7. ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ РАЗВЯЗКИ

Одним из первых оптико-электронных устройств, реализующих возможности оптической связи, был развязывающий прибор с фотонной связью. Такой прибор состоит из арсенид-галлиевого источ ника света и оптически связанного с ним кремниевого фотодиода.

Конструктивно развязывающие приборы могут быть выполнены либо с плоским (рис. 27,а), либо с полусферическим (рис. 27,6) источником света. Приборы с полусферическим источником света имеют более высокий квантовый выход и поэтому применяются преимущественно в тех случаях, когда нельзя использовать среду с высоким показателем преломления. Приборы с плоским источником меньше по габаритам и больше подходят для применения нх в интегральных схемах.

При передаче сигналов от полусферического источника света к фотодиоду используется воздушная среда и просветляющее покрытие источника уменьшающее отражение на поверхности раздела полупроводник - воздух. Для приборов с плоским источником света перспективной связующей средой оказываются свинцовые стекла и стекла на основе селена с показателями преломления 1,8--1,9 и 2,4-2,6 соответственно. Применение такой среды связи увеличивает выходное излучение благодаря уменьшению отражения на поверхности раздела и увеличению предельного угла. Связующая среда с высоким показателем преломления уменьшает и отражение на поверхности раздела около кремниевого фотодиода. У приборов с плоским источ-

Рис. 27. Устройство оптико-электронных развязывающих приборов с плоским (а) и полусферическим (б) источниками света. /-арсенид-галлиевый источник света (материал п-типа); 2 - селеновое стекло; 3 - кремний п-типа; 4 - диффузионная ме-застоуктура р-типа; 5 - планарная структура р-типа; б - электрические контакты; 7 - расширенный контакт к области р-типа; S -контакт к области п-типа.

НИКОМ света полный квантовый выход достигает 0,37% при токе через источник 10 ма.

Конструктивно развязывающее устройство с фотонной связью оформляется в стандартном корпусе с четырьмя электрическими выводами. Вход и выход в таком приборе электрически изолированы. Паразитная связь между входом и выходом практически полностью исключается благодаря введению специального прозрачного электропроводящего экрана, снижающего емкость связи до 0,0005 пф и меньше. Один из таких приборов, разработанных в США, рассчитан на предельную частоту 60 Мгц и сопротивление нагрузки 20 ком. Напряжение сигнала на выходе составляет 20 тз. При этом ток через излучатель (источник света) не превышает 10-20 ма.

. В качестве фотоприемника в развязывающем устройстве могут быть использованы управляемые светом переключатели со структу-44

рой типа р-п-р-п. При токе Через ИзЛуЧаеЛь порядка 10 Ма они позволяют включать токи через выходные зажимы прибора до 5 а. Время срабатывания их меньше 10 мксек Такое развязываюпаее устройство выполняет функции реле с удержанием (самоблокировкой).

В США выпускаются серийно оптико-электронные четырехпо-люсные переключатели, в которых объединены полусферический источник света (арсенид-галлиевый диод) и кремниевый фотодиод с симметричной характеристикой проводимости. Зазор между источником света и фотодиодом в таком приборе составляет несколько десятков микрон. Прибор выдерживает без пробоя разность потенциалов 400 в. Его вольт-амперные характеристики имеют симметричную форму и аналогичны характеристикам обычного переключательного транзистора с двумя эмиттерами. Для нормальной работы переключателя необходимо подавать на излучающий диод (источник света) напряжение около 1,3 в„ при этом через него протекает ток около 100 ма. Время переключения составляет 3 мксек и время спада 20-40 мксек.

Универсальным прибором, который может быть использован для осуществления логических функций (при условии, что его коэффициент усиления по току равен или больше единицы), является развязывающее устройство с кремниевым фототранзистором в качестве приемника света. Комбинируя этот прибор с соответствующими источниками питания и тактовых импульсов, можно осуществить все основные логические операции и операции, связанные с запоминанием в цифровых вычислительных машинах. Однако применение такого типа приборов ограничивается в настоящее время их недостаточным быстродействием. Так, например, при сопротивлении нагрузки 10 ом время нарастания у такого прибора составляет 1,5 мксек, а время задержки 1,6 мксек.

Одним из вариантов развязывающего устройства является разработанный за рубежом прибор с фотонной связью, на выходе которого установлен люминесцентный арсенид-галлиевый диод, излучающий свет, примерно пропорциональный по своей интенсивности току, протекающему через диод. Излучение передается на вход фотоприемника при помощи пучка специальной волоконной оптики с когерентной передачей изображения. В качестве фотоприемника может быть использован фотодиод со структурой типа p-i-n или фототранзистор. Такой прибор является комбинированным, поскольку он может быть составлен из отдельно выполненных излучателя с волоконным световодом и одного из указанных фотоприемников, также имеющих световоды. Излучатель работает с квантовой эффективностью не менее 0,1%- Ток диода составляет 2-30 ма, прямое сопротивление не более 2 ом, напряжение пробоя не менее 5 в, паразитная емкость (при нулевом смещении) 120 пф. Используемый в качестве приемника света фотодиод можно считать достаточно быстродействующим. Его время срабатывания не более 0,2 нсек, паразитная емкость (при обратном напряжении 20 в) около 1 пф, напряжение пробоя не менее 80 в, обратный ток утечки не более 0,002 мка. Фототранзистор, используемый в качестве приемника света, имеет время срабатывания не более 2 мксек, емкость коллектор - база составляет 9 пф. Суммарный коэффициент передачи всего устройства при разомкнутой базовой цепи близок к единице. Это достигается применением кремниевого фототранзистора с высоким коэффициентом усиления по току.

а СХЕМЫ с ПРИБОРАМИ РАЗЙЯЗКИ

Фотонные развязывающие приборы находят применение в простых усилителях, которые электрически развязаны от остальной части схемы, в линейных усилителях, работающих с малыми сигналами, и в других устройствах.

Простой усилитель с электрической развязкой. Схема такого усилителя и его типичная переходная характеристика (выходной сигнал) приведены на рис. 28. Усилитель обеспечивает передачу и усиление сигналов при электрической развязке между входом и выходом схемы в диапазоне от постоянного тока до предельной частоты усиления прибора. Он может применяться в данном частот-

1вх (опорный)

-L о

8 мксек

Рис. 28. Простой усилитель с электрической развязкой.

а - схема усилителя; 6 - типичная переходная характеристика (относительная реакция на импульс Ui при i?=100 ом).

НОМ диапазоне при связи схем, потенциалы которых значительно различаются. Примером применения такого усилителя может служить дистанционная выборка токового сигнала в существующих диодных схемах, где один из обычных схемных диодов заменен на арсенид-галлиевый диод. Использование оптического фототранзисторного усилителя позволяет выполнять такие функции, как запуск, смещение уровня сигнала постоянного тока и связь в транзисторных схемах.

Усилитель может с успехом заменить импульсные трансформаторы, особенно там, где важно обеспечитьвосстановление или передачу постоянной составляющей импульсного сигнала Применение оптического усилителя с развязкой позволяет исключить замкнутые контуры в больших схемах, образующиеся из-за цепей заземления. Это достигается благодаря устранению множества соединительных цепей между отдельными частями схемы. Использование оптических каналов связи вместо электрических позволяет также исключить циркуляцию значительных индуцированных токов и заметное активное падение напряжения. Фотонные оптические усилители обеспечивают электрическую развязку отдельных узлов в большой системе, исключая такое положение, прн котором отказ или сбой в одном из них влияет на работу других.

Линейный усилитель слабых сигналов. Схема линейного усилителя с непосредственными связями (с электрически изолированными входами) и его частотная характеристика показаны на рис. 29. Усилитель работает с модулированной несущей частотой и обеспечи-46