1-60ORE

Для оптронів найбільш перспективні фотоприймачі з внутрішнім фотоефектом, коли взаємодія фотонів з електронами усередині матеріалів з певними фізичними властивостями призводить до переходів електронів в обсязі кристалічної решітки цих матеріалів.

Внутрішній фотоефект проявляється двояко: у зміні опору фотоприймача під дією світла (фоторезистори) або в появі фото-ерс на межі розділу двох матеріалів - напівпровідникнапівпровідник, метал-напівпровідник (вентильні фотоелементи, фотодіоди, фототранзистори). Фотоприймачі з внутрішнім фотоефектом підрозділяють на фотодіоди (з p - n-переходом, МДПструктурою, бар'єром Шоттки), фоторезистори, фотоприймачі з внутрішнім посиленням (фототранзистори, складові фототранзистори, фототиристори, польові фототранзистори). Фотодіоди виконують на основі кремнію і германію. Максимальна спектральна чутливість кремнію 0,8 мкм, а германію - до 1,8 мкм. Вони працюють при зворотному зміщенні на p - n-переході, що дозволяє підвищити їх швидкодію, стабільність і лінійність характеристик.

Найбільш часто в якості фотоприймачів оптоелектронних приладів різної складності застосовують фотодіоди p - i - n-структури, де i - збіднена область високого електричного поля. Змінюючи товщину цій галузі, можна отримати хороші характеристики по швидкодії і чутливості за рахунок малої ємкості і часу прольоту носіїв.

Підвищеними чутливістю і швидкодією мають лавинні фотодіоди, що використовують посилення фотоструму при множенні носіїв заряду. Однак у цих фотодіодів недостатньо стабільні параметри в діапазоні температур і потрібні джерела живлення високої напруги. Перспективні для використання в певних діапазонах довжин хвиль фотодіоди з бар'єром Шотткі та з МДН-структурою. Фоторезистори виготовляють в основному з полікристалічних напівпровідникових плівок на основі з'єднання (кадмію з сіркою та селеном). Максимальна спектральна чутливість фоторезисторів 0,5 - 0,7 мкм. Фоторезистори, як правило, застосовують при малій освітленості; по чутливості вони порівнянні з фотоелектронного помножувача - приладами з зовнішнім фотоефектом, але вимагають низьковольтного живлення. Недоліками фоторезисторів є низька швидкодія і високий рівень шумів. Найбільш поширеними фотоприймачами з внутрішнім посиленням є фототранзистори і фототиристори. Фототранзистори чутливіші фотодіодів, але менш швидкодіючі. Для більшого підвищення чутливості фотоприймача застосовують складовою фототранзистор, що представляє поєднання фото-і підсилювального транзисторів, однак він має невисоким швидкодією.

У оптронах в якості фотоприймача можна використовувати фототиристори

(напівпровідниковий прилад з трьома p - n-переходами, перемикається при освітленні), який володіє високими чутливістю і рівнем вихідного сигналу, але недостатньою швидкодією.

Різноманіття типів оптронів визначається в основному властивостями і характеристиками фотоприймачів. Одне з основних застосувань оптронів - ефективна гальванічна розв'язка передавачів і приймачів цифрових і аналогових сигналів. У цьому випадку оптрон можна використовувати в режимі перетворювача або комутатора сигналів. Оптрон характеризується допустимим вхідним сигналом (струмом управління), коефіцієнтом передачі струму, швидкодією (часом перемикання) і навантажувальною здатністю.

Відношення коефіцієнта передачі струму до часу перемикання називається добротністю оптрона і становить 10 5 - 10 6 для фотодіодному і фототранзісторних оптронів. Широко використовують оптрони на основі фототиристори. Оптрони на фоторезистора не набули широкого поширення із-за низької тимчасової і температурної стабільності. Схеми деяких оптронів наведено на рис. 4, а - м.

