План
1. Излучательная генерация и рекомбинация носителей заряда в полупроводниках под действием излучения.
2. Фотосопротивления
3. Фотодиоды
4. Фотоэлементы
5. Фототранзисторы
6. Фототиристоры
7. Оптроны, оптопары
1. Излучательная генерация и рекомбинация носителей заряда в полупроводниках под действием излучения.
Работа различных полупроводниковых приемников излучения основана на использовании внутреннего фотоэффекта, который состоит в том, что под действием излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей заряда – электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость. Такая добавочная проводимость, обусловленная действием фотонов, получила название фотопроводимости. У металлов явление фотопроводимости практически отсутствует, так как у них концентрация электронов проводимости огромна (примерно 1022 на см3) и не может заметно увеличиться под действием излучения. В некоторых приборах за счет фотогенерации электронов и дырок возникает ЭДС, которую принято называть фотоЭДС, и тогда эти приборы работают как источники тока. В результате рекомбинации электронов и дырок в полупроводниках образуются фотоны, и при некоторых условиях полупроводниковые приборы могут работать в качестве источников излучения.
2. Фотосопротивления
Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, сопротивление которого изменяется под действием излучения (рис. 8.1). На диэлектрическую пластину нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3 по краям. Полярность источника питания не играет роли.
Если облучения нет, то фоторезистор имеет некоторое большое сопротивление Rт, называемое темновым. Оно является одним из параметров фоторезистора и составляет величину 104–107 Ом. Соответствующий ток через фоторезистор называют темновым током. При действии на фоторезистор излучения с энергией фотонов, достаточной для генерации пар подвижных носителей заряда, его сопротивление уменьшается.
Фоторезисторы характеризуются удельной чувствительностью, т. е. интегральной чувствительностью отнесенной к 1 В приложенного напряжения:
где Ф – световой поток.
 |
Обычно удельная чувствительность составляет несколько сотен или тысяч микроампер на вольт-люмен.
Рис. 8.1 устройство и схема включения фоторезистора
Фоторезисторы имеют линейную вольт-амперную и нелинейную энергетическую характеристики (рис. 8.2). К параметрам фоторезисторов следует еще отнести максимальное допустимое рабочее напряжение (до 600 В), кратность изменения сопротивления (может быть до 500), температурный коэффициент фототока ТКФ = DI/I × DT. Значительная зависимость сопротивления от температуры, характерная в целом для полупроводников, является недостатком и фоторезисторов, а также их большую инерционность, объясняющуюся довольно большим временем рекомбинации электронов и дырок после прекращения облучения. Практически фоторезисторы применяются лишь на частотах не выше нескольких сотен герц или единиц килогерц. Собственные шумы фоторезисторов значительны. Тем не менее, фоторезисторы широко применяются в различных схемах автоматики и во многих других устройствах.
 |
Рис. 8.2 Вольт-амперная (а) и энергетическая (б) характеристики фоторезистора
3. Фотодиоды
 |
Фотодиоды представляют собой полупроводниковые диоды, работающие при обратном напряжении, в которых используется внутренний фотоэффект. Световой поток управляет обратным током фотодиодов. Под воздействием света на электронно-дырочный переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей заряда, проводимость диода возрастает и обратный ток увеличивается. Такой режим работы называется фотодиодным (рис. 8.3).
Рис. 8.3 Схема включения фотодиода в фотодиодном режиме
Вольт-амперные характеристики I = f (U) при Ф = соnst для фотодиодного режима (рис. 8.4 а) напоминают выходные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с ОБ. Если светового потока нет, то через фотодиод протекает обычный начальный обратный ток I0, который называют темновым. А под действием светового потока ток в диоде возрастает, и характеристика проходит выше. Повышение обратного напряжения на диоде незначительно увеличивает ток. Но при некотором напряжении может возникнуть электрический пробой (штриховые участки). Энергетические характеристики фотодиода I = f (Ф) при U = соnst линейны и мало зависят от напряжения (рис. 8.4 б).
