« Предыдущая Следующая »

2. Открытый оптический канал и технические средства для его реализации

Освоение новых диапазонов более высоких частот электромагнитного спектра является постоянно действующим, закономерным процессом в развитии информационных радиоэлектронных систем, таких как системы связи, локации, навигации и др.

Освоение оптического диапазона обусловлено, в первую очередь, ростом экономических и культурных потребностей общества и требованиями обороны. Действительно, развитие экономики и культуры тесно связано с увеличением объёма информации, передаваемой из одного места в другое, а увеличение объёма передаваемой информации требует в большинстве случаев увеличения полосы частот, используемой для передачи.

История развития информационных радиосистем, таких как системы связи, вещания и телевидения, очень ярко иллюстрирует этот процесс. Так, в течении первых 20 лет истории развития современных систем этого типа, примерно с 1920 по 1940 г., использовались длинные, средние и короткие радиоволны. Ширина спектра частот этих волн составляет около 30 МГц. В последующие 20 лет, примерно с 1940 по 1960 г., для радиосистем осваивались метровые, дециметровые и сантиметровые волны. В эти годы внедрялись телевизионные станции, работающие в метровом диапазоне, радиорелейные линии, использующие дециметровые и сантиметровые волны, радиолокационные устройства метровых и сантиметровых волн. Диапазон используемых частот расширился до 30 ГГц.

С начала 60-х годов началось освоение диапазона миллиметровых и оптических волн.

Имеются причины и не только технического характера, диктующие переход в область всё более высоких частот. Так, например, передавать телевизионное сообщение, обладающее собственным спектром частот 5-6 МГц, оказалось технически возможным только в диапазоне метровых и более коротких волн. В сравнительно недавнее время было найдено, что для передачи любых сообщений с необходимым высоким качеством на большие расстояния (порядка тысяч километров) лучше использовать дискретные системы, а не аналоговые. Однако полоса частот дискретных систем примерно в 15 раз больше, чем у аналоговых, несущих ту же информацию. Весьма подходящим спектром для таких дискретных систем является спектр, соответствующий миллиметровым и оптическим волнам. Вероятно, что в будущем телефон будет заменён видеотелефоном. Полоса частот индивидуального канала тогда расширится в сотни и тысячи раз. Это приведёт почти к такому же расширению полосы частот радиоканала для передачи многоканального сообщения. Нетрудно убедиться, что создание таких радиоканалов возможно только в оптическом диапазоне частот [1].

2.1. Выбор диапазона длин волн излучений оптимального для передачи информации в производственных условиях

Тепловое излучение испускается всеми телами при любых температурах, отличных от абсолютного нуля. Характер излучения зависит от агрегатного состояния вещества. Спектры излучения газов состоят, как правило, из отдельных линий и полос, характерных для данного газа. Линейчатые спектры атомов и полосатые спектры молекул проявляются только в том случае, когда излучающий газ находится в разреженном состоянии. При увеличении связи между частицами (например, при изменении давления и температуры) линии и полосы расширяются и становятся нерезкими.

Для спектров жидкостей характерно большое влияние межмолекулярного взаимодействия. Ширина полос возрастает, и появляются новые полосы, отсутствующие в спектрах газов. У твёрдых тел, вследствие сильного взаимодействия между молекулами, спектры излучения становятся сплошными, так как линии поглощения оказываются широко размытыми и сливаются в полосы, а полосы – в участки сплошного спектра.

Согласно теории Бора излучение энергии связано с переходами атомов или молекул с более высоких энергетических уровней на более низкие. Инфракрасное излучение является частью оптического излучения и занимает в спектре электромагнитных колебаний диапазон, характеризуемый длинами волн от 0,76 до 1000 мкм. В оптическое излучение входят также рентгеновское излучение (l = 0,01…5 нм), ультрафиолетовое (l = 0,005…0,4 мкм) и видимое (l = 0,4…0,76 мкм).

Составляющие видимого излучения имеют следующие диапазоны длин волн: красная – 0,76…0,62 мкм, оранжевая – 0,62…0,59 мкм, жёлтая – 0,59…0,56 мкм, зелёная – 0,56…0,5 мкм, голубая – 0,5…0,48 мкм, синяя – 0,48…0,45 мкм и фиолетовая – 0,45…0,4 мкм.