SHAPE \ * MERGEFORMAT

Рис. 4. Схеми оптронів з фотодіодів (а), фототиристори (б), фототранзисторів (в), складовим фототранзисторів (г) і розріз оптрона (д):

1,4 - приймач і джерело світла, 2 - світловод, 3 - омические контакти

Як когерентних джерел випромінювання застосовують лазери, що володіють високою стабільністю, добрими енергетичними характеристиками та ефективністю. У оптоелектроніці для конструювання компактних пристроїв використовують напівпровідникові лазери - лазерні діоди, що застосовуються, наприклад, у волоконнооптичних лініях зв'язку замість традиційних ліній передачі інформації - кабельних і дротяних. Вони володіють високою пропускною здатністю (смуга пропускання одиниці гігагерц), стійкістю до впливу електромагнітних завад, малою масою і габаритами, повною електричною ізоляцією від входу до виходу, вибухо-і пожежобезпечність. Особливістю ВОЛЗ є використання спеціального волоконно-оптичного кабелю, структура якого представлена на рис. 5. Промислові зразки таких кабелів мають згасання 1 - 3 дБ / км і нижче. Волоконно-оптичні лінії зв'язку використовують для побудови телефонних і обчислювальних мереж, систем кабельного телебачення з високою якістю переданого

зображення. Ці лінії допускають одночасну передачу десятків тисяч телефонних розмов і декількох програм телебачення.

Індикатори на рідких кристалах мають високу роздільну здатність, порівняно дешеві, споживають

застосовуються рідкі кристали, що змінюють колір при нагріванні (холестерика). Інші типи рідких кристалів (смектики) використовують для термооптичний запису інформації. Оптоелектронні прилади, розроблені порівняно недавно, отримали широке поширення в різних галузях науки і техніки, завдяки своїм унікальним властивостям. Багато хто з них не мають аналогів у вакуумній і напівпровідниковій техніці. Однак існує ще багато невирішених проблем, пов'язаних з розробкою нових матеріалів, поліпшенням електричних та експлуатаційних характеристик цих приладів та розвитком технологічних методів їх виготовлення.

де – смуга пропускання підсилювача.

Чим більша добротність контуру, тим меншою є його смуга пропускання. Для того, щоб підвищити добротність контуру, необхідно зменшити втрати в ньому (тобто, опір ). Якщо паралельно або послідовно контуру підключити резистор, втрати будуть зростати, а смуга пропускання резонансного підсилювача, відповідно, розширюватися.

Якщо підсилювач працює в режимі класу В або на вході підсилювача в режимі класу А подається

вхідний сигнал з (див. лабораторну роботу №4, рис. 4.4), колекторний струм транзистора буде не синусоїдальним (з'являються нелінійні спотворення). Несинусоїдальний струм окрім основної гармоніки містить вищі гармоніки, частоти яких кратні основній. Якщо при цьому резонансна частота LC-контуру збігається із частотою однієї з таких гармонік, то підсилювач буде забезпечувати максимальне підсилення саме для даної гармоніки. У цьому випадку, резонансний підсилювач із всього спектру частот вхідного сигналу виділяє тільки одну гармоніку. Оскільки зі збільшенням номеру гармонік їх потужність швидко зменшується, резонансний підсилювач забезпечує задовільне виділення гармонік не вище п'ятої. Такий режим робота резонансного підсилювача називається режимом множення частоти.

У випадку, коли в процесі роботи підсилювача в режимі множення частоти його вхідна частота змінюється, виникає ситуація, коли амплітудно-частотна характеристика містить декілька максимумів, які відповідають основній та декільком вищим гармонікам вхідної напруги.

В тому випадку, коли в резонансний підсилювач вводиться коло зворотного зв'язку, існує можливість переведення його в режим LC-генератора.

Генератор сигналів – це пристрій, що за допомогою підсилювальних елементів перетворює енергію джерела живлення в електричні коливання заданої частоти і форми.

Залежно від форми генерованих коливань розрізняють генератори:

1)синусоїдальних коливань;

2)релаксаційних коливань (генератори імпульсів).

Будь-який генератор являє собою підсилювач з колом позитивного зворотного зв'язку.

Коло зворотного зв'язку – це штучно створений ланцюг, по якому вихідний сигнал підсилювача (або його частина) подається на його вхід (рис. 5.3).

