7.4. Оптрони та оптоелектронні імс
Оптрон – це оптоелектронний прилад, який складається з одного або декількох випромінювачів та приймачів випромінювання, між якими є оптичний зв’язок і забезпечена електрична ізоляція. Найпоширенішими оптронами є оптопари, що складаються з одного випромінювача й одного приймача (однієї пари). Конструктивно оптопари містяться у спільному корпусі і являють собою одне ціле (рис. 7.11).
Як випромінювачі в оптопарах використовують інфрачервоні випромінювальні діоди, світлодіоди, електролюмінесцентні порошкові або плівкові випромінювачі, а також напівпровідникові лазери. Найпоширенішими є інфрачервоні випромінювальні діоди, які відрізняються від світлодіодів та електролюмінесцентних випромінювачів більшим ККД (понад 10 %), а також простотою структури та керування.
Другим елементом оптопари – фотоприймачем – можуть бути фоторезистори, ФД, фототранзистори (біполярні та польові), фототиристори. Залежно від типу фотоприймача розрізняють резистивні, діодні, транзисторні і тиристорні оптопари. Приклади схемного позначення різних оптопар показано на рис. 7.12.
Рис. 7.11. Приклади конструктивного оформлення та цоколівки оптронів: а – у дискретному виконанні; б – у складі оптоелектронної ІМС
Рис. 7.12. Оптопари:
а – тиристорна; б – діодна з фотоварікапом; в – транзисторна з біполярним фототранзистором; г – транзисторна з польовим фототранзистором
Оптичне середовище розповсюдження сигналу від випромінювача до приймача являє собою оптично прозорий компаунд (клей) на основі полімерів або халькогенідного скла . Для одержання надійної електричної ізоляції виходу від входу (приймача від випромінювача) використовують волоконно-оптичні лінії зв’язку. Такий оптоелектронний напівпровідниковий прилад називають волзтроном.
Підсилюють і перетворюють вхідний електричний сигнал в оптопарах таким чином. Вхідний електричний інформаційний сигнал модулює потужність світлового потоку, який генерується випромінювачем оптопари. Через прозорий компаунд випромінювання попадає на світлочутливий елемент фотоприймача і керує його провідністю, яка вмикається в коло зовнішнього джерела живлення послідовно з навантаженням (рис. 7.13). Формування вихідного сигналу та реалізацію принципу реле розглянуто в розд. 4 (див. рис. 4.13, 4.14).
Рис. 7.13. Резисторна оптопара
У діодних оптопарах, якщо немає джерела напруги в зовнішньому колі, ФД працює в режимі фотоелемента. Це означає, що з надходженням на вхід оптопари електричного сигналу на виході формується фото-ЕРС. Перетворення «сигнал – сигнал» за допомогою оптопар дозволяє в широких межах зміщувати рівень постійної напруги між входом і виходом оптопари. Необхідно лише враховувати рівень ізоляції між випромінювачем і приймачем та допустиму різницю напруг між ними. Ці параметри наводяться в довідниках для конкретних типів оптопар.
Для створення надійного оптичного зв’язку між елементами оптопари, крім їх відповідного розташування, необхідно забезпечити найближчий збіг спектральних характеристик цих елементів. Так, світлодіоди на основі арсеніду галію AsGa та арсеніду фосфіду галію GaAsP спектрально узгоджені з кремнієвими фотоприймачами.
Система параметрів оптронів ґрунтується на системі параметрів оптопар, використовуваних в оптроні, і складається із чотирьох груп: вхідних, вихідних, передавальних параметрів та параметрів гальванічної розв’язки.
Вхідні параметри – це параметри випромінювача (вхідна напруга, максимально допустима зворотна вхідна напруга, номінальний струм та максимально допустимий вхідний струм).
Вихідні параметри – це параметри фотоприймача (максимально допустимі зворотна напруга та вхідний струм, світловий і темновий опори, залишкова напруга та вихідна ємність).
