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 [16]). 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 ІСД (напряжения UСД), мощность потребления РСД, частота переключения fСД и 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: IНас., IСД токи насыщения обратной ВАХ и текущего в СД;
е заряд электрона, UПр. 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 ІСД близкие к нулю (область большого значения дифференциального сопротивления RДиф. СД= ΔU/ΔІ); 2 линейной зависимости ІСД от UСД (область малого значения дифференциального сопротивления RДиф. СД). Абсцисса перехода зон 1 в 2 соответствует значению порогового напряжения UПор., 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 UПор., (2.3.1)
І СД = tg b (U UПор.) при U UПор, (2.3.2)
где tg b = ΔІ / ΔU = 1 / RДиф. const при U UПор.;
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 РИзл. 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 UПор. 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 (Ср-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 IПр. СД0 (или напряжение UПр. СД0) значение прямого смещения гармонического возмущения на частоте f [14, с.144]: ΔIПр. СД0 (ΔUПр. СД0) при ΔIПр. СД0 /IПр. СД0 <<1 (рис.1.11б, подраздел1.4, книга1]. Если принять IПр. СД0 = IПор., то выражение 1.6 для тока (напряжения) IПр. СД (UПр. СД) примет вид: