Реферат: Оптроны и их применение - текст реферата. Скачать бесплатно.
Банк рефератов, курсовых и дипломных работ. Много и бесплатно. # | Правила оформления работ | Добавить в избранное
 
 
   
Меню Меню Меню Меню Меню
   
Napishem.com Napishem.com Napishem.com

Реферат

Оптроны и их применение

Банк рефератов / Радиоэлектроника

Рубрики  Рубрики реферат банка

закрыть
Категория: Реферат
Язык реферата: Русский
Дата добавления:   
 
Скачать
Архив Zip, 344 kb, скачать бесплатно
Заказать
Узнать стоимость написания уникального реферата

Узнайте стоимость написания уникальной работы

19 СОДЕРЖАНИЕ : 1. Введение. 2 1.1. Основные определения. 2 1.2. Отличительные особенности оптронов. 2 1.3. Обобщенная структурная схема. 3 1.4. Применение. 4 1.5. История. 5 2. Физические основы оптронной техники. 6 2.1. Элементная база и устройство оптронов. 6 2.2. Физика преобразования энергии в диодном оптроне. 7 3. Параметры и характеристики оптопар и оптоэлектронных интегральных микросхем. 13 3.1. Классификация параметров изделий оптронной техники. 13 3.2. Диодные оптопары. 14 3.3. Транзисторные и тирис торные оптопары. 15 3.4. Резисторные оптопары. 15 3.5. Дифференциальные оптопары. 15 3.6. Оптоэлектронные микросхемы. 16 4. Сферы применения оптронов и оптронных микросхем. 16 4.1. Передача информации. 17 4.2. Получение и отображе ние информации. 18 4.3. Контроль электрических процесов. 18 4.4. Замена электромеханических изделий. 19 4.5. Энергетические функции. 19 5. Литература. 19 1. ВВЕДЕНИЕ 1.1 Основные определения. Оптронами называют такие опто электронные приборы , в которых имеются источник и приемник излучения (светоизлучатель и фотоприемник ) с тем или иным видом оптической и электрической связи между ними , конструктивно связанные друг с другом . Принцип действия оптронов любо го вида основан на следующем . В излучателе энергия электрического сигнала преобразуется в световую , в фотоприемнике , наоборот , световой сигнал вызывает электрический отклик. Практически распространение получили лишь оптроны , у которых и меется прямая оптическая связь от излучателя к фотоприемнику и , как правило , исключены все виды электрической связи между этими элементами. По степени сложности структурной схемы среди изделий оптронной техники выделяют две группы приборо в . Оптопара (говорят также “элементарный оптрон” ) представляет собой оптоэлектронный полупроводниковый прибор , состоящий из излучающего и фотоприемного элементов , между которыми имеется оптическая связь , обеспечивающая электричес к ую изоляцию между входом и выходом . Оптоэлектронная интегральная микросхема представляет собой микросхему , состоящую из одной или нескольких оптопар и электрически соединенных с ними одного или нескольких согласующих или усилительных уст р ойств. Таким образом в электронной цепи такой прибор выполняет функцию элемента связи , в котором в то же время осуществлена электрическая (гальваническая ) развязка входа и выхода. 1.2 Отличительные особенности оптронов. Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации . Основные из них следующие : - возможность обеспечения идеальной электрической (гальванической );развязки между входом и выходом ; для оптронов не существует каких-либо принципиальных физических или конструктивных ограничений по достижению сколь угодно высоких напряжений и сопротивлений развязки и сколь угодно малой проходной емкости ; - возможность реализац ии бесконтактного оптического управления электронными объектами и обусловленные этим разнообразие и гибкость конструкторских решений управляющих цепей ; - однонаправленность распространения информации по оптическому каналу , отсутствие о братной реакции приемника на излучатель ; - широкая частотная полоса пропускания оптрона , отсутствие ограничения со стороны низких частот (что свойственно импульсным трансформаторам ); возможность передачи по оптронной цепи как импульсного сигнала , так и постоянной составляющей ; - возможность управления выходным сигналом оптрона путем воздействия (в том числе и неэлектрического ) на материал оптического канала и вытекающая отсюда возможность создания разнообразных датчик ов , а также разнообразных приборов для передачи информации ; - возможность создания функциональных микроэлектронных устройств с фотоприемниками , характеристики которых при освещении изменяются по сложному заданному закону ; - невосприи мчивость оптических каналов связи к воздействию электромагнитных полей , что в случае “длинных” оптронов (с протяженным волоконно-оптическим световодом между излучателем и приемником ) обусловливает их защищенность от помех и утечки инфо р мации , а также исключает взаимные наводки ; - физическая и конструктивно-технологическая совместимость с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами. Оптронам присущи и определенные недостатки : - значительная потребляемая мощно сть , обусловленная необходимостью двойного преобразования энергии (электричество - свет - электричество ) и невысокими КПД этих переходов ; - повышенная чувствительность параметров и характеристик к воздействию повышенной температуры и проникающей ядерной радиации ; - более или менее заметная временная деградация (ухудшение ) параметров ; -относительно высокий уровень собственных шумов , обусловленный , как и два предыдущих недостатка , особенностями физики светодиодов ; - сложность реализации обратных связей , вызванная электрической разобщенностью входной и выходной цепей ; - конструктивно-технологическое несовершенство , связанное с использованием гибридной непланарной технологии , (с необходимостью объединения в одном приборе нескольких - отдельных кристаллов из различных полупроводников , располагаемых в разных плоскостях ). Перечисленные недостатки оптронов по мере совершенствования мате риалов , технологии , схемотехники частично устраняются , но тем не менее еще длительное время будут носить достаточно принципиальный характер . Однако их достоинства столь высоки , что обеспечивают уверенную внеконкурентность оптронов среди друг и х приборов микроэлектроники. 1. 1.3 Обобщенная структурная схема (рис . 1.1). Рис 1.1. Обобщенная структурная схема оптрона. Как элемент связи оптрон характеризуется коэффициентом передачи К i , определяемым отношением выходного и входного сигналов , и максимальной скоростью передачи информации F . Практически вместо F измеряют длительности нарастания и спада передаваемых импульсов t нар ( сп ) или граничную частоту . Возможности оптрона как элемента гальванической развязки характеризуются максимальным н апряжением и сопротивлением развязки U разв и R разв и проходной емкостью C разв . В структурой схеме рис . 1.1 входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например , смещения светодиода на линейный уч асток ватт-амперной характеристики ) и преобразования (усиления ) внешнего сигнала . Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования , высоким быстродействием , широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем ), малым значением “порогового” входного тока , при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи. Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику , а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции. Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды , например с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов , отражена введе нием в схему устройства управления , В этом случае мы получаем оптрон с управляемым оптическим каналом , функционально отличающийся от “обычного” оптрона : изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу , так и по цепи управления . В фотоприемнике происходит “восстановление” информационного сигнала из оптического в электрический ; при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие. Након ец , выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму , удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады . Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала , так как пот е ри после двойного п peобразования очень значительны . Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник (например , фототранзистор ). Общая структурная схема рис . 1.1 реализуется в каждом конкретном приборе лишь частью блоков . В со ответствии с этим выделяют три основные группы приборов оптронной техники ; ранее названные оптопары (элементарные оптроны ), использующие блоки светоизлучатель - оптическая среда - фотоприемник ; оптоэлектронные (оптронные ) микросхемы (опт о пары с добавлением выходного , а иногда и входного устройства ); специальные виды оптронов - приборы , функционально и конструктивно существенно отличающиеся от элементарных оптронов и оптоэлектронных ИС Реальный оптрон может быть устроен и сл ожнее , чем схема на рис . 1.1; каждый из указанных блоков может включать в себя не один , а несколько одинаковых или подобных друг другу элементов , связанных электрически и оптически , однако это не изменяет существенно основ физики и электроники оптрона. 1.4 Применение. В качестве элементов гальванической развязки оптроны применяются : для связи блоков аппаратуры , между которыми имеется значительная разность потенциалов ; для защиты входных цепей измерительных устройств от помех и на водок ; и т.д. Другая важнейшая область применения оптронов - оптическое , бесконтактное управление сильноточными и высоковольтными цепями . Запуск мощных тиристоров , триаков , симисторов , управление электромеханическими релейными устройствами Специфическую группу управляющих оптронов составляют резисторные оптроны , предназначенные для слаботочных схем коммутации в сложных устройствах визуального отображения информации , выполненных на электролюминесцентных (порошковых ) ин дикаторах , мнемосхемах , экранах. Создание “длинных” оптронов (приборов с протяженным гибким волоконнооптическим световодом ) открыло совершенно новое направление применения изделий оптронной техники - связь на коротких расстояниях . Различные оптроны (диодные , резисторные , транзисторные ) находят применение и в чисто радиотехнических схемах модуляции , автоматической регулировки усиления и др . Воздействие по оптическому каналу использует ся здесь для вывода схемы в оптимальный рабочий режим , для бесконтактной перестройки режима и т . п. Возможность изменения свойств оптического канала при различных внешних воздействиях на него позволяет создать целую серию оптронных датчиков : таковы датчики влажности и загазованности , датчика наличия в объеме той или иной жидкости , датчики чистоты обработки поверхности предмета , скорости его перемещения и т . п. Достаточно специфическим является использование оп тронов в энергетических целях , т . е . работа диодного оптрона в фотовентильном режиме . В таком режиме фотодиод генерирует электрическую мощность в нагрузку и оптрон до определенной степени подобен маломощному вторичному источнику пита н ия , полностью развязанному от первичной цепи ; Создание оптронов с фоторезисторами , свойства которых при освещении меняются по заданному сложному закону , позволяет моделировать математические функции , является шагом на пути создания функцион альной оптоэлектроники. Универсальность оптронов как элементов гальванической развязки и бесконтактного управления , разнообразие и уникальность многих других функций являются причиной того , что сферами применения этих приборов стали вычислительная техника , автоматика , связная и радиотехническая аппаратура , автоматизированные системы управления , измерительная техника , системы контроля и регулирования , медицинская электроника , устройства визуального отображения информации. 1.5 История Ид ея создания и применения oптронов относится к 1955 г ., когда в работе Loebner E. E. “ Opto-electronic devices network” была предложена целая серия приборов с оптическими и электрическими связями между элементами , что позволяло осуществлять усиление и с п ектральное преобразование световых сигналов , создавать приборы с двумя устойчивыми состояниями - бистабильные оптроны , оптоэлектронные устройства накопления и хранения информации логические схемы , регистры сдвига . Там же был предложен и т е рмин “оптрон” , образованный как сокращение от английского “ optical-electronic device”. Описанные в этой работе оптроны , отлично иллюстрируя принципы , оказались непригодными для промышленной реализации , так как основывались на несовершенной элем ентарной базе - неэффективных и инерционных порошковых злектролюминесцентных конденсаторах (излучатель ) и фоторезисторах (приемник ). Несовершенны были и важнейшие эксплуатационные характеристики приборов : низкотемпературная и временная стабильно с ть параметров , недостаточная устойчивость к механическим воздействиям . Поэтому . на первых порах оптрон оставался лишь интересным научным достижением не находящим применения в технике. Лишь в середине 60-х годов развития полупроводниковых светоизлучаю щих диодов и технологически совершенных высокоэффективных быстродействующих кремниевых фотоприемников с р - n-переходами (фотодиоды и фототранзисторы ) начала создаваться элементарная база современной оптронной техники . К началу 70-х годов производств о оптронов в ведущих странах мира превратилось в важную и быстро развивающуюся отрасль электронной техники , успешно дополняющую традиционную микроэлектронику. 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПТРОННОЙ ТЕХНИКИ 2.1. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА И УСТРОЙСТВО ОПТРОНОВ Элемен тную основу оптронов составляют фотоприемники и излучатели , а также оптическая среда между ними . Ко всем этим элементам предъявляются такие общие требования , как малые габариты и масса , высокая долговечность и надежность , устойчивость к механическим и климатическим воздействиям , технологичность , низкая стоимость . Желательно также чтобы элементы прошли достаточно широкую и длительную промышленную апробацию. Функционально (как элемент схемы ) оптрон характеризуется в п ервую очередь тем , какой вид фотоприемника в нем используется. Успешное использование фотоприемника в оптроне определяется выполнением следующих основных требований : эффективность преобразования энергии квантов излучения в энергию подвижных э лектрических ; наличие и эффективность внутреннего встроенного усиления ; высокое быстродействие ; широта функциональных возможностей. В оптронах используются фотоприемники различных структур , чувствительные в видимой и ближней инфракрасной области , так к ак именно в этом диапазоне спектра имеются интенсивные источники излучения и возможна работа фотоприемников без охлаждения. Наиболее универсальными являются фотоприемники с р - n-переходами (диоды , транзисторы и т , п .), в подавляющем большинстве случаев они изготовляются на основе кремния и область их максимальной спектральной чувствительности находится вблизи l =0 ,7...0,9мкм. Многочисленные требования предъявляются и к излучателям оптронов . Основные из них : спектральное согласование с выбранным фотоприемником ; высокая эффективность преобразования энергии электрического тока в энергию излучения ; преимущественная направленность излучения ; высокое быстродействие ; простота и удобство возбуждения и модуляции излучения. Для использования в оптронах пригодны и доступны несколько разновидностей излучателей : - Миниатюрные лампочки накаливания . - Неоновые лампочки , в которых используется свечение электрического разряда газовой смеси неон-аргон. Этим видам излучателей свойственны не высокая светоотдача , низкая устойчивость к механическим воздействиям , ограниченная долговечность , большие габариты , полная несовместимость с интегральной технологией . Тем не менее в отдельных видах оптронов они могут находить применение. - П орошковая электролюминесцентная ячейка использует в качестве светящегося тела мелкокристаллические зерна сульфида цинка (активированного медью , марганцем или другими присадками ),взвешенные в полимеризующемся диэлектрике . При приложении достаточно высо ких напряжений переменного тока идет процесс предпробойной люминесценции. - Тонкопленочные электролюминесцентные ячейки . Свечение здесь связано с возбуждением атомов марганца “горячими” электронами. И порошковые , и пленочные электролюминесцентные ячейки имеют невысокую эффективность преобразования электрической энергии в световую , низкую долговечность (особенно - тонкопленочные ), сложны в управлении (например , оптимальный режим для порошковых люминофоров ~220 В при f =400 ... 800Гц ) . Основное достоинство этих излучателей - конструктивно-технологическая совместимость с фоторезисторами , возможность создания на этой основе многофункциональных , многоэлементных оптронных структур. Основным наиболее универсальным видом излучателя , используемым в оптронах , является полупроводниковый инжекционный светоизлучающий диод - светодиод . Это обусловлено следующими его достоинствами : высокое значение КПД преобразования электрической энергии в оптическую ; узкий спектр излучения (квазимонохроматичность ); широта спектрального диапазона , перекрываемого различными светодиодами ; направленность излучения ; высокое быстродействие ; малые значения питающих напряжений и токов ; совместимость с транзисторами и интегральными схемами ; простота модуляции мощности излучения путем изменения прямого тока ; возможность работы как в импульсном , так и в непрерывном режиме ; линейность ватт-амперной характеристики в более или мен е е широком диапазоне входных токов ; высокая надежность и долговечность ; малые габариты ; технологическая совместимость с изделиями микроэлектроники. Общие требования , предъявляемые к оптической иммерсионной среде оптрона , следующие : высокое значени е показателя преломления n им ; высокое значение удельного сопротивления r им ; высокая критическая напряженность поля Е им кр , достаточная теплостойкость Dq им раб ; хорошая адгезия с кристаллами кремния и арсенида галлия ; эластичность (это необхо димо , так как не удается обеспечить согласование элементов оптрона по коэффициентам термического расширения ); механическая прочность , так как иммерсионная среда в оптопаре выполняет не только светопередающие , но и конструкционные функции ; технологичность (удобство использования , воспроизводимость свойств , дешевизна и т . п .). Основным видом иммерсионной среды , используемой в оптронах являются полимерные оптические клеи . Для них типично n им =1,4... 1,6, r им > 10 12 ... 10 14 Ом см , Е им кр =80 кВ /мм , Dq им раб = - 60 ... 120 C. Клеи обладают хорошей адгезией к кремнию и арсениду галлия , сочетают высокую механическую прочность и устойчивость к термоциклированию . Используются также незатвердевающие вазелиноподобные и каучукоподо бные оптические среды 2.2. ФИЗИКА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ Э HEPГИИ В ДИОДНОМ ОПТРОНЕ Рассмотрение процессов преобразования энергии в оптроне требует учитывать квантовую природу света . Известно , что электромагнитное излучение может быть представлен о в виде потока частиц - квантов (фотонов ), энергия . каждого из которых определяется соотношением ; E ф =h n =hc/n l (2.1) где h - постоянная Планка ; с - скорость света в вакууме ; n - показатель преломления полупроводника ; n , l - частот а колебаний и длина волны оптического излучения. Если плотность потока квантов (т . е . число квантов , пролетающих через единицу площади в единицу в peмени ) равна N ф , то полная удельная мощность излучения составит : P ф = N ф E ф (2.2) и , как видно из (2.1), при заданном N ф она тем больше , чем короче длина волны излучения . Поскольку на практике заданной бывает P ф (энергетическая облученность фотоприемника ), то представляется полезным следующее соотношение N ф = P ф / E ф =5 10 15 l P ф (2.3) Рис .2.1. Энергетическая диаграмма прямозонного полупроводника (на примере тройного соединения GaAsP). где N ф , см -2 с -1 ; l , мкм ; P ф , мВт /см. Механизм инжекционной люминесценции в светодиоде состоит из трех основных процессов : излучательная (и безызлучательная ) рекомбинация в полупроводниках , инжекция избыт очных неосновных носителей заряда в базу светодиода и вывод излучения из области генерации. Рекомбинация носителей заряда в полупроводнике определяется прежде всего его зонной диаграммой , наличием и природой примесей и дефектов , степенью нарушен ия равновесного состояния . Основные материалы оптронных излучателей (GaAs и тройные соединения на его основе GaA1As и GaAsP) относятся к прямозонным полупроводникам т.е . к таким , в которых разрешенными являются прямые оптические переходы зона- з она (рис .2.1.). Каждый акт рекомбинации носителя заряда по этой схеме сопровождается излучением кванта , длина волны которого в соответствии с законом сохранения энергии определяется соотношением l изл [мкм ] =1,23/ E ф [э B] (2.4) Следует отметить , Что имею тся и конкурирующие безызлучательные - механизмы рекомбинации . К числу важнейших из них относятся : 1. Рекомбинация на глубоких центрах . Электрон может переходить в валентную зону не прямо , а через те или иные центры рекомбинации , образующие разрешенные энергетические уровни в запрещенной зоне (уровень E t на рисунке 2.1). 