Оптопары. 
Электроника

Оптопарой называется прибор, содержащий в общем корпусе фотоприемник и излучатель, между которыми осуществляется электрическое и/или оптическое взаимодействие. Оптическое взаимодействие реализуется посредством оптического канала. Оптический канал либо выполняется в виде световода, передающего энергию непосредственно от излучателя к приемнику, либо изготавливается из материала, оптические свойства которого могут изменяться при внешних воздействиях (управляемый оптический канал). Иногда между приемником и излучателем отсутствует какой-либо материал и излучение распространяется через воздушный или вакуумный промежуток.

Прибор, в котором помимо излучателя, фотоприемника и оптической среды в едином корпусе размещаются и дополнительные микроэлектронные или оптические элементы, в том числе и другие оптопары, называется оптроном. Различают три основные разновидности оптронов: оптопара с прямой оптической и разорванной электрической связью (рис. 16.29, а), оптрон с прямой электрической и разорванной оптической связью (рис. 16.29, б), оптрон с электрической и оптической связями (рис. 16.29, в). На рис. 16.29 обозначено: ФП — фотоприемник; И — излучатель; УС — устройство связи. Оптопары используются чаще всего в качестве элемента практически идеальной гальванической развязки и подробно будут рассмотрены ниже. Второй тип оптрона выполняет роль преобразователя параметров светового сигнала, т. е. осуществляет усиление, преобразования спектра и поляризации, а также конверсию некогерентного излучения в когерентное и т. д. При использовании многоэлементных фотоприемников можно получить и преобразование изображений. Третий тип оптронов, имея цепь обратной связи (ОС, см. рис. 16.29, в), мо;

Рис. 16.29.

Рис. 16.30.

жет выступать в качестве регенеративного устройства и производить усиление, частичное или полное восстановление входного сигнала. В таких оптронах возможны самые различные сочетания оптических и электрических входных и выходных сигналов.

Рассмотрим более подробно простейший вид оптронов — оптопары. Они обладают идеальной гальванической развязкой, большой широкополосностью, простотой конструкции, технологической, эксплуатационной и функциональной совместимостью с интегральными микросхемами.

Наибольшее распространение получили оптопары, в которых в качестве фотоприемников используются: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы и фототиристоры. Оптопары получили название по типу приемника: например, резисторная (рис. 16.30, а), диодная (рис. 16.30,6), транзисторная (рис. 16.30, в), тиристорная (рис. 16.30, г). Существует достаточно много конструктивных форм изготовления оптопар. На рис. 16.31, а приведено устройство так называемой «панельной» оптопары с расположением активных элементов в одной плоскости (2 — излучатель, 2 — фотоприемник, 3 — оптическая среда, 4 — микросхема). Эта конструкция позволяет использовать широко применяемое в микроэлектронике оборудование для монтажа кристаллов, припайки выводов. Наиболее перспективны монолитные оптопары в виде интегрированной твердотельной структуры. Пример устройства такой оптопары приведен на рис. 16.31, б (2 — светодиод; 2 — оптический канал из СаА1Аз; 3 — фотодиод). Однако в настоящее время характеристики таких приборов имеют невы;

Рис. 16.31.

сокие надежность и устойчивость к внешним воздействиям, плохие светопередачу и совместимость используемых материалов и т. д. Кроме того, в большинстве конструкций монолитных оптопар выводы располагаются с разных сторон кристалла и на различных уровнях, поэтому при их монтаже требуется специальное нестандартное оборудование.

В последние годы началось производство специфического вида оптронов — волстронов — приборов, в которых излучатель и фотоприемник жестко связаны друг с другом отрезком длинного (от десятков см до нескольких метров) волоконно-оптического кабеля. Такие оптроны очень эффективны для применения в высоковольтной и мощной аппаратуре, в установках с повышенной опасностью для работы обслуживающего персонала и т. д. Волстроны дешевы, обладают хорошей передаточной характеристикой, высокой надежностью и т. д.

Широкое распространение получили оптоэлектронные схемы, включающие оптопары и микросхемы. Например, оптоэлектронный переключатель состоит из диодной оптопары и ключевого усилителя. Такое сочетание позволяет добиться полного согласования по уровню сигналов со стандартными логическими микросхемами. Существует достаточное разнообразие оптоэлектронных микросхем, находящих применение в различных областях.

