.р + t^0,1_зд.р)/2

— Напряжение высокого U¹ и низкого U⁰ уровней (входные U¹_вх и выходные U⁰_вых) и их допустимая нестабильность. Под U¹ и U⁰ понимают номинальные значения напряжений «Лог.1» и «Лог.0»; нестабильность выражается в относительных единицах или в процентах.

— Пороговые напряжения высокого U¹_пор  и низкого U⁰_пор уровней. Под пороговым напряжением понимают наименьшее (U¹_пор) или наибольшее (U⁰_пор) значение соответствующих уровней, при котором начинается переход логического элемента в другое состояние. Эти параметры определяются с учётом разброса параметров соответствующей серии в рабочем диапазоне температур; в справочниках часто приводится одно усреднённое значение U_ПОР.

— Входные токи I⁰_вх, I¹_вх соответственно при входных напряжениях низкого и высокого уровней.

— Помехоустойчивость. Статическая помехоустойчивость оценивается по передаточным характеристикам логического элемента как минимальная разность между значениями выходного и входного сигналов относительно порогового значения с учётом разброса параметров в диапазоне рабочих температур:

U^-_ПОМ = U¹_вых.min – U_ПОР

U⁺_ПОМ = U_ПОР – U⁰_вых.min

В справочных данных обычно приводится одно допустимое значение помехи, которое не переключает ЛЭ при допустимых условиях эксплуатации.

— Потребляемая мощность P_пот или ток потребления I_пот.

— Энергия переключения — работа, затрачиваемая на выполнение единичного переключения. Это интегральный параметр, используемый для сравнения между собой микросхем различных серий и технологий. Он находится как произведение потребляемой мощности  и среднего времени задержки распространения сигнала.

Билет 21