Структура підсилювача з колом зворотного

3 використано наступні позначення: –

підсилення самого підсилювача – напруга на вході підсилювача); – коефіцієнт

( – напруга на виході кола зворотного

зв'язку).

Кола зворотного зв'язку класифікуються наступним чином:

–

Значення є першою умовою перетворення підсилювача на генератор електричних коливань широкого спектру частот (наприклад, резонансний LC-підсилювач з ланкою зворотного зв’язку на базі змінного резистора та додаткової котушки індуктивності). Другою умовою є

сумарний фазовий зсув в підсилювачі та у колі зворотного зв'язку

Таким чином, для того щоб виникла генерація електричних коливань у генераторі, необхідне виконання двох зазначених умов:

3)баланс фаз ;

4)баланс амплітуд , тобто ослаблення сигналу в колі зворотного зв'язку повинне компенсуватися його підсиленням у підсилювачі.

Якщо умови балансу фаз і балансу амплітуд виконуються тільки для однієї частоти, генератор буде генерувати електричні коливання синусоїдальної форми. Якщо ж баланс фаз і баланс амплітуд виконуються для декількох частот, генератор генерує коливання, що містять цей спектр частот (несинусоїдальні коливання).

В схемі рис. 5.1 LC – генератор формується шляхом підключення додаткових елементів кола зворотного зв'язку та . У досліджуваній схемі умова балансу фаз виконується за

рахунок. відповідного підключення (фазування) вторинної обмотки трансформатора . Підсилювальний каскад, зібраний за схемою зі спільним емітером, забезпечує фазовий

зсув . Для забезпечення балансу фаз, вторинна обмотка трансформатора підключається таким чином, щоб забезпечувався фазовий зсув .

Сигнал зворотного зв'язку, який подається на базу транзистора, може регулюватися за допомогою

потенціометра зворотного зв'язку . Зміщуючи движок потенціометра, домагаються виконання умови балансу амплітуд і виникнення генерації. Частота генерації визначається

резонансною частотою LC-контуру: . З формули видно, що для одержання низьких частот генерації необхідно збільшувати індуктивність i ємність коливального контуру. Однак це призводить до суттєвого збільшення габаритів пристрою та зростання втрат енергії, тому добротність таких контурів низька. Тому LC-генератори використовуються для одержання коливань на високих частотах (десятки-сотні кілогерц).

37. Сигнал — це будь-який фізичний носій інформації, кількісні характеристики змінюються з часом. Це фізичний процес, здатний діяти на органи чуття людини або технічні пристрої (наприклад, давачі), що застосовується для відтворення, передачі, приймання, перетворення та зберігання інформації. 3 метою створення i поширення сигналів використовують фізичні властивості різних носіїв інформації (наприклад, пружність, прозорість, кольоровість, електропровідність, намагніченість). Отже, за фізичною природою носія інформації сигнали можуть бути механічні (звук, морський прапорцевий семафор), електричні (зміна струму або напруги), магнітні(феромагнітна плівка, магнітна стрічка), оптичні (світлофор, сигнальна ракета) тощо.

Одна і та сама інформація може бути перетворена і передана на відстань сигналами різної фізичної природи. При цьому зміст інформації визначається не природою носія, а лише законом зміни кількісних величин, що його характеризують. Тому дуже часто для зручності оброблення

та передавання сигнали однієї фізичної природи перетворюють на сигнали іншої фізичної природи. Наприклад, для підвищення потужності звукових сигналів їx за допомогою мікрофона перетворюють на електричні сигнали, які підсилюють, а потім за допомогою гучномовця знову перетворюють на механічні сигнали (звук).

У радіоелектроніці використовують переважно електричні сигнали, тому що вони забезпечують найвищу швидкодію радіоелектронних пристроїв, легко обробляються радіоелектронними методами i перетворюються на сигнали будь-якої іншої фізичної природи. Крім того, саме електричні пристрої оброблення сигналів найбільш технологічні, надійні, економічні та малогабаритні з усіх існуючих. Отже, з розглянутих причин можна говорити про прикладну універсальність електричних сигналів.