Принцип работы оптопары можно пояснить, используя прибор, представленный на рис. 16.31,6. Предположим, на вход оптопары «Вх» поступает импульс тока /_вх или напряжения 1/_вх, который преобразуется светоизлучателем 1 в импульс светового потока. Излучение проходит через оптическую среду (канал) 2 ив фотоприемнике 3 преобразуется в электрический сигнал. Исходный сигнал, претерпевая двойное преобразование, испытывает некоторые искажения, которые должны быть минимальны.

Гальваническая развязка входной цепи «Вх» и выходной «Вых» достигается за счет оптически прозрачной диэлектрической среды между приемником и излучателем, которые должны быть оптически согласованы. Спектральное согласование светоизлучателя и фотоприемника реализуется соответствующим выбором их материалов. В качестве светоизлучателей в оптопарах используются преимущественно светодиоды. Применение оптических квантовых генераторов (лазеров) оправдано в быстродействующих устройствах.

Для оценки свойств оптронов используются следующие параметры, определяющие характеристики излучателей, фотоприемников, оптического сигнала и электронных устройств:

" 5_И — эффективность излучателя, зависящая от типа прибора, режима возбуждения, температуры ит.д., Вт/А; 5_ф — чувствительность фотоприемника с учетом внутреннего усиления, А/Вт; К_опт — передаточный коэффициент оптического канала; К_у — передаточный коэффициент электронной схемы связи, в том числе и обратной, осуществляющей взаимодействие приемника и излучателя.

При расчетах оптронов в зависимости от режима работы применяются как дифференциальные, так и интегральные параметры.

Одним из основных параметров оптронов является коэффициент передачи по какому-либо параметру. Для оптопары это может быть коэффициент передачи по току, представляющий собой отношение выходного и входного токов:

Используя значения 8_и и 5_ф, рассмотренные при описании излучателей и фотоприемников, и зная коэффициент передачи оптического канала (среды), нетрудно рассчитать общий коэффициент передачи оптопары.

Для регенеративного оптрона обычно рассматривают коэффициент регенерации оптрона К_рсг. Этот параметр характеризует изменение величины сигнала при прохождении замкнутой системы приемник—излучатель—устройство связи:

где 8 — чувствительность устройства связи.

В регенеративном оптроне при К_рег 1 может возникнуть генерация, т. е. вся система становится неустойчивой. Из-за двукратного преобразования энергии в этом типе оптронов (например, оптический сигнал сначала преобразуется в электрический и затем электрический в оптический) КПД мал.

Для диодных и транзисторных оптопар, применяемых в цифровых системах передачи информации, используют комбинированный параметр (параметр качества), представляющий собой отношение коэффициента передачи по току К₁ к времени задержки распространения сигнала *_зд, т. е. К₁Ц^_д = К (с^-1). Диодные оптопары имеют лучший параметр качества К < 10⁷с^-1 по сравнению с транзисторными, но очень низкий коэффициент К₁

0,02…0,03), и поэтому после диодных оптопар требуется дополнительное усиление выходного сигнала, как правило, с использованием микросхем.

Транзисторные и тиристорные оптопары, применяемые для оптической коммутации сильноточных высоковольтных цепей, имеют в качестве критерия качества коэффициент передачи по мощности, определяемый как отношение мощности в выходной цепи к мощности на входе. Этот параметр принимает значения 10⁶…10⁷. Времена переключения тиристорных и транзисторных пар имеют типичные значения от 1 до 50 мкс.

Резисторные оптопары характеризуются выходным сопротивлением, которое может изменяться на 7—8 порядков в зависимости от режима во входной цепи. Этот вид оптопар наиболее распространен в аналоговых устройствах. Недостаток резисторных оптопар — их низкое быстродействие и нестабильность параметров при изменении температуры.

При анализе цепей оптопара представляется обычно четырехполюсником. В оптроны с управляемым оптическим каналом между излучателем и фотоприемником помещается электрооптический или магнитооптический элемент, светопропускание которого регулируется электрически. Такой оптрон представляет собой шестиполюсник с двумя двухполюсными входами (по цепи излучателя и по цепи управления оптическим каналом) и одним двухполюсным выходом.