Главная | Обратная связь

Класифікація оптронів

Оптронами називаються такі оптоелектронні прилади, у яких є джерело і приймач випромінювання з тим або іншим видом оптичного і електричного зв’язку між ними, конструктивно об’єднані і розміщені в один корпус.

Принцип дії будь-якого оптрона базується на подвійному перетворенні енергії (рис. 1). Вхідний електричний сигнал (який характеризується силою струму I₁ або напругою U₁) перетворюється джерелом випромінювання 1 у світловий (потік світла Ф₁), який передається потім по оптичному каналу 2 до фотоприймача 3. Фотоприймач здійснює перетворення світлового сигналу в електричний I₂, U₂. Середовище оптичного каналу може бути керованим (наприклад, виготовлене з електрооптичного матеріалу), що відображене на рис.1 введенням у схему пристрою керування 4, який перетворює світловий потік Ф₁ у потік Ф₂. Для узгодження параметрів оптронів з іншими елементами електронних схем можуть використовуватися додаткові вхідні і вихідні пристрої.

 

 

На рис.1 фотоприймач і випромінювач електрично не з’єднані один з одним. Такі оптрони з успіхом можуть використовуватися в якості елементів гальванічної розв’язки. Однак введення електричного, а також оптичного зворотного зв’язку між компонентами оптрона забезпечує розширення його можливостей. У цьому випадку він може бути використаний як прилад, здатний генерувати і підсилювати електричні і оптичні сигнали, як запам’ятовуючий пристрій тощо.

Принципові позитивні якості оптопар, зумовлені використанням фотонів у якості носіїв інформації, полягають у забезпечені високої електричної ізоляції входу та виходу, однонапрямленість потоку інформації, відсутність зворотного зв’язку з виходу на вхід і широкої полоси пропускання.

Крім уже відмічених якостей оптрон характеризується:

- високою завадостійкістю (оскільки його оптичний канал несприйнятливий до дії посторонніх електромагнітних полів);

- можливістю реалізації безконтактних (механічних і електричних) типів зв¢язку, наприклад, через повітряне середовище;

- можливість створення функціональних мікроелектронних пристроїв з фотоприймачами, характеристики яких під дією оптичного випромінювання змінюються по заданому закону.

Серед недоліків, властивих сучасним оптронам, необхідно перш за усе відмітити їх низький ККД, що зв¢язано з великими втратами енергії при перетворенні електричного сигналу в оптичний і навпаки. Так само, як і в інших напівпровідникових приладів, параметри оптрона чутливі до зміни температури. Зокрема від температури сильно залежить тривалість роботи таких пристроїв. До недоліків слід віднести також відносно високий рівень власних шумів і певна конструкторсько-технологічна недосконалість сучасних оптронів. Прилади виготовляють по гібридній технології, при цьому в одному пристрої необхідно досить точно сумістити різнорідні елементи –випромінювач і фотоприймач.

Перераховані недоліки обмежують область використання оптронів, однак по мірі удосконалення матеріалів і технології, вирішення ряду схемотехнічних задач, ці недоліки проявляються уже в меншій мірі.

 

Класифікація оптронів

При класифікації оптронів враховуються два моменти: тип приймача і конструкційні особливості приладів у цілому. Вибір першої класифікаційної ознаки зумовлений тим, що практично в усіх оптронах на вході розміщений світлодіод і функціональні можливості приладу визначаються вихідними характеристиками фотоприймача.

Другою ознакою є конструктивне виконання, яке визначає специфіку використання оптрона. Розглянемо для прикладу просту діодну оптопару, яку використовують як елемент гальванічної розв¢язки. Якщо у її конструкції створити повітряний проміжок між випромінювачем і фотоприймачем, то прилад може бути використаний (і використовується) для зчитування інформації з першоносіїв у різних фотозчитуючих пристроях. Якщо ж випромінювач і фотодіод з¢єднати гнучким довгим волоконним світлопроводом, то оптрон стає аналогом електричного кабеля. У цих прикладах зміна конструкції оптрона (при тій самій електричній схемі) приводить до кардинальної зміни його функціонального призначення.

