Литература / Шишкин Г. Г. , Шишкин А. Г. Электроника 2009 (1)

взаимодействие реализуется посредством оптического канала. Оптический канал либо выполняется в виде световода, передаю­

щего энергию непосредственно от излучателя к приемнику, ли­

бо изготавливается из материала, оптические свойства которого могут изменяться при внешних воздействиях (управляемый оп­

тический канал). Иногда между приемником и излучателем от­

сутствует какой-либо материал и излучение распространяется через воздушный или вакуумный промежуток.

Прибор, в котором помимо излучателя, фотоприемника и оп­ тической среды в едином корпусе размещаются и дополнитель­

ные микроэлектронные или оптические элементы, в том числе

и другие оптопары, называется оптроном. Различают три основные

разновидности оптронов: оптопара с прямой оптической и разор­ ванной электрической связью (рис. 16.29, а), оптрон с прямой электрической и разорванной оптической связью (рис. 16.29, б), оптрон с электрической и оптической связями (рис. 16.29, в). На

рис. 16.29 обозначено: ФП - фот6приемник; И - излучатель; УС - устройство связи. Оптопары используются чаще всего в

:качестве элемента пра:нтичес:ни идеальной гальванической раз­

вязки и подробно будут рассмотрены ниже. Второй тип оптрона выполняет роль преобразователя параметров светового сигнала, т. е. осуществляет усиление, преобразования спектра и поляри­

зации, а также конверсию некогерентного излучения в когерент­

ное и т. д. При использовании многоэлементных фотоприемни­

ков можно получить и преобразование изображений. Третий тип

оптронов, имея цепь обратной связи (ОС, см. рис. 16.29, в), мо-

в)

Рис. 16.29

Рис. 16.30

жет выступать в качестве регенеративного устройства и произво­

дить усиление, частичное или полное восстановление входного

сигнала. В таких оптронах возможны самые различные сочета­

ния оптических и электрических входных и выходных сигналов.

Рассмотрим более подробно простейший вид оптронов - оп­ топары. Они обладают идеальной гальванической развязкой,

большой широ:кополосностью, простотой конструкции, техно­ логической, эксплуатационной и функциональной совместимо­

стью с интегральными микросхемами.

Наибольшее распространение получили оптопары, в которых в

качестве фотоприемников используются: фоторезисторы, фотоди­

оды, фототранзисторы и фототиристоры. Оптопары получили на­

звание по типу приемника: например, резисторна.л (рис. 16.30, а), диодная (рис. 16.30, б), транзисторная (рис. 16.30, в), тиристор­

ная (рис. 16.30, г). Существует достаточно много конструктив­

ных форм изготовления оптопар. На рис. 16.31, а приведено уст­

ройство так называемой «панельной» оптопары с расположени­

конструкция позволяет использовать широко применяемое в

микроэлектронике оборудование для монтажа кристаллов, при­

пайки выводов. Наиболее перспективны монолитные оптопары

в виде интегрированной твердотельной структуры. Пример уст­

ройства такой оптопары приведен на рис. 16.31, б (1 - светоди­ од; 2 - оптический канал из GaAlAs; 3 - фотодиод). Однако в

настоящее время характеристики таких приборов имеют невы-

сокие надежность и устойчивость к внешним воздействиям,

плохие светопередачу и совместимость используемых материа­

лов и т. д. Кроме того, в большинстве конструкций монолитных

оптопар выводы располагаются с разных сторон кристалла и на

различных уровнях, поэтому при их монтаже требуется специ­

альное нестандартное оборудование.

В последние годы началось производство специфического ви­ да оптронов - волстронов - приборов, в которых излучатель и

фотоприемник жестко связаны друг с другом отрезком длинно­

го (от десятков см до нескольких метров) волоконно-оптическо­ го кабеля. Такие оптроны очень эффективны для применения в

высоковольтной и мощной аппаратуре, в установках с повышен­ ной опасностью для работы обслуживающего персонала и т. д.

Волстроны дешевы, обладают хорошей передаточной характе­

ристикой, высокой надежностью и т. д.

Широкое распространение получили оптоэлектронные схе­ мы, включающие оптопары и микросхемы. Например, опто­ электронный переключатель состоит из диодной оптопары и ключевого усилителя. Такое сочетание позволяет добиться пол­

ного ·согласования по уровню сигналов со стандартными логиче­

скими микросхемами. Существует достаточное разнообразие оп­

тоэлектронных микросхем, находящих применение в различных

областях.

