Устройство и принцип действия оптоэлектронных цифровых ключей

Сравнение динамических параметров различных типов оптронов с аналогичными параметрами дискретных диодов, транзисторов и микросхем показывает, что быстродействие оптронов в настоящее время несколько хуже. Поэтому оптронные схемы, вообще говоря, уступают по быстродействию однотипным устройствам без оптических связей. Снижение быстродействия, связанное с введением оптронов, оказывается сравнительно небольшим лишь при согласовании режима эксплуатации элементов оптрона. Использование в оптронах излучателей (СИД) и диодных или транзисторных фотоприемников приводит к тому, что быстродействие таких оптронов определяется в основном барьерными емкостями излучателя и приемника оптрона. Например, типичные значения емкостей излучателей быстродействующих оптронов составляют (20÷300) пФ, а емкостей фотодиодов и фототранзисторов – (5÷15) пФ. Поэтому для уменьшения длительности переключения оптрона необходимо: 1) форсировать перезаряд входной емкости излучателя; 2) уменьшать длительность перезаряда выходной емкости фотоприемника, изолируя или компенсируя емкостную нагрузку и уменьшая амплитуду выходного напряжения.

Быстрое переключение излучателя с одновременным обеспечением мощного и стабильного потока излучения достигается при управлении оптронами током значительной амплитуды. При этом необходимо, во-первых, фиксировать уровень прямого тока СИД, чем удается обеспечить стабильность светового потока; во-вторых, не превышать предельно допустимого тока СИД. Важно также обеспечить универсальность схем питания излучателя, чтобы режим работы СИД не менялся при замене одного из компонентов схемы.

Рассмотрим, например, переключение излучения от интегральной микросхемы. В схеме ИС (в соответствии с рис. 9.10, а) используется принцип переключения тока I, заданного в цепи высокоомным резистором R (режим источника тока). Если выходной потенциал ИС U_вых превышает напряжение (U₀ – U_сд), то диод Д заперт, а ток I – протекает через светоизлучающий диод, обеспечивая генерацию стабильного светового потока. При переключении ИС ее выходной потенциал снижается, диод Д отпирается и практически весь ток I переключается на вход ИС: Светоизлучающий диод быстро запирается. В качестве входной ИС можно успешно использовать ИС типа ТТЛ, а также ИС с эмиттерными связями.

а) задание входного тока с помощью резистора	б) с помощью транзисторного усилителя
Рис. 8.10. Согласование входа оптрона с выходом ИС

В качестве согласующего элемента используется также эмиттерный повторитель (в соответствии с рис. 8.10, б). Очевидно, что при этом выходной ток ИС составляет (0,01÷0,03)*I в зависимости от коэффициента передачи по току транзистора. Следует иметь в виду, что эмиттерный повторитель управляется выходным напряжением ИС и поэтому ток светодиода I может меняться при смене ИС.

Рассмотрим условия эффективной работы цифровых оптронов на нагрузку. Выходной ток современных диодных фотоприемников относительно невелик, быстродействие фотоприемников ниже уровня современных микросхем. Поэтому для оптимального согласования выхода диодного фотоприемника с нагрузкой необходимо введение промежуточных усилителей тока, а также форсирование перезаряда выходной емкости фотоприемника и емкости нагрузки.

При работе на значительную емкостную нагрузку эффективна схема рис. 8.11, а с последовательным соединением транзисторов в паре с диодным оптроном. При пода­че логической 1 (высокий уровень напряжения) на Вх₁ и логического 0 (низкий уровень напряжения) на Вх₂ отпираются оптрон O₁ и транзистор VT₁, а конденсатор С_н быстро заряжается значительным эмиттерным током I_э1. Транзистор VT₂ и оптрон О₂ при этом заперты. При изменении сигналов (0 на Вх₁ и 1 на Вх₂) конденсатор С_н быстро заряжается через открытый транзистор VТ₂.

а	б
Рис. 8.11. Согласование выхода оптрона с нагрузкой: а-схема с последовательным соединением транзисторов, б-схема с быстродействующим фототранзистором.

Улучшаются выходные динамические характеристики оптронов в схеме рис. 8.11, б, что связано, главным образом, с уменьшением сопротивления нагрузки фотоприемника.

В цепь связи транзисторного фотоприемника и нагрузочного резистора R_н введен быстродействующий транзистор по схеме с общей базой. Выход фототранзистора оказывается нагруженным на низкоомное входное сопротивление транзистора, что ускоряет перезаряд барьерной емкости. Формирование сигнала на R_н определяется быстродействующим транзистором.