 |
Рис. 8.4 Вольт-амперные (а) и энергетические (б) характеристики фотодиода в фотодиодном режиме
Интегральная чувствительность фотодиода обычно составляет десятки миллиампер на люмен. Инерционность фотодиодов невелика. Они могут работать на частотах до нескольких сотен мегагерц. Рабочее напряжение у фотодиодов обычно 10–30 В. Темновой ток не превышает 20 мкА для германиевых приборов и 2 мкА – для кремниевых. Ток при освещении составляет сотни микроампер. В последнее время разрабатываются фотодиоды на основе сложных полупроводниковых соединений, наиболее чувствительные к инфракрасному излучению.
Полупроводниковые фотоэлементы, иначе называемые вентильными или фотогальваническими, служат для преобразования энергии излучения в электрическую энергию. По существу, они представляют собой фотодиоды, работающие без источника внешнего напряжения и создающие собственную ЭДС под действием излучения.
Фотоны, воздействуя на p–n-переход и прилегающие к нему области, вызывают генерацию пар носителей заряда. Возникшие в n- и р-областях электроны и дырки диффундируют к переходу, и если они не успели рeкомбинировать, то попадают под действие внутреннего электрического поля, имеющегося в переходе. Поле разделяет электроны и дырки. Для нeосновных носителей, например для электронов, возникших в р-области, поле перехода является ускоряющим. Оно перебрасывает электроны в n-область. Аналогично дырки перебрасываются полем из n-области в р-область. А для основных носителей, например дырок в р-области, поле перехода является тормозящим, и эти носители остаются в своей области, т. е. дырки остаются в р-области, а электроны – в n-области (рис. 8.5 а).
В результате такого процесса в n- и р-областях накапливаются избыточные основные носители, т. е. создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называют фотоЭДС (Еф). С увеличением светового потока фотоЭДС растет по нелинейному закону (рис. 8.5 б). Значение ЭДС может достигать нескольких десятых долей вольта. При включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку (рис. 17, в) возникает фототок IФ = ЕФ/(RН + Ri), где Ri – внутреннее сопротивление самого фотоэлемента.
 |
Рис. 8.5 Процесс генерации носителей заряда (а); зависимость фотоЭДС от светового потока (б) и схема включения фотоэлемента (в)
В настоящее время важное значение имеют кремниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных преобразователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в электрическую, и ЭДС их достигает 0,5 В. Из таких элементов путем последовательного и параллельного соединения создаются солнечные батареи, которые могут развивать мощность до нескольких киловатт.
4. Фототранзисторы
Значительно выше по сравнению с фотодиодами интегральная чувствительность у фототранзисторов. Биполярный фототранзистор представляет собой транзистор, в корпусе его сделано прозрачное «окно», через которое световой поток может воздействовать на область базы (рис. 8.6 а). На эмиттерный переход подано прямое напряжение, а на коллекторный – обратное.
Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда – электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному переходу, в котором происходит их разделение так же, как и в фотодиоде.
Дырки под действием поля коллекторного перехода идут из базы в коллектор и увеличивают ток коллектора. А электроны остаются в базе и повышают прямое напряжение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток коллектора. В транзисторе типа n–p–n все происходит аналогично.
Интегральная чувствительность у фототранзистора в десятки раз больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен миллиампер на люмен. Фототранзистор со «свободной» базой имеет низкую температурную стабильность. Для устранения этого недостатка применяют схемы стабилизации, которые были рассмотрены ранее. При этом должен быть использован вывод базы. На этот вывод можно также подавать постоянное напряжение смещения или электрические сигналы и осуществлять
 |
совместное действие этих сигналов и световых.
Рис. 8.6 Структура и схема включения фототранзистора со «свободной» базой (а) и выходные характеристики фототранзистора (б)
Выходные характеристики фототранзистора (рис. 8.6 б) аналогичны выходным характеристикам для включения транзистора по схеме с ОЭ, но различные кривые соответствуют различным значениям светового потока. При повышенном напряжении возникает электрический пробой (штриховые участки).
