|
| |
|
Слаботочка Книги удается свести к минимуму, используя в качестве Иа-грузки оптрона операционный транзисторный усилитель, охваченный глубокой отрицательной обратной связью по напряжению. Схемы такого типа уже рассматривались (см. рис. 5.9). В более оригинальном схемном варианте [16] параллельно операционному усилителю включены две цепи обратной связи (рис. 5.13). В каждую из таких цепей кроме обыкновенного диода введен кремниевый стабилитрон {Д2 или Д4), действующий в режиме пробоя. Выуод -о  Рис. 5.14. Высокочастотные секции с р-t-п-фотодиодами В статическом режиме цепи обратных связей разомкнуты. Однако при появлении на входе усилителя сигнала положительной полярности цепь с диодами Д1 и Д2 замыкается и жестко ограничивает дальнейшее повышение входного потенциала. Сигнал отрицательной полярности на входе усилителя ограничивается по каналу с диодами ДЗ и Д4. Таким образом, операционный усилитель в схеме рис. 5.13 действует как детектор нулевого напряжения. Изменения напряжения на входе операционного усилителя строго ограничены, разность потенциалов на фототранзисторе мало изменяется лаже при значительных перепадах фототока. Поэтому переходные процессы в эмиттерной пени фототранзистора кратковременны. Успешно сочетаются в высокочастотных оптоэлектронных усилителях малоинерционные фотоприемники и полевые транзисторы [13-15]. Предпочтение и в этом случае отдается устройствам с отрицательными обратными связями. В схеме рис. 5.14,а обратная связь по цепи с резистором R2 уменьшает входную емкость усилительного каскада на 220  Рис. 5.15. Малоинерцнонный фотодиод в высокочастотном оптоэлектронном устройстве полевом транзисторе. В варианте сХеМы (рис. 5.14,6) благодаря отрицательной обратной связи по каналу R.2 существенно снилоетси электрическое сопротивление HaipysKH фотодиода со стороны полевого транзистора. По оценкам [13], частотный диапазон оптоэлектронных усилителей, показанных на рис. 5.14,6, может превышать 100 МГц. В практической схеме (рис. 5.15) входное сопротивление транзисторной секции, охваченной отрицательной обратной связью, составляет 10 ... ... 50 Ом. При такой низкоомной нагрузке мало-. инерционный p-t-«-фотодиод действует в широком частотном диапазоне. По результатам [14], верхняя граничная частота устройства (рис. 5.15) ограничивается в основном операционным усилителем. Рассматриваемое устройство успешно взаимодействовало с 10-МГц волоконно-оптическими линиями связи. 5.4. АНАЛОГОВЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ КЛЮЧИ Диодные и транзисторные оптроны эффективно применяются для коммутации электрических цепей с плавно изменяющимися (аналоговыми) сигналами [17-20]. Аналоговые оптоэлектронные ключи осуществляют пропорциональное преобразование мгновенных значений аналоговых сигналов в амплитудные значения кратковременных импульсов и, таким образом, относятся к разряду линейных преобразователей. Успешно используются аналоговые ключи для коммутации цифровых и импульсных сигналов. Объекты эффективного применения аналоговых ключей разнообразны и разнотипны. Выделим в этом плане аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, телефонные коммутационные системы, многоканальные телеметрические коммутаторы, устройства ввода инфор- Мацйи в цифровые вычислительные маШины, решающие блоки аналоговых вычислительных машин. Аналоговые ключи высокого качества проектируются на транзисторах (полевых и биполярных). До недавнего • времени бесконтактное управление транзисторными ключами (прерывателями) осуществлялось с помощью импульсных трансформаторов. Развитие оптроники за- . метно влияет на традиционную схемотехнику коммута- торов аналоговых сигналов; уже в настоящее время ди- i одные и транзисторные оптроны успешно (функционально и технологически) замещают импульсные трансфер- / маторы. апр9 ЛЖ £Д \фдг Рис. 5.16. Аналоговый ключ на диодном оптроне При построении аналоговых ключей обычно стремятся обеспечить одинаково эффективное преобразование сигналов положительной и отрицательной полярности. В таких случаях к выходным элементам аналоговых , ключей, действующим в цепях двухполярных модулируемых сигналов, предъявляется требование двусторонней проводимости. Подобными (в известном смысле реверсивными) выходными характеристиками обладают оптоэлектронные ключи с диодными оптронами. / По схеме рис. 5.16,а в одной цени с источником модулируемых сигналов ec{t) действуют встречно включенные фотодиоды ФЩ и ФД2. Управление фотодиодами но оптическим каналам осуществляется одним светодиодом. По этой схеме разработан коммутатор аналоговых сигналов типа АК-1 [17]. Благодаря встречному включению фотодиодов оста- точное наирял<ение (Уост в цепи источника модулируемых сигналов невелико. В диапазоне токов /н</ф фотодиоды, смещенные в прямом направле-ни обладают от-222 носительно небольшим электрическим сопротивлением (рис. 5.16,6). По данным [17], сопротивление оитоэлек-тронного ключа (рис. 5.16,а) в открытом состоянии при токе светодиода 10 мА составляет 10... 10 Ом; соиротивление неосвещенного ключа достигает 10 Ом. Остаточное напряжение [/ост, не превышающее 20 ... 30 мВ, может иметь и положительную и отрицательную полярность (см. точки N\ и N2 на рис. 5.16,6).  