Серед електричних сигналів окремо виділяють сигнали повідомлення (їx ще

називають керувалъними) і радіосигнали. Останні відрізняються тим, що для їx створення використовують спеціальні високочастотні коливання. Ці коливання в coбi ніякої інформації не містять, а є лише допоміжними носіями інформації, яка міститься в сигналах повідомлення. Тому вони називаються носійними коливаннями. Для передавання інформації один iз параметрів носійного коливання (амплітуду, частоту, фазу, тривалість) змінюють за законом зміни сигналу повідомлення. Цей процес називається модуляцією носійного коливання.

Радіосигнали випромінюються у відкритий простір у вигляді електромагнітних хвиль i забезпечують багатоканальну передачу інформації по проводах, хвилеводах, оптичних лініях зв’язку, а також поліпшують якість оброблення сигналів в електричних колах, підвищуючи їx завадозахищеність. Будь-які сигнали, що заважають обробленню тих сигналів, в яких міститься потрібна споживачеві інформація, називаються завадами.

Завади під час оброблення електричних сигналів можуть виникати з двох причин. По-перше, це внутрішні завади, джерелами яких е тепловий та флуктуаційний рух носіїв електричних зарядів у провідниках, а також струми, наведені від сусідніх потужних сторонніх джерел (наприклад від мережі живлення, потужних підсилювачів). По-друге існує багато завад зовнішнього відносно радіоелектронного пристрою походження. Це побутова електронна апаратура, електротранспорт, атмосферні розряди, космічне випромінювання, промислові завади i, нарешті, сигнали сусідніх радіостанцій при недостатній вибірності радіоприймача.

Боротьба з завадами, підвищення якості сигналів, що несуть корисну інформацію на фоні Діючих завад, є однією з актуальних проблем сучасного оброблення електричних сигналів, оскільки завади спотворюють інформацію, а той навіть унеможливлюють її оброблення. Одним з ефективних способів підвищення завадозахищеності, крім деяких видів модуляції, є перехід від аналогових до цифрових сигналів.

Природа більшості фізичних величин (тиск, температура, освітленість тощо) така, що вони можуть набувати будь-яких значень у певному діапазоні. В цьому разі сигнал на виході первинного перетворювача (мікрофон, термопара, фотодіод) за будь-який проміжок часу може мати нескінченну кількість значень. Цей неперервний сигнал змінюється аналогічно зміні інформації, яку він відтворює, тому його називають аналоговим.

Типовим прикладом аналогового сигналу е напруга на виході мікрофона. Під дією джерела звуку змінюється тиск повітря на мембрану, яка прогинається i сприяє створенню деякої напруги на кінцях звукової котушки. Зміна цієї напруги за амплітудою та частотою аналогічна зміні звукового тиску. Такі сигнали й досі використовують у системах радіомовлення, але аналогові сигнали найбільш завадонезахищені. З цієї та деяких інших причин поряд з аналоговими все частіше застосовують дискретні цифрові сигнали.

Найпростішою формою цифрового сигналу є комбінація двох дискретних станів (наприклад, наявність i відсутність струму, напруги, випромінювання). Їм у відповідність можна поставитидвійковий, або бінарний, код. Скажімо, наявність сигналу можна позначити символом 1, а відсутність — 0. При цьому кількісна мірa, що характеризує цей сигнал (сила струму, освітленість) такого значення не має. Такі дискретні цифрові сигнали дуже зручні в багатьох відношеннях. Основною ix перевагою перед іншими сигналами є здатність до регенерування, тобто до відновлення форми сигналу, спотвореного завадами. Це забезпечує дуже високу завадозахищеність ліній зв’язку i високу якість передачі інформації. До того ж із наперед заданою точністю аналогові сигнали легко перетворюються на цифрові, а цифрові — на аналогові (див. п. і.3).

