8.5 Устройство и принцип действия оптоэлектронных усилителей

Характерным примером оптоэлектронной линейной схемы может служить линейный дифференциальный усилитель (в соответствии с рис. 8.9, а). Оптический канал передачи сигналов, построенный на транзисторных оптопарах, должен быть тщательно симметрирован.

Оптопары подобраны с идентичны­ми характеристиками и параметрами. В режиме покоя через СИД оптопар протекают одинаковые токи (I_сд1=I_сд2). Фототоки оптопар I_сд1 и I_сд2 при этом направлены встречно и не оказывают влияния на выходной усилитель У_з. Возможные временные и температурные изменения электрического статического режима и параметров взаим­но компенсируются. С другой стороны, входной сигнал U_вх, воздействующий на каскад У_з передается через оптопару и усиливается усилителем Уз. Нелинейность пере­даточных характеристик оптопары в таком устройстве не компенсируется.

а) параметрический дифференциальный усилитель

б) усилитель с дифференциальным оптроном

Рис. 8.9. Аналоговые (линейные) оптоэлектронные микросхемы:

В результате, при большом U_вх коэффи­циент передачи k_i1 оптопары O₁ изменяется, a k_i2 опто­пары О₂ постоянен, так как ток I_сд2 фиксирован. Нелиней­ность усиления такого усилителя составляет (1÷5) %, ста­бильность k_i в течение 100000 ч при 25° С примерно (5 ÷20) %.

Значительно повышается качество передачи аналогового сигнала при использовании дифференциальных оптронов. Рассмотрим принцип улучшения линейности переда­точной характеристики с помощью дифференциального оптрона на примере схемы рис. 8.9, б. СИД оптрона освещает два однотипных, имеющих идентичные парамет­ры фотодиода ФД₁ и ФД₂. Ток СИД_сд в такой схеме определяется не только входным током I_вх, но и током обратной связи I_ф1

I_сд=k₁(I_вх+I_ф1)=k₁(I_вх+k_i1I_сд), (8.8)

где k_i – коэффициент усиления каскада, У₁,

k_i1 – коэффи­циент передачи по току пары СД – ФД₁ дифференциаль­ного оптрона.

Из первого равенства имеем

I_сд=(k₁I_вх)/l + k₁ k_i1. (8.9)

При глубокой обратной связи k₁ k_i11 ток СИД I_сд=I_вх/k_i1 и фототок пары СД – ФД₂ оптрона I_ф2=k_i2 I_вх/ k_i1. Для однотипных пар в дифференциальном оптроне коэффициенты k_i1 и k_i2 одинаковы и изменяются в равной степени. В результате i_ф2(t) = i_вх(t) и не зависит от нелинейности и нестабильности характеристик оптрона. Усиление полезного сигнала обеспечивается каскадом У₂. Нелинейность усиления такого усилителя с дифференциальным оптроном составляет (0,01÷0,2) %, стабильность k₁ в течении 100 000 ч составляет 0,075 %.

8.6 Устройство и принцип действия оптоэлектронных цифровых ключей

Сравнение динамических параметров различных типов оптронов с аналогичными параметрами дискретных диодов, транзисторов и микросхем показывает, что быстродействие оптронов в настоящее время несколько хуже. Поэтому оптронные схемы, вообще говоря, уступают по быстродействию однотипным устройствам без оптических связей. Снижение быстродействия, связанное с введением оптронов, оказывается сравнительно небольшим лишь при согласовании режима эксплуатации элементов оптрона. Использование в оптронах излучателей (СИД) и диодных или транзисторных фотоприемников приводит к тому, что быстродействие таких оптронов определяется в основном барьерными емкостями излучателя и приемника оптрона. Например, типичные значения емкостей излучателей быстродействующих оптронов составляют (20÷300) пФ, а емкостей фотодиодов и фототранзисторов – (5÷15) пФ. Поэтому для уменьшения длительности переключения оптрона необходимо: 1) форсировать перезаряд входной емкости излучателя; 2) уменьшать длительность перезаряда выходной емкости фотоприемника, изолируя или компенсируя емкостную нагрузку и уменьшая амплитуду выходного напряжения.

Быстрое переключение излучателя с одновременным обеспечением мощного и стабильного потока излучения достигается при управлении оптронами током значительной амплитуды. При этом необходимо, во-первых, фиксировать уровень прямого тока СИД, чем удается обеспечить стабильность светового потока; во-вторых, не превышать предельно допустимого тока СИД. Важно также обеспечить универсальность схем питания излучателя, чтобы режим работы СИД не менялся при замене одного из компонентов схемы.

Рассмотрим, например, переключение излучения от интегральной микросхемы. В схеме ИС (в соответствии с рис. 9.10, а) используется принцип переключения тока I, заданного в цепи высокоомным резистором R (режим источника тока). Если выходной потенциал ИС U_вых превышает напряжение (U₀ – U_сд), то диод Д заперт, а ток I – протекает через светоизлучающий диод, обеспечивая генерацию стабильного светового потока. При переключении ИС ее выходной потенциал снижается, диод Д отпирается и практически весь ток I переключается на вход ИС: Светоизлучающий диод быстро запирается. В качестве входной ИС можно успешно использовать ИС типа ТТЛ, а также ИС с эмиттерными связями.

а) задание входного тока с помощью резистора	б) с помощью транзисторного усилителя
Рис. 8.10. Согласование входа оптрона с выходом ИС

В качестве согласующего элемента используется также эмиттерный повторитель (в соответствии с рис. 8.10, б). Очевидно, что при этом выходной ток ИС составляет (0,01÷0,03)*I в зависимости от коэффициента передачи по току транзистора. Следует иметь в виду, что эмиттерный повторитель управляется выходным напряжением ИС и поэтому ток светодиода I может меняться при смене ИС.

Рассмотрим условия эффективной работы цифровых оптронов на нагрузку. Выходной ток современных диодных фотоприемников относительно невелик, быстродействие фотоприемников ниже уровня современных микросхем. Поэтому для оптимального согласования выхода диодного фотоприемника с нагрузкой необходимо введение промежуточных усилителей тока, а также форсирование перезаряда выходной емкости фотоприемника и емкости нагрузки.

При работе на значительную емкостную нагрузку эффективна схема рис. 8.11, а с последовательным соединением транзисторов в паре с диодным оптроном. При пода­че логической 1 (высокий уровень напряжения) на Вх₁ и логического 0 (низкий уровень напряжения) на Вх₂ отпираются оптрон O₁ и транзистор VT₁, а конденсатор С_н быстро заряжается значительным эмиттерным током I_э1. Транзистор VT₂ и оптрон О₂ при этом заперты. При изменении сигналов (0 на Вх₁ и 1 на Вх₂) конденсатор С_н быстро заряжается через открытый транзистор VТ₂.

а	б
Рис. 8.11. Согласование выхода оптрона с нагрузкой: а-схема с последовательным соединением транзисторов, б-схема с быстродействующим фототранзистором.

Улучшаются выходные динамические характеристики оптронов в схеме рис. 8.11, б, что связано, главным образом, с уменьшением сопротивления нагрузки фотоприемника.

В цепь связи транзисторного фотоприемника и нагрузочного резистора R_н введен быстродействующий транзистор по схеме с общей базой. Выход фототранзистора оказывается нагруженным на низкоомное входное сопротивление транзистора, что ускоряет перезаряд барьерной емкости. Формирование сигнала на R_н определяется быстродействующим транзистором.