Инфракрасное излучение занимает весьма протяжённую спектральную область, примыкая с одной стороны к видимому (красному) излучению, а с другой стороны – к электромагнитным колебаниям радиодиапазона. Если использовать классическое сравнение со звуковыми волнами, то можно заметить, что инфракрасное излучение перекрывает, по меньшей мере, 10 октав, тогда как видимое занимает 1 октаву, ультрафиолетовое – 5 октав, рентгеновское – около 14 октав, а излучение радиодиапазона – 28 октав.

Инфракрасную область спектра принято делить на четыре части: ближнюю (l = 0,76…3 мкм), среднюю (l = 3…6 мкм), дальнюю (l = 6…15 мкм) и очень далёкую (l = 15…1000 мкм). Логика такого деления связана с существованием так называемых “атмосферных окон”.

Инфракрасные лучи часто называют тепловыми лучами. В действительности они не имеют никаких особенных тепловых свойств. Как и другие излучения, они могут быть поглощены телами, помещёнными на их пути, и превратиться в теплоту. Однако тепловой эффект является только результатом поглощения тепловых лучей и не составляет их специфического признака. Если же тепловые проявления инфракрасного излучения значительно заметнее такого же проявления видимого и ультрафиолетового излучений, то это объясняется лишь тем, что инфракрасное излучение большой мощности может быть создано сравнительно простыми техническими средствами.

Инфракрасные излучения, как и видимый свет, распространяются в однородной среде по прямой линии, подчиняются закону обратных квадратов, могут отражаться, преломляться, претерпевать дифракцию, интерференцию и поляризацию. Для поляризации инфракрасного излучения применяют не обычные поляроиды, а очень тонкие плёнки из селена, многослойные селеновые плёнки, тонкие пластины кристаллизованного хлористого серебра и параллельные зеркала со слоями селена, нанесёнными возгонкой в вакууме. Скорость распространения инфракрасных лучей равна скорости света.

При рассмотрении спектральных особенностей излучения возникает вопрос о его монохроматичности. В строгом смысле излучение не может быть монохроматическим по самой своей природе. Для возникновения монохроматического излучения необходимо, чтобы уровни энергий, между которыми осуществляется переход, сопровождающийся излучением, были идеально узкими. Однако даже в случае изолированного атома энергетические уровни имеют ширину, отличную от нуля, и излучение атома за некоторый промежуток времени оказывается размытыми в конечных пределах [5].

Свойства канала распространения электромагнитных волн определяют схемные и конструктивные параметры любой информационной системы. Для открытых систем любого назначения (связи, локации, навигации) таким каналом является воздушное надземное пространство, поэтому определяющими для них являются закономерности распространения электромагнитных волн через атмосферу, а для некоторых систем и через космическое пространство. Известно, что эти закономерности существенно различны для разных диапазонов электромагнитных волн. Так, например, распространение длинных радиоволн отличается от распространения коротких волн, а распространение сантиметровых волн отличается от распространения оптических волн и т. д.

Следует оговорить, что распространение через атмосферу оптических волн наименее всего изучено по сравнению с распространением любых волн радиодиапазона объясняется это более сложной картиной явлений распространения, а так же и тем, что более широкое изучение этих явлений началось лишь после изобретения лазеров и начала работ по их практическому использованию.

Три основных явления определяют закономерности распространения оптических волн через атмосферу: поглощение, рассеяние и турбулентность. Первые два определяют среднее затухание электромагнитного поля при фиксированных атмосферных условиях и сравнительно медленные изменения поля (медленные замирания), при изменении метеорологических условий. Третье явление – турбулентность обуславливает быстрые изменения поля (быстрые замирания), наблюдающиеся при любой погоде. Кроме этого, из-за турбулентности, вызывающей эффект многолучевости, структура пришедшего на приём луча может существенно измениться по сравнению со структурой луча на выходе передающего устройства [1].

К основным процессам, сопровождающим распространение инфракрасного излучения в атмосфере, относится селективное поглощение парами воды, углекислым газом, озоном, метаном, а также рассеяние мельчайшими частицами, находящимися во взвешенном состоянии в атмосфере. В диапазоне волн свыше 1 мкм и в диапазоне высот до 12 км наибольшее значение имеет селективное поглощение излучения молекулами водяных паров и углекислого газа.

