|
| |
|
Слаботочка Книги обрабатывать информацию, но и в значительной степени определяет сферы и масштабы их применения [1]. Динамические показатели оптронов не достигают- уровня, свойственного малоинерционным микроэлектронным элементам и узлам. Поэтому комбинированные (оптоэлектронные) схемы, как правило, уступают по быстродействию однотипным микроэлектронным устройствам. Снижение быстродействия, связанное с введением оптронов, оказывается сравнительно небольшим лишь в оптимальных схемах и режимах. В связи с этим особое внимание к схемотехнике быстродействующих оптоэлектронных переключателей является, на наш взгляд, целесообразным и оправданным. Основным ориентиром при построении быстродействующих оптоэлектронных элементов и устройств могут служить модели быстрого переключения малоинерционных оптронов, детально рассмотренные в гл. 3. Далеко не всегда, естественно, синтезированные модели удается j реализовать максимально полно и эффективно. К тому же к оптоэлектронным устройствам предъявляются и другие технические требования (надежность, экономичность, помехоустойчивость и т. д.); многие из них в той или иной степени противоречат рекомендациям, нацеленным на оптимальное построение быстродействующих оптронных схем. Тем не менее можно выделить ряд полезных приемов и решений, широко используемых разработчиками быстродействующей оптронной техники. Отметим, в первую очередь, что многие схемы эффективного возбуждения светоизлучателей, описанные выше (в § 3.1), относятся к разряду быстродействующих без существенных оговорок. Выделим в этом плане транзисторные ключи (рис. 3.1,2, 3.2,а и в), диодные и транзисторные переключатели тока (рис. 3.4). Более специфичной и разнообразной оказывается схемотехника быстрого переключения фотоприемников. Некоторые фотодиодные и фототранзисторные схемы, обладающие достаточно высоким быстродействием, уже рассматривались (см. рис. 3.5 и 3.6). Основная часть малоинерционных переключателей с фотоприемниками представлена ниже. Быстрое переключение светодиода достигается в регенеративном транзисторном устройстве, охваченном достаточно глубокой положительной обратной связью. Убедительным примером этого может служить схема тран- зясторного триггера с эмиттерной связью (рис. 4.1,а), где светодиод включен в коллекторную цепь выходного транзистора Т2. Введение светодиода заметно изменяет «стандартный» статический режим такого триггера. Светодиод, смещенный в прямом направлении, не оказывает существенного электрического сопротивления коллекторному току открытого транзистора Т2. Поэтому насыщение транзистора Т2 (при закрытом транзисторе Т1) в схеме рис. 4.1,а не достигается. -TL о-т-дходХ, Rf •-J- -£г  Рис. 4.1. Переключение светодиода триггером с эмиттерной связью Суммарный эмиттерный ток /п транзисторов задан по ВЫСОКООМНОЙ цепи с резистором R2. Транзистор Т1 (при закрытом транзисторе Т2\ не насыщен, если уровень BrEi-AJtiRk- Естественно также учитывать, что ЬАХ коллекторного р-л-перехода имеет заметный порог по напряжению t/бкпор (для кремниевых транзисторов 0,5 ... 0,6 В). Поэтому «собственный» ток коллек- П-767 161 торного р-n-перехода /efei транзистора П незначителен даже при насыщении транзистора, если etEi-AiI„RK + "Нбк пор- Анализируя особенности работы триггера со светоизлучателем, используем нелинейную модель устройства, представленную на рис. 4.1,6. В модели учитываются лишь существенные свойства ненасыщенных биполярных транзисторов: весьма нелинейные ВАХ эмиттерных р-га-переходов /э = /эо{ехр [[/бэ/(тфт)] -1}, определяющие ключевые свойства транзисторов, и возможность эффективного управления коллекторным током Ah по эмиттерной цепи (транзисторный эффект). Полагая параметры однотипных транзисторов Т1 и Т2 идентичными, получаем, что эмиттерный ток /э2 транзистора Т2, а следовательно, и ток проводимости /св светодиода зависят от уровня управляющего сигнала вг; однако искомая зависимость /э2=1)(ег) записывается лишь в неявной форме: е,-Е,+ AIuRk = (?