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.