Концентрация водяных паров в атмосфере является переменной; она зависит от географического положения, высоты, времени года, местных метеорологических условий и находится в пределах 0,001…4% (по объёму). С увеличением высоты содержание водяного пара в атмосфере резко уменьшается; считают, что на высотах, превышающих 12 км, количество водяных паров в атмосфере пренебрежительно мало.

Концентрация углекислого газа на высотах до 20…25 км изменяется от 0,03 до 0,05% по объёму. Концентрация озона по высотам неравномерна. Основная часть атмосферного озона находится на высотах 15…40 км и имеет максимум на высоте около 30 км (более 10-3%). В нижних слоях атмосферы концентрация озона составляет 10-6…10-5%, а на высотах 65…70 км обнаруживаются только его следы.

Пропускание атмосферы на горизонтальной трассе

Рисунок 2.1 Пропускание атмосферы на горизонтальной трассе протяжённостью 1,8 км на уровне моря при толщине слоя осаждённой воды 17 мм.

Метеорологическая дальность видимости характеризует замутнённость атмосферы и представляет собой наибольшую дальность видимости днём тёмных предметов с угловыми размерами, большими 30′, проектирующихся на фоне неба у горизонта. [5]

Изучение распространения оптических волн в атмосфере ещё далеко не завершено. Объясняется это сложностью и неоднородностью состава атмосферы, динамичностью её состояния и сложностью спектров поглощения оптических волн в различных газах и твёрдых или жидких частицах, входящих в состав атмосферы [1].

Источниками инфракрасного излучения называют любые материальные системы, излучающие электромагнитные волны инфракрасной области спектра. Их принято делить на следующие группы:

  • эталонные источники излучения ( штифт Нернста, глобар, модели абсолютного чёрного тела);
  • источники излучения, применяемые для технических целей (электрические лампы накаливания, стержневые и плоскостные излучатели с электронагревом, излучатели с газовым нагревом, электролюминесцентные излучатели, дуговые лампы, инфракрасные светодиоды);
  • лазеры;
  • естественные источники излучения (небесные тела, земные ландшафты, атмосфера);
  • источники излучения, которые необходимо обнаруживать инфракрасными системами (корабли, летательные аппараты, промышленные объекты).

Часто для четвёртой и пятой групп источников инфракрасного излучения применяют собирательные термины “фоны” и “цели” соответственно [5].

Учитывая, что для рассматриваемого вопроса наиболее интересны источники создающие направленное излучение, рассмотрим некоторые из них более подробно.

2.2. Характеристики и параметры оптических (лазерных) излучателей

Лазеры можно классифицировать по различным признакам. Одним из основных признаков является вид используемого активного вещества. По этому признаку различают кристаллические, стеклянные, полупроводниковые, газовые и жидкостные лазеры. В свою очередь, газовые лазеры подразделяются на ионные, молекулярные, газодинамические и лазеры на нейтральных атомах.

В зависимости от режима работы различают лазеры, работающие в режиме непрерывного излучение и в импульсном режиме. Лазеры различают также по частотному диапазону, методу накачки и способу охлаждения, однако такую классификацию на практике применяют редко.

Каждая из перечисленных групп лазеров отличается особенностями устройства, а также параметрами и характеристиками. Определяя возможность использования лазеров в различных системах, исходят из следующих параметров:

  • диапазон длин волн и ширина спектра генерируемого оптического излучения;
  • энергетические параметры (выходная энергия или мощность излучения, КПД преобразования электрической энергии источника накачки в энергию оптического излучения);
  • угловое расхождение и пространственная когерентность излучения;
  • временные характеристики излучения.

Кроме этих параметров, большое значение для практики имеют некоторые конструктивные характеристики лазеров (габаритные размеры, тип охлаждающего устройства, напряжение и мощность источника питания, возможность установки на движущемся объекте, влияние внешних условий на стабильность параметров и др.).

Когда прокладка проводных линий оказывается невозможной, а использование радио по тем или иным причинам затруднено, при создании охранных систем нередко обращаются к инфракрасной технике.

Большие помехи в радиоканалах, разрешённых в России для охранных систем (26945 и 26260 кГц), лёгкость их блокировки, различные административно-финансовые препятствия, возникающие при использовании радио в устройствах охранной сигнализации, заставляют искать иные средства беспроволочной связи. С появлением полупроводниковых излучателей, способных генерировать мощные инфракрасные вспышки, такая возможность стала реальностью.

