6.1.4.  Режимы эксплуатации диодных оптопар

Типичным представителем класса диодных оптопар являются опто­пары, состоящие из арсенидогаллиевого излучателя и крем­ниевого p—i—n-фотодиода, которые связаны кремнийорганической оптической средой.

При эксплуатации оптопар такого типа трудно получить = 20 – 40 нс, которое приводится в паспорте таких при­боров. В самом деле, при тех малых выходных токах, ко­торые обеспечивает эта оптопара, ее нагрузка должна быть 1 – 10 кОм, что при собственной выходной емкости оптопа­ры около 10 пФ дает постоянную времени перезаряда, рав­ную примерно 0,1 – 1 мкс. Таким образом, быстродействие такого типа оптопар определяется чаще всего ее выходной емкостью. Быстродействие оптопар, которое задается в справочниках, определяется при работе на нагрузку 50 Ом, что практически характеризует предельное быстро­действие оптопары, и достижимо при особом построении цепи нагрузки.

Основные зависимости временных параметров быстро­действия диодных оптопар от режима эксплуатации приве­дены на рис. 6.5. Изменение входного тока оптопары по-разному влияет на изменение времени нарастания () и времени  спада (), т.е. время переключения () практичес­ки не меняется. Характерно, что уже при = 3 – 5 В переходные процессы в p—i—n-фотодиоде протекают столь быстро, что быстродействие оптопары определяется излу­чателем и поэтому от напряжения на фотодиоде не зависит.

Для диодных оптопар характерна относительно слабая температурная зависимость () (рис. 6.6), обусловленная главным образом зависимостью от температуры Т парамет­ров излучателя. В диапазоне от -60 до +85 °С зависи­мость  практически линейна и характеризуется температурным коэффициентом:

.

 

Рис. 6.6. Зависимость коэффициента передачи тока от температуры

В классе диодных оптопар выделяют обычно так назы­ваемые оптоизоляторы, которые между излучателем и фото­приемником имеют жесткий световод, упакованный в спе­циальный корпус длиной 40 – 100 мм. Проходная емкость при этом падает до ничтожных значений, около 0,01 пФ, а электрическая прочность повышается до 20 – 50 кВ.

Диодные оптопары обладают наиболее линейной пере­даточной характеристикой среди других типов оптопар и широко применяются для передачи аналогового сигнала. Широкий диапазон рабочих частот, малый уровень соб­ственных шумов, слабая температурная зависимость пара­метров – это также преимущества диодных оптопар с точ­ки зрения их применения в аналоговых устройствах.

Значение коэффициента передачи по току () диодной оптопары можно увеличить, введя в выходную цепь инте­гральный усилитель. Основная трудность передачи аналогового сигнала заключается пре­жде всего в узком диапазоне линейности передаточной ха­рактеристики и низкой степени этой линейности. Типичная пе­редаточная характеристика – зависимость:

для диодной оптопары (рис. 6.7) – линейна в диапазоне от  до . При малых входных токах () излучательная способность излучателя оп­топары еще не достигает нор­мального уровня. При больших входных токах () начинается сказываться разо­грев структуры и, как следствие, температурное изменение параметров.

Рис. 6.7. Передаточная характеристика диодной оптопары

На рис. 6.7 пред­ставлена также зависимость коэффициента передачи по току в относительных единицах:

,

где  – коэффициент передачи по току на линейном участке передаточной характеристики, Кроме того, видно, что на краях рабочего диапазона (при  и ) коэффициент передачи по току () уменьшается. При задан­ном диапазоне изменения входного тока нелинейность  оптопары задается в процентах:

.

Используя современные диодные оптопары (например, АОД 101), при хорошей термостабилизации можно обеспе­чить передачу аналогового сигнала с нелинейностью 1 – 5 % при . Снижение нелинейности ве­дет к резкому сужению рабочего диапазона токов. Сущест­венно осложняет задачу неискаженной передачи аналоговой информации через оптопару большой разброс параметров, а также большая временная нестабильность этих парамет­ров (примерно 5 – 20 % за 100 000 ч.)

Рис. 6.8. Усилитель с дифференциальной оптопарой

Значительно повышается качество передачи аналогового сигнала при использовании дифференциальной диодной оптопары. Рассмотрим принцип улучшения линейности передаточной характеристики с помощью дифференциально диодной оптопары на примере (рис. 6.8). Светоизлучающий диод (СИД) оптопары СД облучает два однотипных, имеющих одинаковые параметры фотодиода ФД₁ и ФД₂. Ток СИД () в такой схеме определяется не только входным током , но и током обратной связи ():

,           (6.2)

где  – коэффициент усиления каскада A₁; — коэффи­циент передачи по току оптопары СД – ФД₁.

Из выражения (6.2) имеем:

.

При глубокой обратной связи () ток СИД равен:

и фототок

.

Для однотипных оптопар коэффициенты  и  одинаковы и изменяются в рав­ной степени. В результате фототок равен:

и не зависит от нелинейности и нестабильности характеристик оптопары. Усиление полезного сигнала обеспечивается каскадом А₂. Нелинейность усиления такого усилителя с дифференци­альной оптопарой составляет 0,01 – 0,2  %, стабильность () в течение 100000 ч равна 0,075 %.

Особым случаем эксплуатации следует считать работу диодных оптопар в фотогальваническом режиме (рис. 6.9). Основным требованием к таким оптопарам (источникам энергии с электрической изоляцией) является высокий КПД:

,                                                      (6.3)

где  – максимальная мощность, которая может быть отдана фотоприемником в нагрузку. Для типичной ВАХ

,

где а = 0,7 – 0,8.

Подставляя значение выходного тока  из выражения (6.1) в выражение (6.3), получаем:

.

Следует иметь в виду, что в последнем выражении исполь­зуется значение , измеренное в
режиме короткого замы­кания на выходе; кроме того, для таких оптопар выгодно использовать фотоприемники на основе широкозонных по­лупроводников, которые обеспечивают большое значе­ние .

Оптопары, предназначенные для эксплуатации в фото­гальваническом режиме, характеризуются большим значе­нием  %; измерение  производится без приложе­ния обратного напряжения.