EUPO Лекции - Глава 1 - оптрон
1.14. ЕЛЕМЕНТИ ПО ИЗБОР
Оптронитеса оптоелектронни устройства, които имат излъчватели и фотодетектори и които използват оптични и електрически връзки и които са структурно комбинирани помежду си. Някои разновидности на оптрони се наричат оптрониилиоптоизолатори.
Принципът на действие на всеки оптрон се основава на двойно преобразуване на енергия. В излъчвателите енергията на електрическия сигнал се преобразува в оптично лъчение, а във фотодетекторите, напротив, оптичният сигнал предизвиква електрически ток или напрежение или води до промяна в неговото съпротивление. Най-разпространените оптрони с външни електрически входни и изходни сигнали и вътрешни оптични сигнали, фиг. 1.70. В електрическата верига такова устройство изпълнява функцията на изходен елемент - фотодетектор с едновременна електрическа изолация (галванична изолация) на входа и изхода. Емитерът е източник на фотони, който може да се използва като светодиод или миниатюрна лампа с нажежаема жичка. Оптичната среда може да бъде въздух, стъкло, пластмаса или оптично влакно. Като фотодетектори се използват фотодиоди, фототранзистори, фототиристори и фоторезистори. Много често се използват интегрирани фотодиодно-транзисторни структури. Различните комбинации от тези елементи правят възможно получаването на много разнообразни входни, изходни и трансферни характеристики.
От конструктивна и технологична гледна точка емитерът и фотодетекторът са равнопоставени. Ефективността на преобразуване на мощността и животът на оптрона се определят главно от емитера. При разработването на емитер за оптрон, основната трудност се състои в оптимизирането на съвпадението с фотодетектора. към параметрите, които трябва да бъдатоптимизациите включват усилване, честотна лента, размери на оптичния прозорец, електрически характеристики. Тъй като е желано ниско серийно съпротивление, емитеритеGaAsса най-добрият избор. Изискванията за вида на оптичния прозорец на емитера на оптрона и конвенционалния светодиод се различават значително един от друг. Светодиодите са изработени с пръстеновидна излъчваща площ на обекта, за да се получи високо съотношение на видимата към действителната излъчваща площ. За оптрон, излъчващата зона трябва да е толкова малка, колкото е съвместима с допустимата плътност на тока, а подложката трябва да бъде поставена така, че да минимизира затъмняването на излъчващата област. Това осигурява по-добра връзка с приемника. Малкият размер на излъчващата област позволява да се намалят безполезните загуби на ръбове, както на ток, така и на радиация, и да се осигури постоянство на комуникационните условия, независимо от разпространението в празнината и точността на подравняване с чувствителната област на фотодетектора за различни проби от оптрони.
При избора на оптичен носител, неговите изолационни свойства играят решаваща роля, ако разстоянието между излъчвателя и приемника е много малко. Ако разстоянието е достатъчно голямо, като например при използване на оптични влакна, лещи или друга среда (отразяваща или трансмисионна), изолационните свойства стават по-малко важни. Но спектърът на предаване е от голямо значение, особено ако се използват пластмаси. Повечето оптрони използват антирефлексни покрития, за да намалят загубите на отражение на Fresnel от повърхностите на излъчвателя и приемника. В същото време се създава изолация, тъй като материалите за покритие не са проводници на електрически ток. В много видове оптрони, за да се създаде добра изолация между излъчвателя иПриемникът използва слой от прозрачен флуоропластичен филм. Оптичната изолация ви позволява да имате устройство, което осигурява оптична комуникация между сигналите на две отделни електронни вериги, въпреки факта, че последните са галванично изолирани. Изолационното напрежение на такива устройства може да достигне хиляди волта.
Основните физически предимства на оптроните, както беше отбелязано по-горе, поради използването на фотони като носители на информация, са да осигурят много висока електрическа изолация на входа и изхода, еднопосочен информационен поток, липса на обратна връзка от изхода към входа и широка честотна лента.
Предимствата на оптроните включват:
– възможността за безконтактно (оптично) управление на електронни обекти и произтичащото от това разнообразие и гъвкавост на проектните решения за управление;
устойчивостта на оптичните комуникационни канали към електромагнитни полета, което в случай на оптрони с разширен оптичен канал води до висока устойчивост на шум и също така елиминира взаимните смущения;
– възможността за създаване на функционални микроелектронни устройства с фотодетектори, чиито характеристики под действието на оптичното излъчване се променят по зададен (независимо колко сложен) закон;
- разширяване на възможностите за управление на изходния сигнал на оптрона чрез въздействие (включително неелектрически) върху материала на оптичния канал и в резултат на това създаване на различни сензори и устройства за предаване на информация.
Недостатъците включват:
- ниска ефективност поради необходимостта от двойно преобразуване на енергията (електричество-радиация-електричество) и значителна консумация на енергия;
– силна температурна зависимост на параметрите;
- Високособствено ниво на шум;
-конструктивно и технологично несъвършенство, свързано главно с използването на хибридна технология.
Оптроните могат да бъдат класифицирани според основното им функционално предназначение:
- оптрони с външно оптично и вътрешно електрическо свързване, предназначени да усилват за преобразуване на радиация;
– оптрони с вътрешно оптично свързване, използвани като променливи съпротивления;
– електрически свързани оптрони, използвани като ключови елементи.
Според вида на използвания фотодетектор оптроните се разделят на използващи фотодиоди, единични фототранзистори, композитни фототранзистори, фототиристори и фоторезистори. Основните параметри на оптрона включват: коефициент на пренос на ток
Таблица 5.