Успехи, достигнутые за вторую половину века в освоении инфракрасного диапазона электромагнитного спектра, привели к созданию разнообразной аппаратуры научного, промышленного и военного назначения [5].

2.3. Характеристики и параметры фотоприемников

Фоточувствительные приборы являются важнейшими элементами любого оптико-электронного устройства. Именно они связывают оптическую и радиоэлектронную системы в аппаратуре. Поэтому фотоприборы выбирают с учётом требований ко всему изделию в целом. Их характеристики должны отвечать наилучшему согласованию в цикле приёма оптического излучения и обработки электрических сигналов.

При падении на светочувствительную поверхность прибора оптического излучения полезного сигнала оно частично теряется (отражается, рассеивается), а остальная часть поглощается этой поверхностью. При поглощении оптического излучения в фоточувствительном полупроводниковом материале возникают носители зарядов – электроны и дырки, обуславливающие избыточную электропроводность. Электропроводность полупроводникового материала, возникающую при его оптическом облучении, называют фотопроводимостью. Степень фотопроводимости зависит от коэффициента поглощения фотонов материалом, определяющего, в частности, скорость генерации носителей, а так же от квантового выхода фотоионизации – числа электронно-дырочных пар, образуемых под воздействием одного кванта излучения.

Фотопроводимость возникает в случае, если энергия фотона превышает некоторое пороговое значение. При собственном поглощении пороговую энергию определяет ширина запрещённой зоны, а при примесном – энергия активации соответствующего уровня примесного центра.

Основным структурным элементом большинства полупроводниковых приборов служит p-n переход. При облучении перехода неравновесные носители возникают как в p-, так и в n-области. Концентрация основных равномерных носителей при облучении практически не изменяется, а концентрация неосновных – существенно увеличивается. При этом если излучение поглощается в p-области, то генерируемые электроны, находящиеся на расстоянии от p-n перехода, меньшем длины диффузии, достигают перехода и под воздействием потенциального барьера переходят в область с n-проводимостью. То же происходит с дырками, генерируемыми в n-области. Неосновные носители, генерируемые в области объёмного заряда, перехода, перемещаются в область с соответствующим типом проводимости. В результате разделения неравновесных носителей заряда высота потенциального барьера на границе p-n перехода понижается [6].

Спектральная характеристика чувствительности отображает реакцию фотоприбора на воздействие излучения с различной длиной волны. Эта характеристика определяет спектральную область применения прибора, его спектральную и интегральную чувствительность.

Энергетическая (световая) характеристика отображает зависимость фотоответа прибора от интенсивности возбуждающего потока излучения (ампер-ваттная, вольт-ваттная, люкс-амперная характеристики). Энергетической характеристикой называют также зависимость интегральной или спектральной чувствительности прибора от интенсивности облучения.

Пороговые характеристики показывают способность фотоприбора регистрировать излучение малой интенсивности. Эта способность в основном зависит от уровня собственных шумов прибора – флуктуаций тока, протекающего через него в отсутствие облучения или при немодулированном световом потоке.

Вольт-амперная характеристика отображает зависимость тока фотоприёмника от приложенного к нему напряжения.

Частотные характеристики описывают зависимость чувствительности от частоты модуляции излучения или длительности импульсов и характеризуют инерционность прибора.

Температурные характеристики определяют зависимость параметров прибора (темновой ток, темновое сопротивление, чувствительность и т. п.) от температуры окружающей среды. Рабочий температурный интервал указывают в паспорте прибора. При этом указывают значения основных параметров в крайних точках интервала при рабочем напряжении прибора.

Рабочее напряжение – постоянное напряжение, приложенное к прибору, при котором обеспечены номинальные параметры при длительной работе в заданных эксплуатационных условиях. Обычно его устанавливают с запасом по отношению к пробивному напряжению.

Максимально допустимое напряжение – значение постоянного напряжения, при котором отклонения параметров прибора не превышают установленных пределов.

Мощность рассеивания – мощность, выделяемая при прохождении фототока; она определяет разогрев прибора. Превышение максимально допустимой мощности рассеивания приводит к повреждению прибора. Значение максимально допустимой мощности рассеивания зависит от интенсивности отведения тепла.

Темновое сопротивление – сопротивление прибора в отсутствие падающего на него излучения в пределах его спектральной чувствительности.