Параметры фототранзисторов – интегральная чувствительность, рабочее напряжение (10–15 В), темновой ток (до сотен микроампер), рабочий ток (до десятков миллиампер), максимальная допустимая рассеиваемая мощность (до десятков милливатт), граничная частота. Недостаток фототранзисторов – сравнительно высокий уровень собственных шумов.
Помимо рассмотренного биполярного фототранзистора применяются и другие. Составной фототранзистор представляет собой фототранзистор, соединенный с обычным транзистором. Составной транзистор имеет коэффициент усиления тока β, равный произведению коэффициентов усиления двух транзисторов β1×β2. В результате интегральная чувствительность у составного фототранзистора в десятки раз больше, чем у обычного, и в тысячи раз больше, чем у фотодиодов. Высокая чувствительность и хорошее быстродействие достигаются при сочетании фотодиода с высокочастотным транзистором.
5. Фототиристоры
Тиристорные четырехслойные структуры р–n–р–n (рис. 21) могут управляться световым потоком, подобно тому, как триодные тиристоры управляются напряжением, подаваемым на один из эмиттерных переходов. При действии света на область базы р1 в ней генерируются электроны и дырки, которые диффундируют к р–п-переходам. Электроны, попадая в область перехода П2, находящегося под обратным напряжением, уменьшают его сопротивление. За счет этого происходит перераспределение напряжения, приложенного к тиристору: напряжение на переходе П2 несколько уменьшается, а напряжения на переходах П1 и П3 несколько увеличиваются. Но тогда усиливается инжекция в переходах П1 и П3, к переходу П2 приходят инжектированные носители, его сопротивление снова уменьшается и происходит дополнительное перераспределение напряжения, еще больше усиливается инжекция в переходах П1 и П3, ток лавинообразно нарастает (рис. 8.7 а), т. е. тиристор отпирается.
Чем больше световой поток, действующий на тиристор, тем при меньшем напряжении включается тиристор. После включения на тиристоре устанавливается небольшое напряжение и почти все напряжение источника Е падает на нагрузке. Иногда у фототиристора бывает сделан вывод от одной из базовых областей (р1 или п2). Если через этот вывод подавать на соответствующий эмиттерный переход прямое напряжение, то можно понижать напряжение включения. Само включение по-прежнему будет осуществляться действием светового потока.
Фототиристоры могут успешно применяться в различных автоматических устройствах в качестве бесконтактных ключей для включения значительных напряжений и мощностей. Важные достоинства фототиристоров – малое потребление мощности во включенном состоянии, малые габариты, отсутствие искрения, малое время включения.
 |
Рис. 8.7 Структура и схема включения (а) и вольт-амперная характеристика фототиристора (б)
6. Оптроны, оптопары
Оптрон – это полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объединены источник и приемник излучения, имеющие между собой оптическую связь. В источнике излучения электрические сигналы преобразуются в световые, которые воздействуют на фотоприемник и создают в нем снова электрические сигналы. Если оптрон имеет только один излучатель и один приемник излучения, то его называют оптопарой или элементарным оптроном. Микросхема, состоящая из одной или нескольких оптопар с дополнительными согласующими и усилительными устройствами, называется оптоэлектронной интегральной микросхемой. На входе и выходе оптрона всегда имеются электрические сигналы, а связь входа с выходом осуществляется световыми сигналами. Цепь излучателя является управляющей, а цепь фотоприемника – управляемой.
Важнейшие достоинства оптронов:
1. Отсутствие электрической связи между входом и выходом и обратной связи между фотоприемником и излучателем. Сопротивление изоляции между входом и выходом может достигать 1014 Ом, а проходная емкость
не превышает 2 пФ и в некоторых оптронах снижается до малых долей пикофарада.
