|
| |
|
Слаботочка Книги рактернстики оптронных преобразователей, приведем табл. 5.1, составленную по данным обзора [8]. Согласно таблице введение оптической компенсации оказывается полезным при температурной стабилизации и линеаризации характеристик аналоговых оптронных устройств; временная стабильность таких устройств остается невысокой. Безусловное предпочтение по достигнутым техническим показателям отдается аналоговым устройствам с дифференциальными оптронами. Полученные показатели отвечают высоким требованиям, предъявляемым к линейным микроэлектронным усилителям и преобразователям сигналов.  Рис. 5.8. Стабилизация статического режима устройства по оптическому каналу В заключение подчеркнем, что использование оптических обратных связей в аналоговых электронных устройствах оказывается полезным в различных условиях и ситуациях. Иллюстрацией может служить схема, показанная на рис. 5.8, где стабилизация электрического режима устройства обеспечивается по оптическому каналу отрицательной обратной связи [И]. Если уровень тока в эмиттерной цепи дифференциального каскада на транзисторах Т1 и Т2 уменьшается, то возрастает напряжение в контрольной точке Л, а с ним и ток проводимости светодиода. В результате увеличивается мощность светового потока, излучаемого в оптическом канале транзисторного оптрона, а следовательно, и уровень тока питания дифференциального каскада, который генерируется фототранзистором. Тем самым компенсируется начальное уменьшение коллекторного фототока, 214 1> а также стабилизируется распределение потенциалов й токов в любой части схемы рис. 5.8 (включая и цепь со светодиодом). 5.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ СОГЛАСОВАНИЕ ОПТРОНОВ С ОПЕРАЦИОННЫМИ УСИЛИТЕЛЯМИ В аналоговых микроэлектронных устройствах диодные и транзисторные оптроны часто сочетаются с операционными транзисторными усилителями (см., 1апример, схемы на рис. 5.2-5.7). Поэтому особенности взаимодействия оптронов и операционных усилителей заслуживают специального рассмотрения. дыход  Вход
Рис. 5.9. Оптроны в схемах с операционными усилителями В качестве операционных усилителей используются, как правило, многокаскадные секции, охваченные глубокой отрицательной обратной связью по напряжению. Операционные усилители обладают значительным в.чод-ным сопротивлением и не создают существенной нагрузки на фотоприемник. Вместе с тем электрический режим фотоприемпика, гальванически соединенного с входом операционного усилителя, фиксирован достаточно жестко; определяющим в этом случае оказывается влияние отрицательной обратной связи, активно воздействующей на фотоприемник. Особенности электрического согласования диодного оптрона с операционным усилителем иллюстрируются рис. 5.9,а и б. Оценивая эффект воздействия тока фото- Диода на выходной потенциал усилителя, приходим соотношению: иыхКиI (Ки-{-)1фЯо, здесь Ки - ко-эффпцлснт усиления устройства У по напряжению. По-С1оль1(у /(с;>1, получаем, что /вых=/ф/?о. Электрический режим фотодиода в схеме рис. 5.9,а °11реДеляется двумя факторами: уровнем фототока, /ф- ihi и разностью потенциалов U на входе опе-Рациойного усилителя. Напряжение и=-ивых1Ки= ~hRol{Ки\); эквивалентное сопротивление нагрузки, Шунтирующей фотодиод со стороны операционного усилителя, /?нф = о/(А!7+1). Например, в типичном случае: /$=0,1 мА, Ro=lO кОм, Ки=ШО оказывается, что Сопротивление Янф не превышает 10 Ом, а напряжение йа фотодиоде U=~ll составляет лишь 1 мВ. Положение рабочей точки Qi фотодиода на диаграм-рис, 5.9,6 определяется пересечением вольт-амперной .характеристики /ф(/ф) (при /cb=/cbi) и линии нагрузки с наклоном -/ф/{7ф=1 ?„ф. При более интенсивном ГСйещснии фотодиода (/cb2>/cbi) рабочая точка сдви-[ fatch в состояние Qz. Отмеченные особенности электрического режима ха-ptiTepHbi и для схемы взаимодействия транзисторного (ЯТрона с операционным усилителем (рис. 5.9,0). Важно (Wiub фиксировать рабочую точку фототранзистора Нормальном активном режиме, что в приведенной схеме Постигается введением источника отрицательного напряжения -Еа. Выходной потенциал операционного усилителя однозначно связан с уровнем коллекторного тока фототранзистора: Ubmx = IkRq- Введение отрицательных обратных связей в схемную комбинацию оптрон - опе-рационный усилитель дает возможность четко определить электрический режим даже наиболее нестабильных в этом отношении фотоприемников. Известные трудности, в частности, возникают при фиксации составного фототранзистора в нормальном активном ре-  Оптоэлектронная с составным транзи- 1 iif "" " Операционным уси-[ -teM жиме. Однако по схеме с глубокой отрицательной обратной связью (рис. 5.10) стабилизацию рабочей точки составного фототранзистора удается обеспечить без принципиальных затруднений [12]. Потенциал одного из входов операционного усилителя фиксирован на неизменном уровне Е\=.кч1 {R\-\--\-Ri)Ei. В статическом режиме ток ба;ы неосвещенного фототранзистора задается по цепи с высокоомным резистором Rq. Уровень коллекторного тока составного транзистора (в цепи Rv) определяется соотношением /к ст= (Е-Е,) / [/?