Л ~ 1) /з2/?к + «?г In ~ij+7j- (•) Учитывая, что микротоки /эо</п, коэффициенты Л1, и вводя безразмерные переменные (/=/э2 п, х= (ег--Л/п/?к-/?1)/(/п/?к) и параметр о = тфт/(/п/?к), преобразуем соотношение (4.1) к более компактному виду: х = у+а\п{{\-у)1у-\. (4.1а) Графики, иллюстрирующие зависимость (4.1а), представлены на рис. 4.1,в. Рассчитаны функции у(х) для а-»-0 (кривая /), а=0,08 (кривая 2), а = 0,25 (кривая 5), а = 0,4 (кривая 4). Отметим, в первую очередь, что при у = 0,5 уровень х=0,5 независимо от параметра а. Таким образом, все исследуемые кривые проходят на графике рис. 4,1,в через точку Q с координатами [0,5, 0,5]. Физический смысл отмеченной особенности очевиден; именно в этом режиме потенциалы на базах транзисторов одинаковы и ток /п отбирается по эмиттерным цепям идентичных транзисторов Г/ и Г2 в равной степени (/э1 = /э2 = /п/2) независимо от других параметров триггера. Вал<ным фактором является наличие четко выраженного падающего участка функции у(х) при относительно небольших значениях параметра о. Расчет критической величины а, при которой появляется падающий участок, несложен. Дифференцируя функцию (4.1а) по у и приравнивая производную dxjdy нулю, получаем, что при = = 0,5 Окр = 0,25. Таким образом, быстрое (лавинообразное) пере ключение триггера (рис. 4.1,а) достигается лишь прн выполнен условия /п/?к>4тф1.. (4.2а) Например, в типичном варианте: тфт = 40 мВ, /п=Ю мА форсированное переключение светодиода достигается в схеме рис. 4Л.а уже при Rk> 16 Ом. Рис. 4.1,3 иллюстрирует несложный механизм формирования крутых перепадов тока проводимости /св светодиода при воздействи.ч медленно изменяющихся входных сигналов ег(/). Уровень управляю- 162 / щего потенциала вг, соответствующий середине падающего участка функции /п2(ег), составляет ero=£i-0,5/п/?„. (4.26) При £1 = 3 В, /п=20 мА, /„ = 200 Ом уровень е,.о=1 В. Чувствительность триггера к управляющим сигналам зависит от гистерезиса пороговых напряжений Лег пор. Зависимость Авг пор от параметра о несложно рассчитать по характеристике (4.1а), полагая dxldy=Q, fV\ -4а 1 -V\ -4а \ Arnop = «¥r 1----Ь41п--j- (4.2в) Если а=0,09, то Авг пор = 4,54/яфг (220 мВ), при а=0,1б Дбг пор = 0,98тфт (40 мВ). Очевидно, что для улучшения чувствительности триггера (рис. 4.1,а) к управляющим сигналам напряжения целесообразно увеличивать параметр а (но не выше tiKp = 0,25). Поскольку уровень эмиттерного тока /„ однозначно определяется условием эффективного возбуждения светодиода, уменьшение гисте-  Рис. 4.2. Ключевые схемы на туннельных диодах для управления светодиодами резиса пороговых напряжений достигается использованием коллекторного резистора Rk с небольшим сопротивлением. В качестве мощных быстродействующих переключателей светодиодов успешно применяются весьма несложные каскады с отрицательным электрическим сопротивлением, построенные на однопереходных или лавинных транзисторах [2]. Эффективно управляют светоизлучателями компактные малоинерционные элементы на туннельных диодах 11* 163 Отметим в первую очередь известную ключевую схему, согласно которой светодиод возбуждается триггером, построенным на одном туннельном диоде (рис. 4.2,а)., При переключении триггера в прямом направлении кратковременным сигналом положительной полярности часть тока питания /п ответвляется в цепь светодиода (рис. 4.2,6), чем и достигается излучение света. Однако амплитуда тока, возбуждающего светодиод, весьма существенно зависит от ВАХ диодов и потому нестабильна. В самом деле, при относительно большом пороговом напряжении светодиода ток его возбуждения невелик (/св1 на рис. 4.2,6). Даже при небольшом уменьшении порогового напряжения