2. Широкая полоса частот пропускаемых колебаний, возможность передачи сигналов с частотой от нуля до 1014 Гц.
3. Возможность управления выходными сигналами путем воздействия на оптическую часть.
4. Высокая помехозащищенность оптического канала, т. е. его невосприимчивость к воздействию внешних электромагнитных полей.
5. Возможность совмещения в РЭА с другими полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.
Недостатки оптронов следующие:
1. Относительно большая потребляемая мощность из-за того, что дважды происходит преобразование энергии с невысоким КПД.
2. Невысокая температурная стабильность и радиационная стойкость.
3. Заметное ухудшение параметров с течением времени.
4. Сравнительно высокий уровень собственных шумов.
Особую конструкцию имеют оптопары с открытым оптическим каналом. У них между излучателем и фотоприемником имеется воздушный зазор (рис. 8.8 б), в котором может перемещаться светонепроницаемая преграда, например перфолента с отверстиями. С помощью перфоленты можно управлять световым потоком. В другом варианте оптопар с открытым каналом световой поток излучателя попадает в фотоприемник, отражаясь от какого-либо объекта.
 |
Рис. 8.8 а) Принцип устройства оптопары: 1 – излучатель; 2 – оптически прозрачный клей; 3 – фотоприёмник; б) Оптопары с открытым оптическим каналом: 1 – излучатель; 2 – фотоприёмник; 3 – объект
Рассмотрим различные типы оптопар, отличающиеся друг от друга фотоприемниками.
Резисторные оптопары имеют в качестве излучателя сверхминиатюрную лампочку накаливания или светодиод, дающий видимое или инфракрасное излучение. Приемником излучения является фоторезистор из селенида кадмия или сульфида кадмия для видимого излучения, а для инфракрасного – из селенида или сульфида свинца. Фоторезистор может работать как на постоянном, так и на переменном токе.
На рис. 8.9 схематически изображена резисторная оптопара, у которой выходная цепь питается от источника напряжения Е и имеет нагрузку Rн. Напряжение Uynp, подаваемое на светодиод, управляет током в нагрузке. Цепь управления изолирована от фоторезистора, который может быть включен в цепь относительно высокого напряжения, например 220 В.
 |
Резисторные оптопары применяются для автоматического регулирования усиления, связи между каскадами, управления бесконтактными делителями напряжения, модуляции сигналов, формирования различных сигналов и т. д.
Рис. 8.9. Схема включения резисторной оптопары
Диодные оптопары (рис. 8.1) имеют обычно кремниевый фотодиод и инфракрасный арсенид-галлиевый светодиод. Фотодиод может работать в фотогенераторном режиме, создавая фотоЭДС до 0,8 В, или в фотодиодном режиме.
Применение диодных оптопар весьма разнообразно. Например, на основе диодных оптопар создаются импульсные трансформаторы, не имеющие обмоток. Оптопары используются для передачи сигналов между блоками сложной РЭА, для управления работой различных микросхем, особенно микросхем на МДП-транзисторах, у которых входной ток очень мал. Разновидность диодных оптопар – оптопары, в которых фотоприемником служит фотоварикап (рис. 8.10).
Транзисторные оптопары (рис. 8.10) имеют обычно в качестве излучателя арсенид-галлиевый светодиод, а приемника излучения – биполярный кремниевый фототранзистор типа п–р–п. Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом режиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле и во многих других случаях.
Для повышения чувствительности в оптопаре может быть использован составной транзистор (рис. 8.10) или фотодиод с транзистором. Оптопары с составным транзистором обладают наибольшим коэффициентом передачи тока, но наименьшим быстродействием, а наибольшее быстродействие характерно для диодно-транзисторных оптопар.
Разновидность транзисторных оптопар – оптопары с полевым фототранзистором (рис. 8.10). Они отличаются хорошей линейностью выходной ВАХ в широком диапазоне напряжений и токов и поэтому удобны для аналоговых схем.