Дифференциальное сопротивление – отношение малых приращений напряжения на приборе и тока через него.

Темновой ток – ток, проходящий через прибор при указанном напряжении в отсутствие потока излучения в пределах спектральной чувствительности.

Коротковолновая (длинноволновая) граница спектральной чувствительности – наименьшая (наибольшая) длина волны монохроматического излучения, при которой монохроматическая чувствительность прибора равна 0,1 от её максимального значения.

Динамический диапазон линейности (в децибелах) характеризует область значений лучистого потока.

Максимум спектральной характеристики чувствительности – длина волны, соответствующая максимуму чувствительности прибора.

Токовая чувствительность определяет значение фототока, создаваемого единичным потоком излучения.

Вольтовая чувствительность характеризует значение сигнала в вольтах, отнесённое к единице падающего потока излучения.

Удельная обнаружительная способность характеризует возможность использования прибора для обнаружения предельно малых сигналов.

Пороговая чувствительность определяет уровень мощности светового потока, при котором сигнал равен шуму. Инерционность прибора характеризуют постоянные времени нарастания и спада фотоотклика при импульсе излучения они определяют предельные значения рабочей частоты модуляции светового потока, при которых ещё не заметно уменьшение фотоотклика [6].

2.3.1  Фотодиоды

Фотодиод – фоточувствительный полупроводниковый диод с p-n переходом. При освещении p-n перехода в нём возникают электронно-дырочные пары. Направление тока этих носителей совпадает с направлением обратного тока перехода.

А)                                                                                                  Б)

Структурная схема фотодиода и Вольт-амперная характеристика фотодиода

Рисунок 2.2: а) Структурная схема фотодиода;
б) Вольт-амперная характеристика фотодиода                                                                             

Фотодиоды используют в фотодиодном и фотогальваническом режимах. В первом диод смещается в обратном направлении, и фототок является функцией освещённости. Во втором режиме прибор работает в режиме генерации фото-ЭДС. По сравнению с фотогальваническим фотодиодный режим обладает рядом достоинств: пониженной инерционностью, повышенной чувствительностью к длинноволновой части спектра, широким динамическим диапазоном линейности характеристик. Основной недостаток этого режима – наличие шумового тока, протекающего через нагрузку. В ряде случаев при необходимости обеспечения низкого уровня шума фотоприёмника фотогальванический режим может оказаться более выгодным, чем фотодиодный.

Насыщение германиевого фотодиода в фотодиодном режиме происходит при интенсивности облучения в тысячи – десятки тысяч люкс. Световые (энергетические) характеристики кремниевых диодов линейны до интенсивности, превышающей сотни тысяч люкс. Насыщение прибора в фотогальваническом режиме наступает при меньших уровнях освещённости, чем в фотодиодном.

Вольт-амперную характеристику при отсутствии облучения называют темновой. Значение темнового тока при заданной температуре окружающей среды и рабочем напряжении указывают в паспорте прибора. Параметры кремниевых и германиевых фотодиодов заметно зависят от температуры окружающей среды. С повышением её на каждые 100 темновой ток германиевых приборов увеличивается в 2, а кремниевых в 2,5 раза. При этом чувствительность и обнаружительная способность уменьшаются, уровень собственных шумов увеличивается, а максимум спектральной характеристики сдвигается в сторону более коротких волн. Понижение температуры приводит к противоположным изменениям.

Основные параметры фотодиодов – токовая чувствительность, постоянные времени нарастания и спада фототока (или граничная частота модуляции светового потока), рабочая длина волны или рабочий интервал длины волны. Кроме того, приборы характеризуют номинальным рабочим напряжением, темновым током и максимально допустимым обратным напряжением.

Фотодиоды – малоинерционные фотоприёмники. Инерционность их зависит от временных характеристик процесса фотогенерации носителей, условий разделения электронно-дырочных пар, ёмкости p-n перехода, а также сопротивления нагрузки. Особую группу фотодиодов, отличающихся очень малой инерционностью, представляют p-i-n и лавинные фотодиоды.

В ряде случаев от фотоприбора требуется высокое быстродействие (несколько наносекунд и менее). Такие приборы необходимы в оптических линиях связи, системах воспроизведения звука с компакт-дисков и др. в подобных устройствах применяют фотодиоды структуры p-i-n и лавинные фотодиоды. Структурная схема p-i-n фотодиода показана на рис.4,а. На подложке с проводимостью n+ сформирован слаболегированный i-слой и слой с проводимостью p+ толщиной до 0,3 мкм. При подаче обратного смещения обеднённым оказывается весь i-слой.

