Николай Проскурин - Оптоэлектронные ИС: результаты макетирования, моделирования маломощных переключений элементов оптронов

В следующем подразделе приведены исходные данные и результаты макетирования маломощных схем оптоэлектронных логических вентилей на оптопарах производства СНГ с тремя типами ФП.

2.4. Исходные данные и результаты исследования переключения светодиодов в маломощных режимах при макетировании схем логических вентилей

Задачами настоящего подраздела являются проверка функционирования схем ОЛЭ КИПТ типа ОИ, n ИЛИ-НЕ с узлами переключений СД, выполненными по схеме рис.1.10в (см. подр.1.5) на дискретных оптопарах типа СД-ФП и ОЛУ на их основе с возможностью использования маломощных режимов. Анализ узлов схем ОЛЭ показывает обязательное наличие в них элементов оптопар, разнесенных между входными, выходными логическими входами отдельно взятого ОЛЭ [15]. Схема ОЛУ состоит из нескольких ОЛЭ, соединенных между собой для реализации выходной функции Y (по аналогии со схемами цифровых устройств на известных типах логики [1—6]). Между собой две и более схемы ОЛЭ связаны оптически, что предполагает наличие одного излучателя и одного (или нескольких) ФП. Для подтверждения их работоспособности применим в электрических схемах ОЛЭ серийные оптопары (например, ИК диапазона) с несколькими типами ФП так, что выходной СД (являясь излучателем предыдущей схемы ОЛЭ) был оптически связан с логическим входом ФП последующей схемы ОЛЭ (см. рис. 1.10д,е, книга1). Оценим режимы работы СД по параметрам: величина тока І СД(напряжения U СД), мощность потребления Р СД, частота переключения f СДи характеристики модуляции с учетом того, какая часть его ВАХ используется. ВАХ СД представлена на рис.1.8в, она соответствует ВАХ идеальных СД ИК диапазона и описывается выражением 2.1 [10, с.70], а с учетом падения напряжения на слаболегированной области базы СД, обладающей повышенным сопротивлением r (для реального СД) оно несколько меняется и имеет вид 2.2:

где: I Нас., I СД – токи насыщения обратной ВАХ и текущего в СД;

е – заряд электрона, U Пр. – напряжение прямого смещения СД;

k – постоянная Больцмана;

T – температура в градусах Кельвина;

r – сопротивление слаболегированной области базы СД.

Характерными особенностями ВАХ СД является две области, которые можно условно обозначить: 1 – значения тока І СДблизкие к нулю (область большого значения дифференциального сопротивления R Диф. СД= ΔU/ΔІ); 2 – линейной зависимости І СДот U СД(область малого значения дифференциального сопротивления R Диф. СД). Абсцисса перехода зон 1 в 2 соответствует значению порогового напряжения U Пор., при котором возможно его свечение. При анализе работы оптоэлектронной схемы ОИ (на оптопаре СД-ФП), используется упрощенное представление ВАХ СД – путем аппроксимации исходной ВАХ кусочно-линейной функцией [13, с.152], имеющей два участка а и б:

І СД= 0 при U ≤ U Пор., (2.3.1)

І СД= tg b (U – U Пор.) при U ≥ U Пор,(2.3.2)

где tg b = ΔІ / ΔU = 1 / R Диф. – const при U ≥ U Пор.;