2. Оже-рекомбинация (или ударная ). При очень высоких концентрациях свободных носителей заряда в полупроводнике растет вероятность столкновения трех тел , энергия рекомбинирующей электронно-дырочкой пары при этом отдается третьему свободному носителю в форме кинетической энергии , которую он постепенно растрачивает при соударениях с решеткой . рис .2.2. Электрическая (a) и о птическая (b) модели светодиода. A - оптически “прозрачная” часть кристалла ; B - активная часть кристалла ; C -“непрозрачная” часть кристалла ; D - омические контакты ; E - область объемного заряда. Относительная роль различных механизмов рекомбинации о писывается введением понятия внутреннего квантового выхода излучения h int , определяемого отношением вероятности излучательной рекомбинации к полной (излучательной и безызлучательной ) вероятности рекомбинации (или , иначе , отношением числа генер ированных квантов к числу инжектированных за то же время неосновных носителей заряда ). Значение h int является важнейшей характеристикой материала , используемого в светодиоде ; очевидно , что 0 h int 100%. Создание избыточной концентрации свободных носителей в активной (излучающей ) области кристалла светодиода осуществляется путем инжекции их р - n-переходом , смещенным в прямом направлении. “ Полезной ” компонентной тока , поддерживающей излучательную рекомбинацию в активной области диода , является ток электронов I n (рис .2.2,а ), инжектируемых р - n-переходом . К “ бесполе зным ” компонентам прямого тока относятся : 1. Дырочная составляющая I p , обусловленная инжекцией дырок в n-область и отражающая тот факт , что р - n-переходов с односторонней инжекцией не бывает , Доля этого тока тем меньше чем сильнее легиро вана n-область по сравнению с р-областью. 2. Ток рекомбинации (безызлучательной ) в области объемного заряда р - n-перехода I рек . В полупроводниках с большой шириной запрещенной зоны при малых прямых смещениях доля этого тока может быт ь заметной. 3. Туннельный ток I тун , обусловленный “ просачиванием” носителей заряда через потенциальный барьер . Ток переносится основными носителями и вклада в излучательную рекомбинацию не дает . Туннельный ток тем больше , чем уже р - n-переход , он заметен при сильной степени легирования базовой области и при больших прямых смещениях . 4. Ток поверхностных утечек I пов , обусловленный отличием свойств поверхности полупроводника от свойств объема и наличием тех или иных закорачивающих включений. Эффективность р - n-перехода характеризуется коэффициентом инжекции : (2.5) Очевидно , что пределы возможного изменения g те же , что и у h int , т . е . 0 g 100%. При выводе излучения из области генерации имеют место следующие виды потерь энергии (рис . 2.2,6): 1. Потери на самопоглощение (лучи 1). Если длина волны генерируемых квантов в точности соответствует формуле (2.4), то она совпадает с “ красной границей ” поглощения (см . ниже ), и такое излучение быстро поглощается в толще полупроводника (самопоглощение ).В действительности , излучение в прямозонных полупроводниках идет не по приведенной выше идеальной , схеме . Поэтому длина волны генерируемых квантов несколько больше , чем по (2.4): 2. Потери на полное внутреннее отражение (лучи 2).Известно , что при падении лучей света на границу раздела оптически плотной среды (полупроводник ) с оптически менее плотной (воздух ) для части этих лучей выполняется условие полного внутреннего отражения такие лучи , отразившиеся внутрь кристалла , в конечном счете теряют с я за счет самопоглощения. 3. Потери на обратное и торцевое излучение (луч 3 и 4). Количественно эффективность вывода оптической энергии из кристалла характеризуется коэффициентом вывода К опт определяемым отношением мощности излучения , выходящег о в нужном направлении , к мощности излучения , генерируемой внутри кристалла . Так же , как и для коэффициентов h int и g , всегда выполняется условие 0 К опт 100%. Интегральным показателем излучеательной способности светодиода является величина внешнего квантового выхода h ext . Из сказанного ясно , что h ext = h int g К опт . Перейдем к приемному блоку . Принцип действия используемых в оптронах фотприемников основан на внутреннем фотоэффекте , заключающемся в отрыве электронов от атомов внутри тела под действием электромагнитного (оптического ) излучения. Кванты света , поглощаясь в кристалле, могут вызывать отрыв электронов от атомов как самого полупроводника , так и примеси . В соответствии с этим говорят о собственном (беспримесном ) и примесном поглощении (фотоэффекте ). Поскольку концентр а ция примесных атомов мала , фотоэлектрические эффекты , основанные на собственном поглощении , всегда существеннее , чем основанные на примесном . Все используемые в оптронах фотоприемники “работают” на беспри м есном фотоэффекте . Для того чтобы квант света вызывал отрыв электрона от атома , необходимо выполнение очевидных энергетических соотношений : E ф 1 =h n 1 E c -E v (2.6) E ф 2 =h n 2 E c -E t (2.7) Таким образом , собственный фотоэффект может иметь место лишь при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны , меньшей некоторого значения l гр : l гр =hc/( E c -E v ) 1.23/ E g (2.8) Второе равенство в (2.8) справедливо , если l гр выражено в микрометрах , а ширина запрещенной зоны полупроводника E g - в электроновольтах . Величину l гр н азывают длинноволновой или “красной” границей спектральной чувствительности материала. Интенсивность протекания фотоэффекта (в той спектральной области , где он может существовать ) зависит от квантового выхода , определяемого отношением числа генер ированных пар электрон-дырка к числу поглощенны фотонов . Анализ экспериментальных зависимостей от показывает , что в интересной для оптронов спектральной области b =1 . Образование свободных носителей заряда под действием облучения проявляетс я в полупроводнике в виде двух фотоэлектрических эффектов : фотопроводимости (возрастание проводимости образца при засветке ) и фотовольтаического (возникновение фото-ЭДС на р - n-переходе или другом виде потенциального барьера в полупроводнике при ос в ещении ). Оба эффекта используются в практике конструирования фотоприемников ; для оптронов предпочтительным и доминирующим является использование фото-ЭДС-эффекта. Основные параметры и характеристики фотоприемников (безотносительно к физической природе и конструкции этих приборов ) можно подразделить на несколько групп , К оптическим характеристикам относятся площадь фоточувствительной поверхности , материал , размеры и конфигурация оптического окна ; максимальный и минимальный уровни мощности изл у чения . К электрооптическим - фоточувствительность , степень однородности распределения чувствительности по фотоприемной площадке ; спектральная плотность чувствительности (зависимость параметра , характеризующего чувствительность , от длины волны ); с о бственные шумы фотоприемника и их зависимость от уровня засветки и диапазона рабочих частот ; разрешающее время (быстродействие ); коэффициент качества (комбинированный показатель , позволяющий сопоставлять различные фотоприемники друг с другом ); показа т ель линейности ; динамический диапазон . Как элемент электрической цепи фотоприемник характеризуется прежде всего параметрами его эквивалентной схемы , требованиями к рабочим режимам , наличием (или отсутствием ) встроенного механизма усиления , видом