к+/о/ (/(у5соо. ) ], где 5сост - коэффициент усиления базового тока, которым обладает составной транзистор, а - коэффициент усиления секции У по напряжению. Поскольку Всост, К>\, коллекторный ток в схеме рис. 5.10 фиксирован на строго определенном уровне Ikct~{E2~Ei) IRk. Четко фиксирован эмиттерный ток составного транзистора /эст=/кст/4сост/кст, а с ним и потенциал базы Uq ст фототранзистора. Поэтому режим возможного насыщения фототранзистора (при бст>/кст) несложно исключить расчетным путем. Отметим, что усилительная секция (рис. 5.10) явля-•лась составной частью устройства с оптопрерывателей [12], которое применялось в качестве прецизионного датчика объектов, пересекающих канал опТ1;ческой связи светодиода и составЕЮго фототранзистора. 5.3. ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЕ УСИЛИТЕЛИ Преобразование постоянного тока и низкочастотных сигналов в аналоговых оптоэлектронных устройствах осуществляется без принципиальных затруднений. Более сложной технической задачей является проектирова- ние высокочастотных оптоэлектронных усилителей. Отметим, что частотный диапазон рассмотренных выше усилителей (см. рис. 5.2-5.7) не превышает 100 ... ... 200 кГц, спад амплитуды и сдвиг фазы высокоча-СТ0Т1ЮГ0 сигнала в оптоэлектронном устройстве естественно связывать с ограниченными частотными возможностями операционных транзисторных усилителей. За-• метио проявляется в области высоких частот инерцион-цостъ диодных и транзисторных оптронов. Возможности «чисто» схемного улучшения частотных характеристик оптронных каскадов активно используются при проектировании высокочастотных аналоговых устройств с оптическими связями. Отметим в первую очередь, что коррекцию амплитудно-частотных и фазо-частотных искажений, вносимых оптронами, можно осуществлять уже во входных каскадах устройства до поступления сигнала в оптический тракт. Структурная схема оптоэлектронного устройства с предварительной коррекцией искажений, связанных с действием светодиода, уже рассматривалась (см. рис. 5.1,а). Принципиальная схема каскада, корректирующего фазочастотные искажения, вносимые излучателем, представлена на  Рис. 5.11. Фазокорректирую- Рис. 5.12. Высокочастотный усили-щий каскад тель с оптической развязкой рис. 5.11 [5]. При построении каскада учитывается, что сдвиг фазы, обусловленный инерционностью светодиода, зависит от уровня управляющего сигнала. Поэтому в схему рис. 5.11 введены нелинейные элементы (диоды), изменяющие в зависимости от уровня входных сигналов постоянную времени корректирующей цепи. По данным [5], колебания фазового сдвига, вносимого светодиодом, в зависимости от амплитуды сигналов воз-буждения достигали 2,8°. В устройстве на рис. 5.1,fl с предварительной коррекцией (рис. 5.11) отмеченные, колебания фазового сдвига не превышали 1°. Улучшение частотных характеристик фотодиодных и фототранзисторных каскадов достигается уменьшением электрического сопротивления цепей, соединенных с фотоприемниками. Оптроны в таких схемах работают на низкоомный (токовый) выход, разность потенциалов на фотоприемниках изменяется мало, и емкостные факторы существенно не проявляются. 218  Значительное расширение Частотного диапазона достигается введением линейного транзисторного каскада с общей базой в качестве элемента низкоомной нагрузки фотоприемника. К сожалению, такие каскады не обеспечивают усиления фототока, весьма необходимого во многих оптоэлектронных устройствах. Большей универсальностью и эффективностью в этом плане обладают транзисторные каскады и секции с базовым управлением. В состав высокочастотного оптоэлектронного усилителя [2], представленного на рис. 5.12, входит секция на двух биполярных транзисторах (Т2 и ТЗ), охваченных глубокой отрицательной обратной связью по току, действующей по цепи с резисторами R1 и R2. Входное сопротивление секции низко-омно. Поэтому постоянная времени, определяющая длительность перезарядки емкости фотодиода, невелика и верхняя граничная частота оптоэлектронного устройства (рис. 5.12) сдвигается + в диапазон 10 ... 20 МГц. + "?Г, дг(1? - Л Выход о В рассматриваемой схеме не предусмотрены технические средства, позволяющие улучшить линейность характеристик оптического тракта. Учитывается, однако, что с увеличением тока проводимости светодиода коэффициент передачи тока Кг заметно стабилизируется. Поэтому в схеме (рис. 5.12) статический ток светодиода фиксирован на достаточно высоком уровне (20 мА). Согласно [2] нелинейность преобразования сигналов в диапазоне до 1 В не превышала 2%. Следует все же подчеркнуть, что при /св>10 ... ... 15 мА излучатель действует в неблагоприятном тепловом режиме; по этой причине акцент на большие токи /св далеко не всегда является полезной или рациональной мерой. Изменение разности потенциалов на фотоприемнике в процессе оптоэлектронного преобразования сигналов Рис. 5.13. Малоииерционная схема взаимодействия транзисторного оптрона с операционным усилителем 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 |