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 излучателя является управляющей, а цепь фотоприемника — управляемой. Важнейшие достоинства оптронов:

1. Отсутствие электрической связи между входом и выходом и обратной связи между фотоприемником и излу­чателем. Сопротивление изоляции между входом и выходом может достигать 10¹⁴ Ом, а проходная емкость не пре­вышает 2 пФ и в некоторых оптронах снижается до малых долей пикофарада.

2. Широкая полоса частот пропус­ каемых колебаний, возможность переда­ чи сигналов с частотой от нуля до 10¹⁴ Гц.

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

4. Высокая помехозащищенность оптического канала, т. е. его невосприим­ чивость к воздействию внешних элект­ ромагнитных полей.

5. Возможность совмещения в РЭА с другими полупроводниковыми и мик­ роэлектронными приборами.

Недостатки оптронов следующие:

1. Относительно большая потребляемая мощность, из-за того что дважы 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 (в одном приборе объединены источник и приемник излучения, сделанные из разныхполупроводников).

Все эти недостатки устраняются в процессе развития оптронной техники.

Конструктивно в оптронах излуча­тель и приемник излучения помещаются

в корпус и заливаются оптически про­зрачным клеем (рис. 13.16). Для исполь­зования в гибридных микросхемах вы­пущены миниатюрные бескорпусные оптроны. Особую конструкцию имеют оптопары с открытым оптическим кана­лом. У них между излучателем и фото­приемником имеется воздушный зазор (рис. 13.17, а), в котором может переме­щаться светонепроницаемая преграда, например перфолента с отверстиями. С помощью перфоленты можно управ­лять световым потоком. В другом ва­рианте оптопар с открытым каналом световой поток излучателя попадает в фотоприемник, отражаясь от какого-либо объекта (рис. 13.17, б).

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.

На рис. 13.18 схематически изображе­на резисторная оптопара (светодиод и фоторезистор), у которой выходная цепь питается от источника постоянного или переменного напряжения Е и имеет нагрузку R_H. Напряжение 1/_упр, подавае­мое на светодиод, управляет током в

Z 3

Рис. 13.17. Оптопары с¹ открытым оптиче­ским каналом / — излучатель; 2 — фотоприемник; 3 — объект

нагрузке. Цепь управления (цепь излу­чателя) изолирована от фоторезистора, который может быть включен в цепь относительно высокого напряжения, например 220 В.

В качестве параметров резисторных оптопар обычно указываются макси­мальные токи и напряжения на входе и выходе, выходное сопротивление при нормальной работе и так называемое темновое выходное сопротивление (соот­ветствующее темновому току в несколь­ко микроампер при отсутствии входного тока), сопротивление изоляции и макси­мальное напряжение изоляции между входом и выходом, проходная емкость, время включения и выключения, харак­теризующее инерционность прибора. Важнейшие характеристики оптопары — входная вольт-амперная и передаточ­ная. Последняя показывает зависимость выходного сопротивления от входного тока.

Промышленность выпускает рези­сторные оптопары с источником излу­чения в виде ламп накаливания, электро­люминесцентных конденсаторов и свето-диодов. В некоторых оптопарах, пред­назначенных для коммутации, разме­щается несколько фоторезисторов. Ре­зисторные оптопары применяются для автоматического регулирования усиле­ния, связи между каскадами, управле­ния бесконтактными делителями напря­жения, модуляции сигналов, формирова­ния различных сигналов и т. д.

Диодные оптопары (рис. 13.19, а) име­ют обычно кремниевый фотодиод и инфракрасный арсенидо-галлиевый све-тодиод. Фотодиод может работать в фотогенераторном режиме, создавая фо-то-ЭДС до 0,8 В, или в фотодиодном режиме. Диоды изготовляют по планар-но-эпитаксиальной технологии. Для по­вышения быстродействия применяют фотодиоды типа p — i — n.

Основные параметры диодных опто­пар — входные и выходные напряжения и токи для непрерывного и импульс­ного режима, коэффициент передачи тока, т. е. отношение выходного тока к входному, время нарастания и спада выходного сигнала, а также другие ве­личины, аналогичные параметрам рези-сторных оптопар. Коэффициент передачи трка обычно составляет лишь единицы процентов, а время нарастания и спада для р— i — n-фотодиодов может быть сни­жено до нескольких наносекунд. Свой­ства диодных оптопар отображаются входными и выходными вольт-ампер­ными характеристиками и передаточ­ными характеристиками для фотогенера­торного и фотодиодного режима.

Многоканальные диодные оптопары имеют в одном корпусе несколько оп­топар. Масса оптопары составляет при­мерно один грамм или десятые доли грамма. Оптопары оформлены в метал-лостеклянном корпусе, а для гибридных микросхем выпускаются бескорпусные оптопары.

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. 13.19,6).

Транзисторные оптопары (рис. 13.19,в) имеют обычно в качестве излучателя арсенидо-галлиевый светодиод, а прием­ника излучения — биполярный кремние­вый фототранзистор типа п — р — п. Ос­новные параметры входной цепи таких оптопар аналогичны параметрам диод­ных оптопар. Дополнительно указыва­ются максимальные токи, напряжения и мощность, относящиеся к выходной цепи, темновой ток фототранзистора, время включения и выключения, пара­метры, характеризующие изоляцию входной цепи от выходной. 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.

Для повышения чувствительности в оптопаре может быть использован со­ставной транзистор (рис. 13.19, г) или фотодиод с транзистором (рис. 13.19, д). Оптопары с составным транзистором обладают наибольшим коэффициентом передачи тока, но наименьшим быстро­действием, а наибольшее быстродей ствие характерно, для диодно-транзи-сторных оптопар.

Рис. 13.19. Различные типы оптопар

ствие характерно, для диодно-транзи-сторных оптопар.

В качестве приемника излучения в оптопарах применяются также однопе-реходные транзисторы (рис. 13.19, ё). Такие оптопары обычно используются для ключевых схем, например для управ­ляемых релаксационных генераторов, создающих импульсы прямоугольной формы. Однопереходный фототранзи­стор универсальный: его можно ис­пользовать как фоторезистор, если не включен эмиттерный переход, или как фотодиод, если включен только один этот переход.

Разновидность транзисторных опто­пар — оптопары с полевым фототран­зистором (рис. 13.19, ж). Они отлича­ются хорошей линейностью выходной вольт-амперной характеристики в ши­роком диапазоне напряжений и токов и поэтому удобны для аналоговых схем.

Тиристорные оптопары имеют в ка­честве фотоприемника кремниевый фо­тотиристор (рис. 13.19, з) 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 ти-ристорных 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 и 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. Кроме ряда параметров, аналогичных параметрам обычных оп­топар, для ОЭ ИМС еще характерны входные и выходные токи и напряжения, соответствующие логическим единице и нулю, время задержки включения и выключения, напряжение источника пи­тания и потребляемый ток.

Существуют типы оцтронов, напри­мер с оптическим входом и выходом, служащие для преобразования световых сигналов, индикаторные ОЭ ИМС с несколькими встроенными светодиодами или с сегментным светодиодным инди­катором. Техника оптоэлектронных при­боров весьма перспективна и непре­рывно развивается.