До передавальних параметрів належать статичний коефіцієнт передачі струму (Iвих/Iвх), тривалість умикання, ємність зв’язку (між входом та виходом оптрона).
Параметри гальванічної розв’язки є найважливішими параметрами оптронів. Саме вони визначають доцільність використання таких приладів. До них належать максимально допустимі пікова та постійна напруги між виводами входу і виходу та опір гальванічної розв’язки (опір між виводами входу і виходу оптрона).
Найважливіші позитивні якості оптронів:
немає електричного зв’язку між входом і виходом та зворотного зв’язку між фотоприймачем і випромінювачем; опір ізоляції між входом і виходом може досягати 1014 Ом; прохідна ємність не перевищує 2 пФ, а в деяких приладах знижується до малих часток пікофаради;
широка смуга частот: можливість передачі сигналів із частотою від нуля до 1014 Гц;
можливість керування вихідними сигналами дією на оптичну частину;
високий завадозахист оптичного каналу, тобто він не піддається впливу зовнішніх електричних полів;
можливість суміщення в РЕА з іншими напівпровідниковими, електровакуумними та мікроелектронними приладами.
Оптронам властиві такі недоліки:
відносно велика потужність, що споживається приладами за рахунок дворазового перетворення енергії, причому ККД таких перетворень невисокий;
невисока температурна стабільність та радіаційна стійкість;
помітне «старіння», тобто погіршення параметрів з плином часу;
порівняно високий рівень власних шумів;
потреба у використанні гібридної технології замість більш зручної і досконалої планарної (в одному приладі об’єднані джерело і приймач випромінювання, що виготовляються з різних напівпровідників).
Усі ці недоліки усуваються в процесі розвитку оптоелектронної техніки. Промисловість випускає широку номенклатуру оптронів різного типу.
Особливу конструкцію мають оптопари з відкритим оптичним каналом. У них між випромінювачем та фотоприймачем є повітряний проміжок (рис. 7.14, б), в якому може рухатися перфострічка або інший носій інформації з отворами. Це дозволяє керувати світловим потоком, що широко використовується в системах автоматики.
В іншому варіанті оптопар з відкритим каналом світловий потік випромінювача попадає у фотоприймач, відбиваючись від досліджуваного об’єкта (рис. 7.14, в). Такий прилад називають відбивним оптроном
Рис. 7.14. Конструкції оптопар: а – з оптично прозорим клеєм; б – з повітряним проміжком; в – з відбиттям світлового потоку; 1 – випромінювач; 2 – фотоприймач; 3 – об’єкт
Висока електрична ізоляція входу і виходу в оптронах дозволяє за допомогою низьких напруг керувати високими (сотні кіловольтів) напругами; при цьому різко підвищуються комутаційні можливості складних інформаційних систем, просто узгоджуються електричні кола, які працюють на різних частотах, підвищується їх завадостійкість і т. ін.
Оптоелектронні інтегральні мікросхеми. Обов’язковою частиною таких мікросхем є та чи інша оптопара. Залежно від потрібної швидкодії обробки аналогових або цифрових сигналів від потужності на виході та від інших вимог як фотоприймальний елемент оптопари використовують один з перерахованих вище елементів. Кожний з них має свої переваги та недоліки, які визначають можливості й обмеження оптоелектронної ІМС. Зазвичай між виходом оптопари та виконавчим пристроєм вмикається узгоджувальна електронна схема. Під час використання інтегральної технології додаткове ввімкнення такої узгоджувальної схеми, об’єднаної з оптопарою у спільному корпусі, не створює принципової складності. Але завдяки наявності оптичного зв’язку оптоелектронні ІМС, як і дискретні оптопари, мають ряд суттєвих переваг.
Для передачі інформації по оптичному каналу зв’язку можуть бути використані зміни напряму, інтенсивності, спектрального складу, поляризації або фази коливань. Це відкриває можливості для паралельної обробки інформації.