и формой выходного сигнала . Прочие характеристики : эксплуатационные , надежностные , габаритные , технологические - ничего специфически “фотоприемното” не содержат. В зависимости от характера выходного сигнала (напряжение , ток ) говорят о вольтовой или токовой фоточувствительности приемника S , измеряемых соответственно в В /Вт или А /Вт . Линейность (или нелинейность ) фотоприемника определяется значением показателя степени n в уравнении , связывающем выходной сигнал с входным : U вых ( ил и I вых )~P ф . При n 1 фотоприемник линеен ; область значений P ф (от P ф max до P ф min ) , в которой это выполняется , определяет динамический диапазон линейности фотоприемника , выражаемый обычно в децибелах : =10 lg(P ф max /P ф min ). Важнейшим параметром фотоприемника , определяющим порог его чувствительности , является удельная обнаружительная способность D , измеряемая в Вт -1 м Гц 1/2 . При известном значении D порог чувствительности (минимальная фиксируемая мощность излучения ) определяется как P ф min = /D (2.9) где А - площадь фоточувствительной площадки ; - диапазон рабочих частот усилителя фотосигналов . Иными словами , параметр D играет роль коэффициента качества фотоприемника. В применении к оптронам не все перечисленные характеристики оказываются одинаково важными . Как правило , фотоприемники в оптронах работают при облученностях , очень далеких от по роговых , поэтому использование параметров P ф min и D оказывается практически бесполезным . Конструктивно фотоприемник в оптроне обычно , “утоплен” в иммерсионную . среду , соединяющую его с излучателем , поэтому знание оптических характеристик входного окна теряет смысл (как правило , специально такого окна нет ). Не очень важно знать и распределение чувствительности по фоточувствительной площадке , так как интерес представляют интегральные эффекты. Рис . 2.4. Схемы измерения и семейства вольт-амперных характеристик в фотодиодном (а ) и фотовентильном (б ) режимах работы диода. Механизм работы фотоприемников , базирующихся на фотовольтаическом эффекте , рассмотрим на примере планарно-эп итаксиальных фотодиодов с р - n-переходом и с р - i - n-структурой , в которых можно выделить n + - подложку , базу n- или i-типа (слабая проводимость n-типа ) и тонкий р + -слой . При работе в фотодиодном режиме (рис . 2.4,а ) приложенное из вне напряжение заставляет подвижные дырки и электроны уходить от р - n(р - i)-перехода ; при этом картина распределения поля в кристалле оказывается резко различной для двух рассматриваемых структур. Световое излучение , поглощаясь в базовой области диода , генерирует электронно-дырочные пары , которые диффундируют к р - n-переходу , разделяются им и вызывают появление дополнительного тока во внешней цепи . В р - i - n-диодах это разделение происходит в пол е i-o6л aсти и вместо процесса диффузии имеет место дрейф носителей заряда под влиянием электрического поля . Каждая генерированная электронно-дырочная пара , прошедшая через р - n-переход , вызывает прохождение во внешней цепи заря д а , равного заряду электрона . Чем больше облученность диода , тем больше фототок . Фототок протекает и при смещении диода в прямом направлении (рис . 2.4,а ), однако уже при небольших напряжениях он оказывается намного меньш е прямого тока , поэтому его выделение оказывается затруднительным. Рабочей областью вольт-амперных характеристик фотодиода является III квадрант на рис . 2.4,а ; соответственно этому в качестве важнейшего параметра выступает токо вая чувствительность (2.10) Второе равенство в (2.10) получено в предположении линейной зависимости I ф =f(P ф ) , а третье - при условии пренебрежения темновым током ( ), что для кремниевых фотодиодов обычно выполняется. Если освещать фотодиод без приложения к нему внешнего смещения , то процесс разделения генерируемых электронов и дырок будет протекат ь благодаря действию собственного встроенного поля р - n-перехода . При этом дырки будут перетекать в р-область и частично компенсировать встроенное поле р - n-перехода . Создается некоторое новое равновесное (для данного зна ч ения : P ф ) состояние , при котором на внешних выводах диода возникает фото-ЭДС U ф . Если замкнуть освещенный фотодиод на некоторую нагрузку , то он будет отдавать в нее полезную электрическую мощность Р э . Характеристическими точками во льт-амперных характеристик диода , работающего в таком - фотовентильном - режиме , являются ЭДС холостого хода U xx и ток короткого замыкания I кз (рис . 2.4,б ). Схематически фотодиод в вентильном режиме работает как своеобразныйный вторичный источник питания , поэтому его определяющим параметром является КПД преобразования световой энергии в электрическую : КПД =P э /AP ф =aU xx I кз / Ap ф (2.11) В фотовентильном режиме действует важный класс фотоэлектрических приборов - солнечные батареи. 3. ПАРАМЕТРЫ И Х АРАКТЕРИСТИКИ ОПТОПАР И ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМ 3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ ОПТРОННОИ ТЕХНИКИ При классификации изделий оптронной техники учитывается два момента : тип фотоприемного устройства и конструктивные особен ности прибора в целом . Выбор первого классификационного признака обусловлен тем , что практически у всех оптронов на входе помещен светодиод и функциональные возможности прибора определяются выходными характеристиками фотоприемного у стройства. В качестве второго признака принято конструктивное исполнение , которое определяет специфику применения оптрона. Используя этот смешанный конструктивно-схемотехнический принцип классификации , логично выделить три основные группы издели й оптронной техники : оптопары (элементарные оптроны ), оптоэлектронные (оптронные ) интегральные микросхемы и специальные виды оптронов . К каждой из этих групп относится большое число видов приборов. Для наиболее распространенных оптопар испо льзуются следующие сокращения : Д - диодная , Т - транзисторная , R - резисторная , У - тиристорная , Т 2 - с составным фототранзистором , ДТ - диодно-транзисторная , 2Д (2Т ) - диодная (транзисторная ) дифференциальная. Система параметров изделий оптронной тех ники базируется на системе параметров оптопар , которая формируется из четырех групп параметров и режимов. Рис 3.1. К определению импульсных параметров оптопар. Первая группа характеризует входную цепь оптопары (входные параметры ), вторая - ее выходную цепь (выходные параметры ), третья - объединяет параметры , характеризующие степень воздействия излучателя на фотоприемник и связанные с этим особенности прохожден и я сигнала через оптопару как элемент связи (параметры передаточной характеристики ), наконец , четвертая группа объединяет параметры гальванической развязки , значения которых показывают , насколько приближается оптопара к идеаль н ому элементу развязки . Из четырех перечисленных групп определяющими , специфически “оптронными” являются параметры передаточной характеристики и параметры гальванической развязки. Важнейшим параметром диодной и транзисторной оптопар является коэф фициент передачи тока . Определение импульсных параметров оптронов ясно из (рис . 