ток возбуждения светодиода возрастает (/св2 на рис. 4.2,6). Более стабильные характеристики имеет ключевая схема с дополнительным туннельным диодом, показанная на рис. 4.2,6 [3]. В исходном состоянии рабочая точка туннельного диода фиксируется на первой восходящей ветви ВАХ (рис. 4.2,г). Если в качестве диода используется германиевый или кремниевый диод, а светодиод, как обычно, изготавливается на основе арсенида галлия, то суммарное падение напряжения на управляющих диодах оказывается заметно меньше, чем пороговое напряжение светодиода. Поэтому ток, фиксированный резистором R2, ответвляется в цепь с диодом и туннельным диодом, минуя светодиод. При воздействии сигнала положительной полярности от источника туннельный диод переключается в прямом направлении и напряжение на его аноде резко возрастает. В результате диод запирается и ток переключается в цепь светодиода. Световой поток, излучаемый светодиодом, зависит от тока /п, но не изменяется при дрейфе электрических характеристик туннельного диода. Входной сигнал отрицательной полярности переключает туннельный диод в обратном направлении, ток 1ц , ответвляется в цепь вновь открывающегося диода, а све- у тодиод выключается. Кратковременные импульсы света генерирует каскад, построенный по схеме рис. 4.2,(9, где в цепь связи туннельного диода и светодиода введен диод с накоплением заряда (ДНЗ) [4]. Мультивибратор на туннельном диоде действует в автоколебательном режиме. Если рабочая точка туннельного диода движется по первой вое- ходящей ветви ВАХ, то напряжение на его аноде весьма невелико. В таком режиме ток в цепи с высокоомный - резистором R2 ответвляется главным образом в цепь диода с накоплением заряда, поскольку германиевый или кремниевый ДНЗ имеет существенно меньший статический порог по напряжению, чем арсенидо-галлиевый светодиод, а падение напряжения на низкоомном резисторе R} относительно невелико. В результате в базе ДНЗ накапливается избыточный заряд неосновных носителей, а светодиод обесточивается. При переключении рабочей точки туннельного диода на вторую восходящую ветвь ВАХ напряжение на его аноде резко и значительно увеличивается. Однако диод с накоплением заряда не реагирует на столь быстрое изменение потенциала, и перепад напряжения, формируемый туннельным диодом, беспрепятственно проходит через ДНЗ в цепь светодиода. Ток в цепи связи туннельного диода и светодиода ограничивается в этом случае только резистором RJ. В результате ток светодиода быстро возрастает и формируется кратковременный .импульс света, поскольку заряд неосновных носителей в базе ДНЗ быстро рассасывается, ДНЗ резко запирается и размыкает цепь связи туннельного диода и светодиода. Небольшой ток In недостаточен для возбуждения мощного потока света. В дальнейшем рабочая точка туннельного диода движется по второй восходящей ветви к минимуму ВАХ, , переключается на первую восходящую ветвь и поднима-J ется к максимуму ВАХ. Новый кратковременный импульс-света генерируется лишь при переключении рабочей точки туннельного диода на вторую восходящую ветвь ВАХ. При выборе фотоприемников для быстродействующих оптоэлектронных переключателей предпочтение, естественно, отдается малоинерционным фотодиодам. R подобных случаях, однако, в состав , переключателя обязательно вводится высокочастотный усилитель фототока. Учитывается также, что согласование фотоприемника по электрическим характеристикам и быстродействию с логическими элементами цифровой микроэлектронной системы оказывается сравнительно несложным, если ©птоэлектронный переключатель строится на базе логического элемента [5, 6]. Быстрое развитие переходных процессов достигается в ключевых схемах с каскодным соединением выходных 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 [26] 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 |