ОПТОПАРА ЛИНЕЙНАЯ

Полезная модель относится к электронной технике и может быть использована для передачи сигналов в электронной аппаратуре.
Известна оптопара линейная, состоящая из светодиода и двух фотодиодов (Патент США 5903016). Фотодиоды выполнены в виде одного кристалла на общей подложке и имеют форму прямоугольных колец, вписанных одно в другое. Светодиод расположен в центре, излучающей стороной вверх. Оптическая связь светодиода с фотодиодами осуществляется посредством прозрачного купола с отражающим покрытием.
Известно, что линейная оптопара, известная еще как дифференциальная оптопара, характеризуется наличием основного фотодиода (основная оптопара) и фотодиода обратной связи (оптопара обратной связи или серво оптопара), которые оптически связаны с одним светодиодом. Такая конструкция из двух оптопар с одним светодиодом используется для построения линейных изолированных усилителей, в которых основная оптопара используется для передачи сигнала, а оптопара обратной связи служит для компенсации нелинейности передаточной характеристики основной оптопары. Коэффициент передачи такого линейного усилителя определяется отношением коэффициентов передачи по току основной оптопары и оптопары обратной связи Отношение коэффициентов передачи по току основной оптопары и оптопары обратной связи должно быть одинаковым для разных линейных оптопар, что важно при их промышленном изготовлении. В прототипе отношение коэффициентов передачи по току основной оптопары и оптопары обратной связи определяется геометрическими свойствами отражающего купола и отражающего покрытия. Очевидно, что при изменении высоты купола отношение коэффициентов передач по току основной оптопары и оптопары обратной связи будет сильно изменяться и воспроизводимость параметров для разных оптопар будет слабой. Таким образом, для достижения воспроизводимости параметров линейных оптопар в производстве, точность изготовления отражающего купола должна быть достаточно высока, что требует применения точных литьевых форм либо точной дозировки оптического компаунда, что ведет к усложнению и удорожанию конструкции линейной оптопары.
Цель настоящей полезной модели - упрощение конструкции и улучшение воспроизводимости параметров оптопары линейной.
Указанная цель достигается тем, что первый и второй фотодиоды выполнены в виде чередующихся ячеек, светодиод расположен над фотодиодами излучающей стороной к ним, и упомянутые светодиод и фотодиоды разделены прозрачным изолятором, а изолятор вместе со светодиодом покрыты светоотражающим слоем.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков является упрощение конструкции и улучшение воспроизводимости параметров оптопары линейной.
Конструкция оптопары линейной (подложка с фотодиодами показана в сечении А-А Фиг.2) поясняется Фиг.1, на которой изображены p-n-структура первого фотодиода 1, p-n-структура второго фотодиода 2, подложка 3, в которой сформированы структуры фотодиодов 1 и 2, изолирующий слой двуокиси кремния 4, электрические соединения между элементами фотодиодов 5, контактная площадка 6 катода фотодиода 1, прозрачный изолятор 7, светодиод 8, контактные площадки 9 светодиода 8, отражающий слой 10, выводы фотодиодов 11, выводы светодиодов 12. На Фиг.1 для упрощения рисунка показано, что каждый из фотодиодов состоит из 3 ячеек. Очевидно, что, уменьшая ширину одной ячейки или увеличивая размер кристалла с фотодиодами можно получить большее число ячеек.
На Фиг.2 показана конструкция кристалла с фотодиодами, вид сверху.
На Фиг.3 показана электрическая схема изолированного усилителя.
Оптопара линейная работает следующим образом. При протекании тока через светодиод 8 он начинает излучать свет, который через прозрачный изолятор 7 падает на отдельные ячейки фотодиодов 1 и 2 и, попадая на их p-n-переходы генерирует в них электрический ток. Этот ток выводится на наружные схемы через контактные площадки 6 и выводы 11.
Из Фиг.1 видно, что поскольку ячейки фотодиодов 1 и 2 чередуются, и сами ячейки имеют достаточно небольшую ширину, то суммарные токи фотодиодов 1 и 2 будут иметь примерно одинаковые значения. Очевидно, что при уменьшении ширины ячеек фотодиодов 1 и 2, или, иными словами, при увеличении плотности ячеек на единицу площади, значения токов, генерируемых фотодиодами 1 и 2, будут стремиться друг к другу. Надо отметить, что увеличение толщины оптически прозрачного изолятора 7 улучшает равномерность освещения фотодиодов 1 и 2, и способствует воспроизводимости электрических параметров оптопары линейной. Отражающий слой 10 над изолятором 7 и светодиодом 8 так же способствует равномерности освещения фотодиодов 1 и 2, особенно их крайних ячеек, препятствуя выходу излучения из торцов изолятора.
На Фиг.1 и Фиг.2 условно показано, что каждый из фотодиодов 1 и 2 состоит из трех ячеек. Очевидно, что несложно реализовать и большее число ячеек, которое выбирается исходя из конкретных требований к оптопаре линейной.
В качестве оптически прозрачного изолятора 7 можно использовать, например, стекло, которое обеспечивает фиксированное расстояние между светодиодом 8 и фотодиодами 1 и 2 и улучшает воспроизводимость параметров оптопары линейной.
В качестве отражающего слоя 10 можно использовать, например, известные кремнийорганические или эпоксидные компаунды с наполнителем из двуокиси титана. Прозрачный изолятор 10 крепится к кристаллу с фотодиодами 1 и 2, и светодиод 8 крепится к прозрачному изолятору 7 известными прозрачными кремнийорганическими или эпоксидными компаундами.
Работа изолированного усилителя поясняется Фиг.3. Светодиод 13 и фотодиод 12 образуют канал отрицательной обратной связи по току, при этом усилитель 11 приобретает свойства трансимпедансного усилителя. Входной сигнал поступает на инвертирующий вход дифференциального усилителя 11 через резистор 16. Выходной сигнал дифференциального усилителя 11 возбуждает в светодиоде 13 электрический ток, который вызывает генерацию света. Свет, попадая на фотодиод обратной связи 12, возбуждает в нем электрический ток, который вычитается из тока входного сигнала. Одновременно, свет возбуждает в фотодиоде 14 ток, который генерирует выходное напряжение на резисторе 15. При этом ток через светодиод 13 определяется выражением:
где K - коэффициент усиления дифференциального усилителя
Поскольку
где Ki1 - коэффициент передачи по току оптопары обратной связи, то
отсюда
При условии, что K>>Ki1, что справедливо для дифференциальных усилителей,
При этом выходное напряжение на резисторе Rвых составит:
или
где Ki2 - коэффициент передачи основной оптопары
При условии равенства коэффициентов передачи по току основной оптопары и оптопары обратной связи и равенстве величин входного и выходного резисторов
Uвых=Uвх,
что показывает линейность передачи сигнала с входа линейного усилителя на его выход. Видно, что при неравенстве коэффициентов передачи по току основной оптопары и оптопары обратной связи выходное напряжение будет отличаться от входного напряжения.