Передана сигналом інформація корисна лише тоді, коли вона несе щось нове, невідоме, несподіване, тобто для споживача інформації такий сигнал є випадковою функцією часу. Аналізувати властивості подібних сигналів, особливості їx проходження в електричних колах i радіоелектронних пристроях дуже складно. Тому для спрощення аналізу при настроюванні та регулюванні апаратури, а також для кращого унаочнення технічних процесів під час навчання реальні випадкові сигнали замінюють детермінованими штучними коливаннями. Останні задають заздалегідь певними функціями часу на нескінченній осі, які нової інформації нести не можуть, тобто вони, по суті, не є сигналами.

Детерміновані коливання поділяють на періодичні та неперіодичні. Перші задають функцією , яка задовольняє умову на досить великому проміжку

часу . Неперіодичні функції цю умову не задовольняють. Найпростішим детермінованим періодичним коливанням е гармонічне коливання, що описується

Крім того, для аналізу властивостей електричних кіл використовують імпульсні періодичні коливання (їx називають також релаксаційними), які характеризують амплітудою ,

періодом i тривалістю прямокутного імпульсу . Математичне обґрунтування такого підходу полягає в тому, що згідно з теоремою Фур’є будь-яка періодична функція може бути розвинена в ряд елементарних гармонічних функцій. В разі ж переходу до неперіодичних функцій кількість таких елементарних складових стає нескінченною. Тоді застосовують статистичний метод, в основу якого покладено закон розподілу ймовірностей та спектральний розподіл потужності сигналу.

Для кращого унаочнення у навчанні використовують різні способи подання сигналів. Так, для математичного аналізу властивостей електричних кіл зручною є аналітична форма у вигляді математичних формул, для спостереження на екрані осцилографа — розгортка функції по координатах часу, для з’ясування питань фільтрації, граничних частот, смуги пропускання краще розглядати спектральні складові сигналу. іноді складні, наприклад, модульовані сигнали зручно розглядати за допомогою векторних діаграм. Однак будь-який із названих способів зосереджує нашу увагу лише на якихось одних властивостях та залежностях i є спрощеною моделлю реального сигналу. Реальні сигнали завжди відрізняються від своїх графічних та математичних моделей, а тому переходити від моделі до реального об’єкта слід з урахуванням фізичних реалій.

Властивості сигналів i передану за їх допомогою інформацію можна характеризувати кількісними параметрами Основним з них є ширина спектра сигналу Рис. 1.1. Ілюстрація обсягу

, його динамічний діапазон та трив електричного сигналу.

алість

Ширина спектра визначається як різниця між найвищою i найнижчою частотами спектра сигналу, які слід забезпечити для якісної передачі інформації. Наприклад, ширина спектра для телеграфних сигналів становить 75 Гц, для аналогової телефонії — 3400 Гц, а для телевізійного сигналу — близько 6 МГц. Ширина спектра обернено пропорційна швидкості зміни сигналу.

Динамічний діапазон — це відношення максимальної миттєвої потужності сигналу до мінімальної, що забезпечує задану якість передачі інформації. Найчастіше динамічний діапазон

Наприклад, динамічний діапазон для мовлення становить 30...35 дБ, а для музики у виконанні симфонічного оркестру — 70...80 дБ.

Проміжок часу, протягом якого передається сигнал, називається тривалістю сигналу

Добуток цих основних параметрів сигналу визначає його обсяг (рис. 1.1)

. (1.2)

Обсяг сигналу можна визначити також через швидкість передачі інформації. Кількісно інформацію виражають у спеціальних одиницях — бітах. Один біт — це кількість інформації, яку містить один розряд двійкового цифрового коду. Швидкість передачі інформації виражають

в бітах за секунду i позначають Літерою . Отже, обсяг сигналу

. (1.3)

Сигнали передаються на відстань за допомогою сукупності технічних засобів, яка називається каналом зв’язку. Це може бути двопровідна, кабельна, оптична, радіорелейна, супутникова або якась інша лінія зв’язку 3і своєю приймально-передавальною апаратурою. Кожен канал зв’язку має свої технічні параметри: смугу пропускання, динамічний діапазон та швидкодію. Щоб передати сигнал по каналу зв’язку без утрат інформації, його

параметри треба узгодити з параметрами цього каналу. Такі дії над сигналом виконуються в перетворювачах, які докладно розглядаються в спеціальній теорії зв’язку.