СД1 ФТ1 Iy  Выход Рис. 5.17. Аналоговые ключи на транзисторных оптронах Хорошими техническими показателями обладают аналоговые ключи, построенные на однотипных транзисторных оптронах (рис. 5.17). Схема оптоэлектронного ключа (рис. 5.17,а) составлена по компенсационному принципу: фототранзисторы ФТ1 и ФТ2 включены встречно, поэтому остаточный потенциал Loct равен разности напряжений на освещенных и насыщенных фототранзисторах. В другом схемном варианте (рис. 5.17,6) iиспользуется встречно-параллельное соединение фото-. транзисторов [18]. Аналоговый ключ в этой схеме коммутирует электрическую цепь, связывающую источник сигналов ec{t) и вход операционного усилителя. Качество аналоговых ключей компенсационного типа существенно зависит от идентичности характеристик транзисторов, используемых в парных схемных комбинациях. Важным фактором является также симметрия транзисторной структуры, выравнивающая свойства транзистора в режимах нормального и инверсного включения. Целесообразно в схемах такого рода использовать интегральные транзисторные прерыватели, сочетающие однотипные приборы с симметричными областями эмиттера и коллектора, изготовленные в едином технологическом процессе. Аналоговый оптоэлектронный ключ серии К249КН1 содержит интегральный транзисторный прерыватель и две диодные оптопары (рис. 5.18,а). Особенности ста- тического взаимодействия фотодиодов и биполярных транзисторов показаны на рис. 5.18,6. Кривая 1 соответствует вольт-амперной характеристике /ф(С/ф) двух последовательно соединенных кремниевых фотодиодов в области небольших положительных напряжений [Уф. Вольт-амперные характеристики /бк(С/бк) коллекторных р-п-переходов транзисторов показаны на рис. 5.18,6 непрерывной и штриховой линиями. Различие вольт-амперных характеристик /бк(/бк) может быть связано сдг Фдг  Рис. 5.18. Транзисторный прерыватель с оптическим управлением С технологическим разбросом и температурным дрейфом. Учитывается также, что разность потенциалов [Уф-[Убк- Точки пересечения М\ и Мг вольт-амперных характеристик определяют уровни токов фотодиодов и коллекторных р-п-переходов в режиме насыщения транзисторов. Согласно рис. 5.18,6 точки Шу и Мг фиксируются на крутых участках вольт-амперных характеристик /ф(С/ф) и /eKlf/cK). Поэтому даже при небольшом разбросе ВАХ характеристик положение точек М\ и М2 заметно различается. Такое различие является причиной определенной нестабильности важнейших технических характеристик (чувствительности, нагрузочной способности) оптоэлектронных ключей рассматриваемого типа (рис. 5.18,а). Эффективная стабилизация технических характеристик аналогового оптоэлектронного ключа достигается введением дополнительной (третьей по счету) оптопары • светодиод - фотодиод, включенной последовательно и согласно с двумя основными оптронами. Вольт-амперная характеристика трех последовательных включенных фотодиодов (кривая 2) имеет значительный порог по напряжению. Поэтому характеристики фотодиодов и транзисторов пересекаются на уровне неи5менного тока /ф в точках Л] и Л2. Даже при значительном дрейфе вольт-амперных характеристик /бк([Убк) положение рабочих ??4 точек фотодиодов мало изменяется, чем и гарантируется стабильное возбуждение транзисторного прерывателя. Следует, однако, учитывать, что на диаграмме рис. 5.18,6 вольт-амперная характеристика /бк({бк) отражает эффект совместного действия двух транзисторов с параллельно включенными коллекторными р-«-переходами. В случае, иллюстрированном кривой 2, стабилизированы фототок /ф и суммарный ток /бк в базовых цепях насыщенных транзисторов, но равенство базовых токов /бк1 и /бк2 в этом СЛу- Л1 -у- -t>Hi С) одъ1. Рис. 5.19. Аналоговый электронный ключ опто- чае не обеспечивается. Из-за разброса . вольт-амперных характеристик транзисторов токи в базовых цепях могут существенно различаться, что предопределит весьма , неодинаковую чувствительность по току, различную степень насыщения и неравное остаточное напряжение транзисторов выходного прерывателя. Чувствительность, остаточное напряжение и нагрузочную способность аналогового оптоэлектронного ключа удается стабилизировать по схеме, представленной на рис. 5.19 [21]. Два фотодиода ФД/ и ФД2, оптически связанные со светодиодами СД/ и СД2, включены встречно. При освещении эти фотодиоды генерируют стабильные фототоки /ф1 и /ф2 и однозначно определяют уровень тока в базовых цепях транзисторов Т1 и Т2. Сравнивая схемы (рис. 5.18,а и 5.19), отмечаем, что фотодиод ФДЗ в схеме рис. 5.19 занимает «старое» место фотодиода ФД2 (в схеме рис. 5.18,а); в то же время фотодиод ФД/ (в схеме рис, 5.18,а) «расщеплен» на два однотипных фотодиода ФД/ и ФЛ2 в схеме на рис. 5.19. Важно, однако, учитывать, что фототок диода ФД5 равен сумме токов фотодиодов ФД/ и ФД.2: /фз-/ф1+ +/ф2. Необходимый баланс фототоков достигается благодаря специальному соединению светодиодов, при котором ток проводимости /овз светодиода СД5 равен сумме токов /св1 и /св2- Удвоенные токи в цепях светодиода СД5 и фотодиода ФДЗ следует отнести к недостаткам схемы рис. 5.19. Прп использовании однотипных оптро- 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 |