3.1). Отсчетными уровнями при измерении параметров t нар (сп ) , t зд , и t вкл (выкл ) обычно служат уровни 0.1 и 0.9, полное время логической задержки сигнала определяется по уровню 0,5 амплитуды импульса. Рис . 3.2. Условные обозначения оптопар. Параметрами гальванической развязки . Оптопар являются : максимально допустимое пиковое напряжение между входом и выходом U разв п max ; максимально допустимое напряжение между входом и выходом U разв max ; сопротивление гальванической развязки R разв ; проходная емкость C разв ; максимально допустимая скорость изменения напряжения между входом в выходом (dU разв /dt) m ax . Важнейшим является параметр U разв п max . Именно он определяет электрическую прочность оптопары и ее возможности как элемента гальванической развязки. Рассмотренные параметры оптопар полностью или с некоторыми изменениями используются и для описания оптоэлектронных интегральных микросхем. 3.2. ДИОДНЫЕ ОПТОПАРЫ Диодные оптопары (рис . 3.2,а ) в большой степени , чем какие-либо : другие приборы , характеризуют уровень оптронной техники . По величине К i можно судить о достигнутых КПД преобразовани я энергии в оптроне ; значения временных параметров позволяют определить предельные скорости распространения информации . Подключение к диодной оптопаре тех или иных усилительных элементов , весьма полезное и удобное , не может тем не менее дать выигрыш а ни по энергетике , ни по предельным частотам. 3.3. ТРАНЗИСТОРНЫЕ И ТИРИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ Транзисторные оптопары (рис . 3.2, c) рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов . Это прежде всего схемотехническая гибкость , проявляющаяся в то м , что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода (оптически ), так и по базовой цепи (электрически ), а также в том , что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме . Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение боль ш их значений коэффициента передачи тока К i , так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы . Важно , что при этом инерционность оптопары не очень велика и для многих случаев вполне допустима . Выходные токи фототранзистор ов значительно выше , чем , например , у фотодиодов , что делает их пригодными для коммутации широкого круга электрических цепей . Наконец , следует отметить , что все это достигается при относительной технологической простоте транзисторных оптопар. Тиристорные оптопары (рис . 3.2, b) наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтных цепей : по сочетанию мощности , коммутируемой в нагрузке , и быстродействию они явно предпочтительнее Т 2 -оптопар . Оптопары типа АОУ 103 предназначены для использования в качестве бесконтактных ключевых элементов в различных радиоэлектронных схемах : в цепях управления , усилителях мощности , формирователях импульсов и т . п . 3.4. РЕЗИСТОРНЫЕ ОПТОПАРЫ Резисторные оптопары (рис . 3.2, d) при нципиально отличаются от всех других видов оптопар физическими и конструктивно-технологическими особенностями , а также составом и значениями параметров. В основе принципа действия фоторезистора лежит эффект фотопроводимости , т . е . и зменения сопротивления полупроводника при освещении. 3.5. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ОПТОПАРЫ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ АНАЛОГОВОГО СИГНАЛА Весь изложенный выше материал касается вопросов передачи цифровой информации по гальванически развязанной цепи . Во вс ех случаях , когда говорилось о линейности , об аналоговых сигналах , речь шла о виде выходной характеристики оптопары . Во всех случаях управление по каналу излучатель - фотоприемник не описывалось линейной зависимостью . Важную задачу пр е дставляет собой передача аналоговой информации с помощью оптопары , т.е ., обеспечение линейности передаточной характеристики вход - выход [36]. Лишь при наличии таких оптопар становится возможным непосредственное распространение аналогов о й информации по гальванически развязанным цепям без преобразования ее к цифровой форме (последовательности импульсов ). Сопоставление свойств различных оптопар по параметрам , важным с точки зрения передачи аналоговых сигналов приводит к заключени ю , что если эта задача и может быть решена , то только с помощью диодных оптопар , обладающих хорошими частотными и шумовыми характеристиками . Сложность проблемы заключается прежде всего в узком диапазоне линейности передаточной характеристи к и и степени этой линейности у диодных оптопар. Следует отметить , что в создании приборов с гальванической развязкой , пригодных для передачи аналоговых сигналов , сделаны лишь первые шаги и можно ожидать дальнейшего прогресса. 3.6. ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ МИКРОСХЕМ Ы И ДРУГИЕ ПРИБОРЫ ОПТРОННОГО ТИПА Оптоэлектронные микросхемы представляют собой один из наиболее широко применяемых , развивающихся , перспективных классов изделий оптронной техники . Это обусловлено полной электрической и конструктивной совместимостью опт оэлектронных микросхем с традиционными микросхемами , а также их более широкими по сравнению с элементарными оптронами функциональными возможностями . Как и среди обычных микросхем , наиболее широкое распространение получили переключательные оптоэлектронные м икросхемы. Специальные виды оптронов резко отличаются от традиционных оптопар и оптоэлектронных микросхем . К ним относятся прежде всего оптроны с открытым оптическим каналом . В конструкции этих приборов между излучателем и фотоприемнико м имеется воздушный зазор , так что , помещая в него те или иные механические преграды , можно управлять световым потоком и тем самым выходным сигналом оптрона . Таким образом , оптроны с открытым оптическим каналом выступают в качестве оптоэлектронных датчиков , фиксирующих наличие (или отсутствие ) предметов , состояние их поверхности , скорость перемещения или поворота и т . п. 4. СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ ОПТРОНОВ И ОПТРОННЫХ МИКРОСХЕМ Перспективные направления развития н применения оптро нной техники в значительной степени определились . Оптроны и оптронные микросхемы эффективно применяются для передачи информации между устройствами , не имеющими замкнутых электрических связей . Традиционно сильными остаются позиции оптоэ л ектронных приборов в технике получения и отображения информации . Самостоятельное значение в этом направлении имеют оптронные датчики , предназначенные для контроля процессов и объектов , весьма различных по природе и назначении . Заметно пр о грессирует функциональная оптронная микросхемотехника , ориентированная на выполнение разнообразных операций , связанных с преобразованием , накоплением и хранением информации . Эффективной и полезной оказывается замена громоздких , недолговечн ы х и нетехнологичных (с позиций микроэлектроники ) электромеханических изделий (трансформаторов , потенциометров , реле ) оптоэлектронными приборами и устройствами . Достаточно специфическим , но во многих случаях оправданным и полезным является исполь з ование оптронных элементов в энергетических целях. 4.1. ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ Рис 4.1. Схема межблочной гальванической развязки. При передаче информации оптроны используются в качестве элементов связи , и , как правило , не несут самостоятельной функциональной нагрузки . Их пр именение позволяет осуществить весьма эффективную гальваническую развязку устройств управления и нагрузки (рис 4.1), действующих в различных электрических условиях и режимах . С введением оптронов резко повышается помехоустойчивость каналов связи ; практически устраняются “паразитные” взаимодействия по цепям “земли” и питания. Интерес представляет также рациональное и надежное согласование цифровых интегральных устройств с разнородной элементной базой (ТТЛ , ЭСЛ , И 2 Л , КМОП и т . п ). Рис 4.2. Схема сопряжения ТТЛ и МДП элементов по оптическому каналу. Схема согласования элемента транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ ) с интегральным устройством на МДП-транзисторах построе на на транзисторном оптроне (рис . 4.2). В конкретном варианте : E 1 = Е 2 =5 В , Е 3 = 15 В , R 1 = 820 Ом , R 2 = 24 кОм - светодиод оптрона возбуждается током (5 мА ), достаточным для насыщения транзистора и уверенного управления устройством на МДП-т ранзисторах. Активно используются оптические связи в телефонных устройствах и системах . С помощью оптронов технически несложными средствами удается подключать к телефонным линиям микроэлектронные устройства , предназначенные для вызова , индикации , контроля и других целей. Введение оптических связей в электронную измерительную аппаратуру , кроме полезной во многих отношениях гальванической развязки исследуемого объекта и измерительного прибора , позволяет также резко уменьшить влияние помех , действу ющих по цепям заземления и питания . Рис 4.3. Схема коммутации нагрузки переменного тока. Значительный интерес представляют возможности и опыт использования оптоэлектронных приборов и устройс тв в биомедицинской аппаратуре . Оптроны позволяют надежно изолировать больного от действия высоких напряжений , имеющихся , например , в электрокардиографических приборах. Бесконтактное управление мощными , высоковольтными цепями по оптическим ка налам весьма удобно и безопасно в сложных технических режимах , характерных для многих устройств и комплексов промышленной электроники . В этой области сильны позиции тиристорных оптронов (рис 4.3). 4.2. ПОЛУЧЕНИЕ И ОТОБРАЖЕНИЕ ИНФОРМА ЦИИ Рис 4.4. Оптоэлектронный датчик. Оптроны и оптронные микросхемы занимают прочные позиции в бесконтактной дистанционной технике оперативного получения и точного отображения информации о характеристиках и свойствах весьма различных (по природе и назначению ) процессов и объектов . Уникальными возможностями в этом плане обладают оптроны с открытыми оптическими каналами . Среди них оптоэлектронные прерыватели , реагирующие на пересечен и е оптического канала непрозрачными объектами (рис 4.4), и отражательные оптроны , у которых воздействие светоизлучателей на фотоприемники всецело связано с отражением излучаемого потока от внешних объектов. Круг применений оптронов с открытыми опт ическими каналами обширен и разнообразен . Уже в 60-е годы оптроны подобного типа эффективно использовались для регистрации предметов и объектов . При такой регистрации , характерной в первую очередь для устройств автоматического контроля и счета объ е ктов , а также для обнаружения и индикации различного рода дефектов и отказов , важно четко определить местонахождение объекта или отразить факт его существования . Функции регистрации оптроны выполняют надежно и оперативно. 4.3. КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСК ИХ ПРОЦЕССОВ Мощность излучения , генерируемого светодиодом , и уровень фототока , возникающего в линейных цепях с фотоприемниками , прямо пропорциональны току электрической проводимости излучателя . Таким образом , по оптическим (бесконт актным , дистанционным ) каналам можно получить вполне определенную , информацию о процессах в электрических цепях , гальванически связанных с излучателем . Особенно эффективным оказывается использование светоизлучателей оптронов в каче с тве датчиков электрических изменений в сильноточных , высоковольтных цепях . Четкая информация о подобных изменениях важна для оперативной защиты источников и потребителей энергии от электрических перегрузок. Рис . 4.5. Стабилизатор напряжения с контролирующим оптроном. Оптроны успешно действуют в высоковольтных стабилизаторах напряжения , где они создают оптические каналы отрицательных обратных связей . Рассматриваемый стабилизатор (рис. 4.5) относятся к устройству последовательного типа , причем регулирующим элементом является биполярный транзистор , а кремниевый стабилитрон действует как источник , опорного (эталонного ) напряжения . Сравнивающим элементом служит светодио д. Если выходное напряжение в схеме рис . 4.5 возрастает , то увеличивается и ток проводимости светодиода . Фототранзистор оптрона воздействует на транзистор , подавляя возможную нестабильность выходного напряжения. 4.4. ЗАМЕНА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ И ЗДЕЛИИ Рис 4.5. Схема оптоэлектронного трансформатора В комплексе технических решений , ориентированных на повышение эффективности и качества устройств автоматики , радиотехники , электросвязи , про мышленной и бытовой электроники , целесообразной и полезной мерой является замена электромеханических изделий (трансформаторов , реле , потенциометров , реостатов , кнопочных и клавишных переключателей ) более компактными , долговечными , быстроде й ствующими аналогами . Ведущая роль в этом направлении отводится оптоэлектронным приборам и устройствам . Дело в том , что весьма важные технические достоинства трансформаторов и электромагнитных реле (гальваническая развязка цепей упр а вления и нагрузки , уверенное функционирование в мощных , высоковольтных , сильноточных системах ) свойственны и оптронам . Вместе с тем оптоэлектронные изделия существенно превосходят электромагнитные аналоги по надежности , долговечности, переходным и частотным характеристикам . Управление компактными и бытродействующими оптоэлектронными трансформаторами , переключателями , реле уверенно осуществляется с помощью интегральных микросхем цифровой техники без специальных ср е дств электрического согласования. Пример замены импульсного трансформатора приведен на рис 4.5. 4.5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ В энергетическом режиме оптроны используются в качестве вторичных источников ЭДС и тока . КПД оптронных преобразователе й энергии невелик . Однако возможность введения дополнительного источника напряжения или тока в любую цепь устройства без гальванической связи с первичным источником питания дает разработчику новую степень свободы , особенно полезную при решении нестандартных технических зада. Литература : 1. Ю . Р . Носов , А . С . Сидоров “Оптроны и их применение” - М .: Радио и связь , 1981 г. 2. В . И . Иванов , А . И . Аксенов , А . М . Юшин “Полупроводниковые оптоэлектронные приборы . / Справочник.” - М .: Энергоатомиздат , 19 84 г.
1Архитектура и строительство
2Астрономия, авиация, космонавтика
 
