Оптроны и их применение
СОДЕРЖАНИЕ:
1. Введение. 2
2. Основные определения. 2
3. Отличительные особенности оптронов. 2
4. Обобщенная структурная схема. 3
5. Применение. 4
6. История. 5
7. Физические основы оптронной техники. 6
8. Элементная база и устройство оптронов. 6
9. Физика преобразования энергии в диодном оптроне. 7
10. Параметры и характеристики оптопар и оптоэлектронных
интегральных микросхем. 13
11. Классификация параметров изделий оптронной техники.
13
12. Диодные оптопары. 14
13. Транзисторные и тиристорные оптопары. 15
14. Резисторные оптопары. 15
15. Дифференциальные оптопары. 15
16. Оптоэлектронные микросхемы. 16
17. Сферы применения оптронов и оптронных микросхем. 16
18. Передача информации. 17
19. Получение и отображение информации.
18
20. Контроль электрических процесов. 18
21. Замена электромеханических изделий.
19
22. Энергетические функции.
19
23. Литература. 19
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 Основные определения.
Оптронами называют такие оптоэлектронные приборы, в которых
имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник)
с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними,
конструктивно связанные друг с другом .
Принцип действия оптронов любого вида основан на следующем. В
излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую, в
фотоприемнике, наоборот, световой сигнал вызывает электрический отклик.
Практически распространение получили лишь оптроны, у которых
имеется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и, как
правило, исключены все виды электрической связи между этими элементами.
По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной
техники выделяют две группы приборов. Оптопара (говорят также
“элементарный оптрон”) представляет собой оптоэлектронный
полупроводниковый прибор, состоящий из излучающего и фотоприемного
элементов, между которыми имеется оптическая связь, обеспечивающая
электрическую изоляцию между входом и выходом. Оптоэлектронная
интегральная микросхема представляет собой микросхему, состоящую из
одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного
или нескольких согласующих или усилительных устройств.
Таким образом в электронной цепи такой прибор выполняет функцию
элемента связи, в котором в то же время осуществлена электрическая
(гальваническая) развязка входа и выхода.
1.2 Отличительные особенности оптронов.
Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе
использования электрически нейтральных фотонов для переноса
информации. Основные из них следующие:
- возможность обеспечения идеальной электрической
(гальванической);развязки между входом и выходом; для оптронов не
существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных
ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и
сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости;
- возможность реализации бесконтактного оптического управления
электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость
конструкторских решений управляющих цепей;
- однонаправленность распространения информации по оптическому
каналу, отсутствие обратной реакции приемника на излучатель;
- широкая частотная полоса пропускания оптрона, отсутствие
ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным
трансформаторам); возможность передачи по оптронной цепи как
импульсного сигнала, так и постоянной составляющей;
- возможность управления выходным сигналом оптрона путем
воздействия (в том числе и неэлектрического) на материал оптического
канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчиков,
а также разнообразных приборов для передачи информации;
- возможность создания функциональных микроэлектронных
устройств с фотоприемниками, характеристики которых при освещении
изменяются по сложному заданному закону;
- невосприимчивость оптических каналов связи к воздействию
электромагнитных полей, что в случае “длинных” оптронов (с
протяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и
приемником) обусловливает их защищенность от помех и утечки информации, а
также исключает взаимные наводки ;
- физическая и конструктивно-технологическая совместимость с
другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.
Оптронам присущи и определенные недостатки:
- значительная потребляемая мощность, обусловленная необходимостью
двойного преобразования энергии (электричество - свет - электричество)
и невысокими КПД этих переходов;
- повышенная чувствительность параметров и характеристик
к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации;
- более или менее заметная временная деградация (ухудшение)
параметров;
-относительно высокий уровень собственных шумов, обусловленный , как и два
предыдущих недостатка, особенностями физики светодиодов;
- сложность реализации обратных связей, вызванная электрической
разобщенностью входной и выходной цепей;
- конструктивно-технологическое несовершенство, связанное с
использованием гибридной непланарной технологии, (с необходимостью
объединения в одном приборе нескольких - отдельных кристаллов из
различных полупроводников, располагаемых в разных плоскостях).
Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования
материалов, технологии, схемотехники частично устраняются, но тем не
менее еще длительное время будут носить достаточно принципиальный
характер. Однако их достоинства столь высоки, что обеспечивают уверенную
внеконкурентность оптронов среди других приборов микроэлектроники.
1.
1.3 Обобщенная структурная схема (рис. 1.1).
[pic]
Рис 1.1. Обобщенная структурная схема оптрона.
Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом
передачи Кi , определяемым отношением выходного и входного
сигналов, и максимальной скоростью передачи информации F.
Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада
передаваемых импульсов tнар(сп) или граничную частоту. Возможности
оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются
максимальным напряжением и сопротивлением развязки Uразв и Rразв и
проходной емкостью Cразв.
В структурой схеме рис. 1.1 входное устройство служит для
оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения
светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и
преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен
обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием,
широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для
линейных систем), малым значением “порогового” входного тока, при
котором обеспечивается надежная передача информации по цепи.
Назначение оптической среды - передача энергии оптического
сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях
обеспечение механической целостности конструкции.
Принципиальная возможность управления оптическими свойствами
среды, например с помощью использования электрооптических или
магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства
управления, В этом случае мы получаем оптрон с управляемым
оптическим каналом, функционально отличающийся от “обычного”
оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу,
так и по цепи управления.
В фотоприемнике происходит “восстановление” информационного
сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую
чувствительность и высокое быстродействие.
Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал
фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на
последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией
выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после
двойного пpeобразования очень значительны. Нередко функцию усиления
выполняет и сам фотоприемник (например, фототранзистор).
Общая структурная схема рис. 1.1 реализуется в каждом
конкретном приборе лишь частью блоков. В соответствии с этим
выделяют три основные группы приборов оптронной техники; ранее названные
оптопары (элементарные оптроны), использующие блоки светоизлучатель -
оптическая среда - фотоприемник; оптоэлектронные (оптронные)
микросхемы (оптопары с добавлением выходного, а иногда и входного
устройства); специальные виды оптронов - приборы, функционально и
конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и
оптоэлектронных ИС
Реальный оптрон может быть устроен и сложнее, чем схема на рис.
1.1; каждый из указанных блоков может включать в себя не один, а
несколько одинаковых или подобных друг другу элементов, связанных
электрически и оптически, однако это не изменяет существенно основ
физики и электроники оптрона.
1.4 Применение.
В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются:
для связи блоков аппаратуры, между которыми имеется значительная