Тиристорные оптопары имеют в качестве фотоприемника кремниевый фототиристор (рис. 8.10) и применяются в ключевых режимах. Основная область использования – схемы для формирования мощных импульсов, управления мощными тиристорами, управления и коммутации различных устройств с мощными нагрузками.
Оптоэлектронные интегральные микросхемы (ОЭ ИМС) имеют оптическую связь между отдельными узлами или компонентами. В этих микросхемах изготовляемых на основе диодных, транзисторных и тиристорных оптопар, кроме излучателей и фотоприемников содержатся еще устройства для обработки сигналов, полученных от фотоприемника. Особенность ОЭ ИМС – однонаправленная передача сигнала и отсутствие обратной связи.
Различные ОЭ ИМС используются главным образом в качестве переключателей логических и аналоговых сигналов, реле и схем цифро-буквенной индикации. Кроме ряда параметров, аналогичных параметрам обычных оптопар, для ОЭ ИМС еще характерны входные и выходные токи и напряжения, соответствующие логическим единице и нулю, время задержки включения и выключения, напряжение источника питания и потребляемый ток.
 |
Рис. 8.10 Различные типы оптопар
Лекция 9. Активные фильтры
Электрические фильтры являются важным классом электронных устройств, преобразующих спектр входного сигнала. Однако изученные ранее пассивные электрические фильтры имели один существенный недостаток – они не усиливали входной сигнал, а лишь ослабляли его в большей или меньшей степени. В отличии от них активные фильтры могут совершать усиление входного сигнала, то есть, обладают усилительными свойствами. Кроме того, реализация практических схем активных фильтров на ОУ позволяет оптимизировать их параметры в самой широкой области частот.
Одной из самых распространенных в современной электронике схем являются схемы фильтров Саллена и Кея, рассматриваемых в этой лекции.
1. Фильтры нижних частот
Для реализации ФНЧ часто используют АЧХ, которую можно получить, подавая сигнал на RLC- фильтр, показанный на рис. 9.1. Эта АЧХ выгодно отличается от АЧХ RC- фильтра более крутым спуском.
Рис. 9.1 RLC- фильтр и его АЧХ
АЧХ такого фильтра будет следующей:
Резонанс наступает на частоте
В этой точке величина коэффициента передачи принимает максимальное значение.
Активный фильтр нижних частот Саллена и Кея представлен на рис. 9.2. Эта схема имеет такую же АЧХ, как и рассмотренный выше RLC- фильтр. Но, в отличие от него, не содержит индуктивности, что является ее существенным достоинством.
Рис. 9.2 Активный НЧ-фильтр Саллена и Кея (а) и схема его замещения (б)
Здесь генератор VO имитирует петлю обратной связи, создаваемой в схеме и приложенной к нижней обкладке конденсатора.
Запишем для входного напряжения VX
Ток на входе
Поэтому
По 2-му закону Кирхгофа запишем напряжение VY
Ток IY
Тогда входной ток по 1-му закону Кирхгофа равен
Следовательно, входное напряжение V1 равно
Тогда передаточная функция имеет вид:
Резонанс наступает на частоте
Частота резонанса
Резонансную частоту следует выбирать вблизи изгиба АЧХ. Начиная с этой частоты выходное напряжение начинает падать, поэтому частоту f0 называют частотой среза этого фильтра.
Для упрощения формулы вводят следующие допущения: R1 = R2 = R; C2 = C; C1 = nC. Также положим коэффициент усиления равным 1. Тогда, получим следующее выражение:
Сравнивая это выражение с выражением для RLC- фильтра, можно сделать вывод об их идентичности.
Произведя сравнение, запишем выражение для добротности фильтра
Типичное значение добротности равно 1, поэтому n = 4.
Тогда резонансная частота равна
Другой путь упрощения состоит в том, что делаются равными резисторы R1 = R2 = R и емкости C1 = C2 = C и варьируется добротность путем изменения коэффициента усиления A.
