Элементы и устройства оптоэлектроники

Оптоэлектроника – это область электроники, в которой в качестве носителя информации используется электромагнитные волны оптического диапазона, т.е 10^-8 … 10^{-3 м} , что соответствует частотам = 3×10¹⁶ … 3×10¹¹ Гц. Видимый свет имеет длину волны 0,4×10^-6 …0,7×10^{-6 м.}

В оптоэлектронике световой луч выполняет те же функции управления, преобразования и связи, что и электрический сигнал в электрических цепях.

Обобщенная схема оптоэлектронной системы включает в себя источник оптического излучения, световод и приемник оптического излучения.

Источники оптического излучения

Источники оптического излучения делятся на:

1) Источники некогерентного излучения в виде ламп накаливания, электролюминесцентных конденсаторов, инжекционные светодиоды, газоразрядные лампы.

2) Источники когерентного (индуцированного) излучения в виде лазера.

Лампы накаливания – наиболее простой излучатель с широким спектром излучения. Применяется в системах промышленной автоматики для счета деталей, защиты частей тела при работе на прессах, металлорежущем оборудовании, метрополитене. Основные недостатки:

§ большая инерционность (максимальная частота 10 – 20 Гц);

§ низка стабильность параметров;

§ большая потребляемая мощность.

Газоразрядные лампы излучают свет сравнительно узкого спектра с максимумом в области в области зеленого, красного, желто-оранжевого цветов.

Быстродействие большое – более 10³.. 10⁴ Гц, недостатки:

§ невысокая стабильность параметров;

§ значительные габаритные размеры.

Электролюминесцентные конденсаторы – выполнены в виде конденсатора, диэлектриком которого является люминофор. В качестве люминофора может быть применен сернистый цинк или фосфорсодержащие взвеси. Цвет излучения – от голубого до желтого, напряжение питания составляет от 50 до 300 В.

При использовании в качестве диэлектрика поликристаллической пленки из сублимата фосфора, напряжение питания составляет 2 – 2,5 В постоянного тока. Недостатки:

§ низкое быстродействие;

§ ограниченный срок службы.

Лазеры – генераторы монохроматического когерентного излучения. Принцип действия основан на охвате положительной обратной связи оптического резонансного усилителя, к которому извне подводится энергия. Лазеры подразделяются:

1) твердотельные;

2) газовые;

3) жидкостные;

4) полупроводниковые.

Светоизлучающие диоды – один из наиболее широко применяемых излучателей в оптоэлектронике. Основными материалами для изготовления светодиодов являются арсенид и фосфиды галлия, индия.

ВАХ светодиода схожа с ВАХ полупроводникового диода. Рабочий участок – прямая ветвь.

; .

Рекомбинация электронов и дырок сопровождается выделением квантов света в окружающее пространство. Быстродействие системы высокое 10^-8..10^-9 с.

Приемники оптического излучения

Предназначены для преобразования излучения в световую энергию.

1) Фоторезисторы. Относятся к приборам, сопротивление которых изменяется под действием инфракрасного видимого или ультрафиолетового излучения.

Преимущества:

§ высокая чувствительность;

§ большие значения фототока;

§ значительная рабочая площадь фотоприемника.

Недостатки:

§ значительная инерционность;

§ температурная зависимость;

§ влияние влажности.

Применяются в устройствах, реагирующих на видимый свет (устройства сигнализации, фотореле).

2) Фотодиоды. При поглощении фотона с достаточно большой энергией атом кристаллической решетки полупроводника генерируется пара электрон-дырка, ко торые, перемещаясь к противоположным выводам, образуют ток. Фотодиоды могут работать в городских рекламах в режимах:

§ фотодиодном (фотопреобразовательном);

§ вентильном (фотогенераторном).

Во втором режиме фотодиод включается без источника питания и, под воздействием световой энергии, генерирует фото-ЭДС. В первом режиме к фотодиоду в обратном направлении подключается источник ЭДС и сопротивление нагрузки. Фотодиод включается в обратном направлении.

3) Фототранзистор. Это фотоприемник с внутренним усилением (а,б).

4) Фототиристор. Имеет пороговую ключевую характеристику (в);

5) Фотосимистор (г).

Оптроны

Оптрон – оптоэлектронный прибор, содержащий источник и приемник светового излучения, оптически и конструктивно связанные между собой.

Основная особенность оптрона – обеспечивает гальваническую развязку входных и выходных цепей. Сопротивление изоляции: 10¹² … 10¹⁴ Ом. В качестве источников и приемников оптического излучения могут использоваться все выше рассмотренные.

На рис. а) представлена оптронная пара, в которой:

§ ИС – источник света;

§ ФП – фотоприемник.

На рис. б) представлено условное обозначение оптронной пары «светодиод-фотодиод». Недостатки оптронов: нелинейность их характеристики, зависимость параметров от температуры, относительно большая погрешность преобразования (5…8 %)

Твердотельные реле (на основе полевого транзистора)

Рассматривается схема твердотельного реле на основе симистора.

Цифровые запоминающие устройства (ЦЗУ)

ЦЗУ предназначены для записи, хранения, выдачи информации, представленной в виде цифрового кода.

Основными характеристиками ЗУ являются информационная емкость, быстродействие и время хранения информации.

Классифицируют ЗУ по следующим признакам:

§ функциональному назначению;

§ способу исполнения операций; технологическому исполнению;

§ способу исполнения к массиву элементов памяти.

По функциональному назначению ЗУ подразделяются на группы:

1) оперативные ЗУ (ОЗУ, или RAM), предназначенные для хранения цифровой информации в процессе ее обработки;

2) постоянные ЗУ (ПЗУ, или ROM) – матрицы пассивных элементов памяти, предназначенные для воспроизведения неизменной информации, программируются на производстве (наиболее дешевая продукция для массового потребления);

3) программируемые постоянные ЗУ (ППЗУ, или PROM) – в отличие от ROM имеют возможность однократного электронного программирования;

4) репрограммируемые ПЗУ с ультрафиолетовым стиранием и электронной записью информации (РПЗУ-УФ, или ЕPROM);

5) репрограммируемые постоянные ЗУ с электрическим стиранием (РПЗУ, или ЕЕPROM) имеют возможность однократного электронного перепрограммирования; число циклов записи и стирания, как правило, ограничено; срок хранения информации от 100 до 200 лет.

По способу хранения информации ЗУ делятся на группы:

§ статические;

§ динамические.

Элементы памяти статических ОЗУ представляют собой би-стабильные ячейки.

Динамические ЗУ для хранения информации используют инерционные свойства реактивных элементов, например, конденсаторов, что требует периодического восстановления (регенерации) состояния элементов в памяти в процессе хранения информации. Как правило, регенерация совмещается с обращением к элементам памяти.

Статические ОЗУ

Статические ОЗУ имеют преимущества за счет:

§ низкого потребления энергии;

§ длительного хранения информации.

Информация, записанная в статические ОЗУ, может сохраняться до тех пор, пока не будет заменена другой или не будет снято напряжение питания.

Динамические ОЗУ

Для увеличения информационной емкости широко используются ОЗУ, в которых информация хранится в виде заряда соответствующих емкостей.

Время хранения информации, как правило, не превышает 1 мс, поэтому периодичность ее восстановления должна приближаться к этому значению.

Отличительной особенностью микросхем динамических ОЗУ является их адресация. Схема динамического ОЗУ отличается от схем статического ОЗУ использованием последовательной адресации: вначале на адресный вход подается строб адреса строки (RAS), а затем подается строб адреса столбца (CAS).

Последовательное EEPROM в формате шины i²C