Принцип работы оптопары можно пояснить, используя при­

бор, представленный на рис. 16.31, б. Предположим, на вход

оптопары «Вх» поступает импульс тока Jвх или напряжения

Ивх• который преобразуется светоизлучателем 1 в импульс све­

тового потока. Излучение проходит через оптическую среду (ка­

нал) 2 и в фотоприемнике 3 преобразуется в электрический сиг­

нал. Исходный сигнал, претерпевая двойное преобразование, испытывает некоторые искажения, которые должны быть ми­

нимальны.

Гальваническая развязка входной цепи «Вх» и выходной «Вых» достигается за счет оптически прозрачной диэлектриче­

ской среды между приемником и излучателем, которые долж­ ны быть оптически согласованы. Спектральное согласование

светоизлучателя и фотоприемника реализуется соответствую­

щим выбором их материалов. В качестве светоизлучателей в оп­ топарах используются преимущественно светодиоды. Примене­ ние оптических квантовых генераторов (лазеров) оправдано в быстродействующих устройствах.

Для оценки свойств оптронов используются следующие пара­ метры, определяющие характеристики излучателей, фотоприем­ ников, оптического сигнала и электронных устройств:

Sи - эффективность излучателя, зависящая от типа прибо­ ра, режима возбуждения, температуры и т. д., Вт/А; SФчув­

ствительность фотоприемника с учетом внутреннего усиления,

А/Вт; Копт - передаточный коэффициент оптического канала;

КУ - передаточный коэффициент электронной схемы связи, в том числе и обратной, осуществляющей взаимодействие приемника и

излучателя.

При расчетах оптронов в зависимости от режима работы при­

меняются как дифференциальные, так и интегральные пара­

метры.

Одним из основных параметров оптронов является коэффи­ циент передачи по какому-либо параметру. Для оптопары это

может быть коэффициент передачи по току, представляющий

собой отношение выходного и входного токов:

(16.10)

Используя значения Su и SФ, рассмотренные при описании

излучателей и фотоприемников, и зная коэффициент передачи оптического канала (среды}, нетрудно рассчитать общий коэф­

фициент передачи оптопары.

Для регенеративного оптрона обычно рассматривают коэф­

фициент регенерации оптрона Крег· Этот параметр характеризу­ ет изменение величины сигнала при прохождении замкнутой

системы приемник-излучатель-устройство связи:

(16.11)

где S - чувствительность устройства связи.

В регенеративном оптроне при Крег » 1 может возникнуть ге­ нерация, т. е. вся система становится неустойчивой. Из-за дву­

кратного преобразования энергии в этом типе оптронов (напри­ мер, оптический сигнал сначала преобразуется в электриче­

ский и затем электрический в оптический) КПД мал.

Для диодных и транзисторных оптопар, применяемых в циф­

ровых системах передачи информации, используют комбиниро­ ванный параметр (параметр качества), представляющий собой отношение коэффициента передачи по току Ki :к времени за-

(Вторая формула соотношения (16.15) получена с учетом выра­

жения (16.13) для ихх•)

На рис. 16.36, б нанесены значения I т и Ит и построен прямо­

угольник, площадь которого соответствует максимальной мощ­

ности Рm' т. е. для нахождения Рт необходимо в БАХ фотоэлемен­

та вписать прямоугольник с максимальной площадью. Таким об­

разом, полученные выражения (16.14) и (16.15) определяют

максимальную мощность, которая выделяется в нагрузке при

поглощении излучения и при оптимальном согласовании внут­

реннего сопротивления элемента с сопротивлением внешней це­ пи. Максимальная эффективность преобразования Т\ (максималь­ ный КПД преобразования оптического излучения в электриче­ скую энергию) реализуется при таком выборе и изготовлении

материала, когда обратный ток будет минимальным; Т\т опреде­ ляется отношением максимальной выходной мощности Рт к

мощности падающего излучения. Предельные значения КПД

идеализированного преобразователя можно получить, если до­

пустить, что потери в фотоэлементе обусловлены только излуча­ тельной рекомбинацией.

Казалось бы, для получения максимального КПД необходи­ мо иметь минимальные значения I 0 и, следовательно, целесооб­