Оптроны

Оптрон – это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в световые, которые воздействуют на фотоприемник и создают в нем снова электрические сигналы. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник излучения, то его называют оптопарой или элементарным оптроном. Микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар с дополнительными согласующими и усилительными устройствами, называется оптоэлектронной интегральной микросхемой. На входе и выходе оптрона всегда имеются электрические сигналы, а связь входа с выходом осуществляется световыми сигналами. Цепь излучатель является управляющей, а цепь фотоприемника – управляемой.

Конструктивно в оптронах излучатель и приемник излучения помещаются в корпус и заливаются оптически прозрачным клеем (рис.4.14).

Важнейшие достоинства оптронов:

1. Отсутствие электрической связи между входом и выходом и обратной связи между фотоприемником и излучателем.

2. Широкая полоса частот пропускаемых колебаний, возможность передачи сигналов с частотой от 0 до 10¹⁴ Гц.

3. Возможность управления выходными сигналами путем воздействия на оптическую часть.

4. Высокая помехозащищенность оптического канала, т.е. его невосприимчивость к воздействию внешних электромагнитных полей.

5. Возможность совмещения в РЭА с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.

Недостатки оптронов следующие:

1. Относительно большая потребляемая мощность, из-за того, что дважды происходит преобразование энергии, причем КПД этих преобразований невысок.

2. Невысокая температурная стабильность и радиационная стойкость.

3. Заметное «старение», т.е. ухудшение параметров с течением времени.

4. Сравнительно высокий уровень собственных шумов.

5. Необходимость применения гибридной технологии вместо более удобной и совершенной планарной технологии (в одном приборе объединены источник и приемник излучения, сделанные из разных полупроводников).

Рассмотрим различные типы оптопар, отличающиеся друг от друга фотоприемниками.

Резисторные оптопары имеют в качестве излучателя сверхминиатюрную лампочку накаливания или светодиод, дающий видимое или инфракрасное излучение. Приемником излучения является фоторезистор из селенида кадмия или сульфида кадмия для видимого излучения, а для инфракрасного – из селенида или сульфида свинца. Фоторезистор может работать как на постоянном, так и на переменном токе. Для хорошей работы оптопары необходимо согласование излучателя и фоторезистора по спектральным характеристикам. Схема включения резисторной оптопары изображена на рис.4.15.

Диодные оптопары (рис.4.16,а) имеют обычно кремниевый фотодиод и инфракрасный арсенидо-галлиевый светодиод. Фотодиод может работать в фотогенераторном режиме, создавая фото-ЭДС до 0,8В, или в фотодиодном режиме. Диоды изготовляют по планарно-эпитаксиальной технологии. Для повышения быстродействия применяют фотодиоды типа p-i-n.

Применение диодных оптопар весьма разнообразно. Например, на основе диодных оптопар создаются импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток. Оптопары используются для передачи сигналов между блоками сложной РЭА, для управления работой различных микросхем, особенно микросхем на МДП-транзисторах, у которых входной ток очень мал. Разновидность диодных оптопар – оптопары, в которых фотоприемником служит фотоварикап (рис.4.16,б).

Транзисторные оптопары (рис.4.16,в) имеют обычно в качестве излучателя арсенидно-галлиевый светодиод, а приемника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор типа n-p-n. Основные параметры входной цепи таких оптопар аналогичны параметрам диодных оптопар. Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле и во многих других случаях.

Тиристорные оптопары имеют в качестве фотоприемника кремниевый фототиристор (рис.4.16,г) и применяются в ключевых режимах. Основная область использования – схемы для формирования мощных импульсов, управления мощными тиристорами, управления и коммутации различных устройств с мощными нагрузками. Параметры тиристорных оптопар – входные и выходные токи и напряжения, соответствующие включению, рабочему режиму и максимальным допустимым режимам, а также время включения и выключения, параметры изоляции между входной и выходной цепями.

Оптоэлектронные интегральные микросхемы (ОЭ ИМС) имеют оптическую связь между отдельными узлами или компонентами. В этих микросхемах, изготовляемых на основе диодных, транзисторных, тиристорных оптопар, кроме излучателей и фотоприемников содержатся еще устройства для обработки сигналов, полученных от фотоприемника. Особенность ОЭ ИМС – однонаправленная передача сигнала и отсутствие обратной связи.

Различные ОЭ ИМС используются главным образом в качестве переключателей логических и аналоговых сигналов, реле и схем цифро-буквенной индикации.