В этом случае
В этом случае резонансная частота
А добротность
Полезным является такое значение Q, которое дает максимально резкий изгиб АЧХ, не вызывая при этом подъема характеристики в области пропускания. Такой фильтр называют фильтром с максимально плоской характеристикой или фильтром Баттерворта, и это имеет место, когда
Требуемое значение коэффициента усиления определяют из выражения
Для характеристики Баттерворта оно равно 1,6.
На рис. 9.3 приведена практическая схема фильтра нижних частот с характеристикой Баттерворта с частотой среза примерно равной 1 кГц.
Рис. 9.3 Схема фильтра НЧ с характеристикой Баттерворта
Рис. 9.4 АЧХ фильтра НЧ при различных значениях добротности с номиналами R и C, показанными на рис. 9.3.
На рис. 9.4 показаны АЧХ фильтра НЧ для различных значений добротностей, варьируемых с помощью коэффициента усиления. Видно, что самый плоский изгиб характеристики в конце области пропускания соответствует величине добротности, равной 0,7, то есть, кривой Баттерворта.
2. Фильтры верхних частот
Заменив в предыдущей схеме резистор и конденсатор, получим схему фильтра верхних частот, показанную на рис. 9.5.
Можно показать, что при R1 = R2 = R и C1 = C2 = C
Частотные характеристики такого фильтра представлены на рис. 9.6 для различных значений добротностей (при трех значениях коэффициентов усиления при R = 15 кОм и C = 0,01 мкФ.
Рис. 9.5 Активный фильтр верхних частот
Рис. 9.6 АЧЧ активного фильтра ВЧ для различных значений добротностей
3. Полосовые фильтры
Как известно, полосовой фильтр должен пропускать входной спектр определенной полосы частот в пределах от fmin до fmax. Реализация активных полосовых фильтров возможна, если применить петлю отрицательной обратной связи ту или иную схему подавления частоты (режекции), как показано на рис. 9.7.
Рис. 9.7 Простейшая схема активного полосового фильтра
При этом сопротивление резистора Rf определяет как необходимый коэффициент усиления, так и величину добротности фильтра.
Ниже приведены две схемы режекции, пригодные для использования в цепи обратной связи (см. рис. 9.8).
Рис. 9.8 Схемы режекции: а) параллельный колебательный контур; б) двойной Т-образный мост.
Первая схема представляет собой колебательный контур с частотой резонанса:
В двойном Т-образном мосте удается избежать использования индуктивности, при этом резонансная частота будет равна:
Недостаток двойного Т-образного моста состоит в том, что для перестройки частоты в нем приходится изменять сопротивление трех резисторов, что усложняет устройство.
Наиболее употребимым является активный фильтр с несколькими обратными связями, показанный на рис. 9.9. Резонансная частота такого фильтра равна:
Ширина полосы на уровне – 3 дБ равна
Коэффициент усиления при резонансе равен
Из приведенных выше формул следует, что при изменении величины R2, частота резонанса изменяется, но при этом ширина полосы и коэффициент усиления остаются неизменными. Таким образом, данный фильтр можно применять в качестве регулятора настройки.
Добротность схемы можно найти по формуле:
 |
Типичная АЧХ фильтра с несколькими обратными связями показана на рис. 9.9. Она построена при следующих значениях компонентов: R3 = 100 кОм; R1 = 47 кОм; R2 = 68 Ом; С = 150 нФ; максимальный коэффициент передачи равен 1; Q = 20; f0 = 400 Гц.
Рис. 9.9 АЧХ активного фильтра с несколькими обратными связями
Если два полосовых фильтра включить каскадно, то АЧХ в области срезов станет значительно круче. Если при этом поварьировать резонансные частоты, то можно получить хорошее приближение к идеальной АЧХ полосового фильтра (см. рис. 9.10).
 |
Рис. 9.10 АЧХ каскадного включения полосовых фильтров с немного отличающимися резонансными частотами
Дата: 2019-03-05, просмотров: 345.