В известных устройствах с использованием оптопар типа излучатель – ФП (оптических линий связи, волстронов, элементарных оптопар) рабочая точка СД на их ВАХ обычно выбирается ближе к середине линейного участка 2 и носит название режима «большого сигнала». При проектировании оптоэлектронных устройств для ВОЛС это обусловлено характером требований к режиму функционирования – получением номинальной (или максимальной) мощности оптического излучения Р Изл.и передачи ее по ВОК к удаленному ФП. Для оптопар типа СД-ФП это связано со значением коэффициента передачи по току К, величина которого может уменьшаться при приближении к участку 1 [19,29]. Представляется интересным исследование модуляции СД, в котором включение (излучение) СД обеспечивается переводом его в зону 2 ВАХ, выключение – переводом его в зону 1 ВАХ (при близости к U Пор.в обоих случаях, см. рис.1.8в, раздел1, книга1) для реализации мало- и микромощных схем ОЛЭ КИПТ. Это обеспечивает определенные возможности и преимущества: близкий к единице коэффициент модуляции СД, ненасыщенные режимы включения и получения значений токов СД примерно на порядок менее номинальных для выбранных типов оптопар. При этом желательно добиться получения резкого изменения значения дифференциального сопротивления СД при достаточно малом изменении управляющего сигнала и емкости р-n перехода (С р-n~ ΔQ/ΔU). Эти условия соответствуют режиму «малого сигнала», который отличается повышенной частотой модуляции (примерно на порядок) по сравнению с режимом «большого сигнала». Его представляют в виде наложения на прямой ток СД I Пр. СД0 (или напряжение U Пр. СД0) значение прямого смещения – гармонического возмущения на частоте f [14, с.144]: ΔI Пр. СД0(ΔU Пр. СД0) при ΔI Пр. СД0/I Пр. СД0<<1 (рис.1.11б, подраздел1.4, книга1]. Если принять I Пр. СД0= I Пор., то выражение 1.6 для тока (напряжения) I Пр. СД(U Пр. СД) примет вид:

где: I Пор.(U Пор.) – значение порогового тока (напряжения) СД;

∆I Пор.(∆U Пор.) – значение малого изменения прямого тока (напряжения) СД.

В схеме включения СД по рис.1.8а (книга1) значение U Пр. СД0= U Пор.задано резистором R Н1, а его величина определяется выражением Е – U Пор.= R Н1· I Пр. СД. Напряжение питания Е должно иметь высокий коэффициент стабилизации (определяется режимом модуляции СД типа «малый сигнал» и повышенной чувствительностью к значениям I Пор., ∆I Пор., рис.1.8в, книга1), что достигается применением прецизионных стабилизаторов [6, т.9, с.135]. Недостатком этого режима является разброс параметра I Пор.(U Пор.) СД в регулярных структурах, что преодолевается улучшением их технологий.

В следующем подразделе приведены результаты исследования маломощного переключения СД в макетах схем ОЛЭ и ОЛУ на их основе.

2.4.1. Исследование процессов переключения светодиодов и отклика фотоприемников на макетах маломощных схем модуляторов – инверторов

Для исследований условий переключения выходного СД в схеме ОИ выбраны оптроны с тремя типами ФП: на основе фоторезистора (ФР), n-p-n фототранзистора (ФТр.) и фотодиода (ФД), в которых СД и ФП составляют оптопару – АОР124Б1 (СД-ФР), АОТ101БС (СД-ФТр. с «оборванной» Б) и АОД 120А-1 (СД- p-i-n ФД); параметры оптопар приведены в [29,30]. В состав схемы ОИ, приведенной на рис.2.1а входят: излучающий элемент СД, ФП в виде ФР, входной и выходной ВОК, сопротивление R1, задающее ток СД, основной, дополнительный источники питания (ОИП, ДИП) Е1, Е2. Целью исследования являлось изучение условий переключений выходных СД схемы ОИ (статика, динамика), исследование особенностей поведения ФП при малых значениях подводимой к ним оптической мощности, определение величины коэффициента К. Осуществлялись измерения и расчет параметров маломощного режима переключения СД, ФП в схемах типа ОИ (при напряжении ОИП Е1~ 3,75…5,0В) входной, выходной электрических (оптических) мощностей, коэффициента передачи по току К, построение АЧХ при сниженных значениях электрического тока СД (мощности потребления оптопары) на порядок меньше номинального. Методика расчета электрических элементов схемы маломощного оптоэлектронного инвертора (ОИ) приведена в приложении Б.1 (режим – статика).