За ступенем складності структурної схеми оптрона і типу оптичного каналу розрізняють такі класи оптронів:

1) оптопари (елементарні оптрони) – оптрони, які складаються з випромінювача і фотоприймача, між якими є оптичний зв¢язок і забезпечена електрична ізоляція;

2) оптоелектронні інтегральні мікросхеми (ОІС) – інтегральні мікросхеми, які містять у своєму складі одну або декілька оптопар;

3) спеціальні оптрони, що містять випромінювач (або випромінювачі) та фотоприймач (або фотоприймачі) і мають особливу конструкцію оптичного каналу.

За загальною класифікацією виробів електроніки оптопари належать до класу напівпровідникових приладів, а оптронні мікросхеми – до класу гібридних інтегральних схем. В основу класифікації оптопар покладений тип фотоприймача. При цьому розрізняють резисторні (R), діодні (D), транзисторні (T) і теристорні (Y) оптопари (рис. 2). Спеціальні оптрони відрізняються видом оптичного каналу. На рис. 3. приведені позначення оптопар у схемах.

 

Позначення вітчизняних оптронів (за винятком резисторних, які позначаються ОЕП (оптоелектронний прилад), – семизначне: перша буква-матеріал випромінююча, друга (О) – оптрон, третя – тип фотоприймача, далі – трьохзначний порядковий номер і, на кінець, буква, яка визначає групу. Наприклад, АОД 101 Б – діодна оптопара з арсенідогалієвим випромінювачем, порядковий номер 101, група Б; аналогічно АОТ 110 А і АОУ 103 В означають транзисторну і теристорну оптопари.

Основним випромінювачем сучасних оптопар є інжекційний світлодіод. У майбутньому – для створення надшвидкісних оптопар (t_пер »10^-9¸10^-10 с) і потужних оптопар з протяжним оптичним каналом – використання напівпровідникових лазерів, які характеризуються великою швидкістю і високою направленістю випромінювання, може виявитися доцільним і економічно виправданим. Якість оптрона у значній мірі залежить від ефективності передачі енергії від джерела до фотоприймача (ФП), тобто від властивостей оптичного каналу. Для зменшення втрат на відбивання необхідно створити імерсійну систему, у якій показники заломлення n оптичного середовища і матеріалів випромінювача і ФП були б однакові. Така задача принципово розв’язується, оскільки у основних напівпровідниках матеріалів, які використовуються для створення оптопар, значення n близькі.

 

 

Найбільш розповсюдженими типами ФП у сучасних оптронах є p- і n- фотодіоди, фоторезистори і фототиристори. Кремнієві фотодіоди є хорошими фотоприймачами, однак для отримання вихідних сигналів потрібної амплітуди необхідно доповнювати фотодіод підсилювачем. Підвищувати коефіцієнт підсилення шляхом використання зовнішніх по відношенню до корпусу оптрона елементів неефективно, так як збільшуються габарити системи. Доцільніше помістити підсилювач всередині корпусу оптрона. Це можна здійснити двома способами. Перший спосіб використовує гібридну технологію, яка допускає роздільне узгодження фотодіода і підсилювача і, як наслідок цього, добрі оптичні і електричні параметри оптрона. Другий спосіб – інтегральний – знижує вартість виготовлення оптрона, але дає гірші параметри.

Існують два способи інтеграції фотоприймача і підсилювача:

1) використання фоторезистора, у якому приймачем випромінювання є колективний перехід;

2) використання фотодіода, фотострум якого підсилюється транзистором, розміщеним на тому ж кристалі.

Фоторезистор технологічно виготовити простіше, але йому властива більш низька швидкодія, ніж інтегральному фотоприймачеві на основі комбінації фотодіод-транзистор.

Широке використання у оптронах отримали складові фототеристори і фототранзистори.

При конструюванні оптопар важливо домогтися того, щоб спектральні характеристики джерел світла і фотоприймачів в оптоелектричних колах були узгоджені, що означає певний ступінь їх перекриття. Так, кремнієвий p- i n- фотодіод по спектру і швидкодії добре узгоджується з світлодіодами на основі GaAs:Zn, GaAlAs, GaAsP, а кремнієві фототранзистори і фототеристори – з GaAlAs i GaAs:Si – випромінювачами. У якості матеріалу фоторезисторів широко використовують CdS i CdSe, які добре узгоджуються по спектру з випромінювачами на основі GaP i GaAsP. Слід відмітити, що швидкодія фотоприймача найчастіше обмежує швидкодію усієї оптопари.