38. Фоторезистор називають напівпровідникові прилади, провідністьяких змінюється під дією світла. Конструкція монокристалічного і плівкового фоторезисторів показанана рис. 1, 2 додатки. Основним елементом фоторезистори є в першувипадку монокристалл, а в другому - тонка плівка напівпровідниковогоматеріалу.

Якщо Фоторезистор включений послідовно з джерелом напруги (рис.

3 програми) і не освітлений, то в його ланцюзі буде протікати темнової ток

IТ = E/(Rт + Rн), (4)

де Е - е.. р. с. джерела живлення; Rт - величина електричногоопору фоторезистори в темряві, звана темнова опором;

Rн - опір навантаження.

При освітленні фоторезистори енергія фотонів витрачається на перекладелектронів в зону провідності. Кількість вільних електронно-дорученихпар зростає, опір фоторезистори падає і через нього течесвітловий струм

Iс = E/(RС + Rн). (5)

Різниця між світловим і темнова струмом дає значення струму Iф,що отримав назву первинного фотоструму провідності

Iф = Iс - IТ. (6)

Коли променистий потік малий, первинний фотоструму провідності практичнобезінерційна і змінюється прямо пропорційно величині променевого потоку,падаючого на фоторезисторів. В міру зростання величини променевого потокузбільшується число електронів провідності. Рухаючись усередині речовини,електрони зіштовхуються з атомами, іонізують їх і створюють додатковийпотік електричних зарядів, що отримав назву вторинної фотострумупровідності. Збільшення числа іонізованих атомів гальмує рухелектронів провідності. У результаті цієї зміни фотоструму запізнюютьсяв часі щодо змін світлового потоку, що визначаєдеяку інерційність фоторезистори. Характеристики фоторезисторів Основними характеристиками фоторезисторів є:

вольтамперних, що характеризує залежність фотоструму (при постійномусвітловому потоці Ф) або темнового струму від прикладеної напруги. Дляфоторезисторів ця залежність практично лінійна (мал. 4 додатку).

Закон Ома порушується в більшості випадків тільки при високих напругахна фоторезистори. Світлова (люксамперная), яка характеризує залежність фотоструму відпадаючого світлового потоку постійного спектрального складу.

Напівпровідникові фотрезістори мають нелінійну люксамперную характеристику (рис. 5 додатка). Найбільша чутливість виходить при малихосвітленості. Це дозволяє

використовувати фоторезистори для вимірювання дужемалих інтенсивностей випромінювання. При збільшенні освітленості світловий струмзростає приблизно пропорційно кореню квадратному з освітленості. Нахиллюксамперной характеристики залежить від прикладеної до фоторезисторинапруги.

Спектральна, що характеризує чутливість фоторезистори придії на нього потоку випромінювання постійної потужності певної довжинихвилі. Спектральна характеристика визначається матеріалом, використовуванимдля виготовлення світлочутливого елементу. Сірчистої-кадмієвіфоторезистори мають високу чутливість у видимій області спектру,селенистий-кадмієві - у червоній, а сірчистоїсвинцеві - в інфрачервоній (рис. 6 додатка).

Частотна, що характеризує чутливість фоторезистори при діїна нього світлового потоку, що змінюється з певною частотою. Наявністьінерційності у фоторезисторів призводить до того, що величина їх фотострумузалежить від частоти модуляції світла, яке на них світлового потоку - ззбільшенням частоти світлового потоку фотоструму зменшується (рис. 7додатки). Інерційність оганічівает можливості застосуванняфоторезисторів при роботі зі змінними світловими потоками високої частоти.

Параметри фоторезисторів Основні параметри фоторезисторів:

Робоча напруга Uр - постійна напруга, прикладена дофоторезистори, при якому забезпечуються номінальні параметри притривалої його роботі в заданих експлуатаційних умовах (як правило, від

1 до 1000 в).

Максимально допустима напруга фоторезистори Umax - максимальнезначення постійної напруги, прикладеної до фоторезистори, при якомувідхилення його параметрів від номінальних значень не перевищує зазначенихмеж при тривалій роботі в заданих експлуатаційних умовах.