3Безопасность жизнедеятельности
4Биология
 
5Военная кафедра, гражданская оборона
 
6География, экономическая география
7Геология и геодезия
8Государственное регулирование и налоги
 
9Естествознание
 
10Журналистика
 
11Законодательство и право
12Адвокатура
13Административное право
14Арбитражное процессуальное право
15Банковское право
16Государство и право
17Гражданское право и процесс
18Жилищное право
19Законодательство зарубежных стран
20Земельное право
21Конституционное право
22Конституционное право зарубежных стран
23Международное право
24Муниципальное право
25Налоговое право
26Римское право
27Семейное право
28Таможенное право
29Трудовое право
30Уголовное право и процесс
31Финансовое право
32Хозяйственное право
33Экологическое право
34Юриспруденция
 
35Иностранные языки
36Информатика, информационные технологии
37Базы данных
38Компьютерные сети
39Программирование
40Искусство и культура
41Краеведение
42Культурология
43Музыка
44История
45Биографии
46Историческая личность
47Литература
 
48Маркетинг и реклама
49Математика
50Медицина и здоровье
51Менеджмент
52Антикризисное управление
53Делопроизводство и документооборот
54Логистика
 
55Педагогика
56Политология
57Правоохранительные органы
58Криминалистика и криминология
59Прочее
60Психология
61Юридическая психология
 
62Радиоэлектроника
63Религия
 
64Сельское хозяйство и землепользование
65Социология
66Страхование
 
67Технологии
68Материаловедение
69Машиностроение
70Металлургия
71Транспорт
72Туризм
 
73Физика
74Физкультура и спорт
75Философия
 
76Химия
 
77Экология, охрана природы
78Экономика и финансы
79Анализ хозяйственной деятельности
80Банковское дело и кредитование
81Биржевое дело
82Бухгалтерский учет и аудит
83История экономических учений
84Международные отношения
85Предпринимательство, бизнес, микроэкономика
86Финансы
87Ценные бумаги и фондовый рынок
88Экономика предприятия
89Экономико-математическое моделирование
90Экономическая теория

 Анекдоты - это почти как рефераты, только короткие и смешные Следующий
Я забираю свои слова обратно, я придумала пообиднее.
Anekdot.ru

Узнайте стоимость курсовой, диплома, реферата на заказ.

Обратите внимание, реферат по радиоэлектронике "Оптроны и их применение", также как и все другие рефераты, курсовые, дипломные и другие работы вы можете скачать бесплатно.

Смотрите также:


Банк рефератов - РефератБанк.ру
© РефератБанк, 2002 - 2016
Рейтинг@Mail.ru