В результате ёмкость перехода уменьшается, расширяется область поглощения падающего излучения и повышается чувствительность прибора. Поглощаемое излучение в структуре затухает по экспоненте в зависимости от коэффициента поглощения и вызывает появление фотовозбуждённых носителей. Электрическое поле обеднённого слоя (напряжённость поля больше или равна 103 В/см) ускоряет их до скорости насыщения дрейфа (около 107 см/с), эту область называют пространством дрейфа.

За пределами обеднённого слоя движение носителей носит диффузионный характер с относительно низкой скоростью – примерно 104 см/с. это обстоятельство ухудшает быстродействие. Для его повышения необходимо сконцентрировать поглощение излучения в обеднённом слое. С этой целью слой p+ делают очень тонким, а толщину слоя i – большей длины поглощения излучения (1/a). Длина поглощения для кремния на длине волны 0,8 мкм равна примерно 10…20 мкм и рабочее напряжение, при котором обеднённый слой имеет требуемую ширину, не превышает 10…20 В.

В лавинном фотодиоде (рис.4,б) излучение также поглощается в обеднённом слое. Для создания ударной ионизации фотовозбуждёнными носителями рядом с p-n переходом формируют область с высокой напряжённостью электрического поля (более 105 В/см), в которой происходит лавинное умножение носителей. Коэффициент умножения при напряжении смещения, близком к напряжению пробоя, может достигать 1000. Однако это значение зависит и от температуры. Температурный коэффициент изменения напряжения пробоя до 0,2%/0C. Проектируя цепь смещения лавинного фотодиода, необходимо предусмотреть меры, устраняющие влияние этого фактора. [6]

Структура фотодиодов

Рисунок 2.3 - Структура фотодиодов:
а) p-i-n фотодиод; б) лавинный фотодиод.

2.3.2.  Фототранзисторы

Фототранзистор – фоточувствительный полупроводниковый приёмник излучения, по структуре подобный транзистору (биполярному, полевому) и обеспечивающий внутреннее усиление сигнала.

Фототранзисторы отличаются от фотодиодов дополнительным усилением фототока на эмиттерном p-n переходе. Фототранзисторы могут работать как фотодиоды (режим с плавающей базой), так и в транзисторном режиме с источником смещения в базовой цепи.

Структура фототранзистора показана на рис.4 В корпусе прибора предусмотрено прозрачное окно, через которое световой поток попадает на одну из областей транзистора. Напряжение питания подводят так, чтобы коллекторный переход был закрыт, а эмиттерный – открыт. База может быть отключенной.

При освещении базы в ней возникают электронно-дырочные пары. Так же как в фотодиоде, пары, достигшие в результате диффузии коллекторного перехода, разделяются полем перехода, дырки в p-n-p транзисторе движутся в коллектор, при этом его ток увеличивается; электроны остаются в базе, понижая её потенциал. При этом на эмиттерном переходе создаётся дополнительное прямое напряжение, вызывающее дополнительную инжекцию дырок из эмиттера в базу и соответствующее увеличение тока коллектора. Характеристики фототранзистора показаны на рис.6.

При отключенной базе общий ток коллектора представляет собой сумму фототока базы I БФ и тока I К инж инжектированных эмиттером носителей, прошедших коллекторный переход. Коэффициент усиления фототока М = (I БФ + n+к инж)/I БФ = h21 Э + 1 (если Rн®0), где h21 Э – статический коэффициент передачи тока транзистора в схеме с общим эмиттером. При этом на сопротивлении нагрузки создаётся падение напряжения DUн » (h21 Э + 1)I БФ Rн. Из этого соотношения видно, что фототранзистор можно представить в виде эквивалентного фотодиода, включенного параллельно коллекторному переходу транзистора, обладающего только усилительными свойствами. Таким образом, транзистор повышает чувствительность эквивалентного фотодиода в (h 21 Э + 1) раз. [6]

Структура фототранзистора

Рисунок 2.4 Структура фототранзистора.

Характеристики фототранзистора

Рисунок 2.5 Характеристики фототранзистора.

3. Составление функциональной схемы

3.1. Технические требования к каналу передачи технической информации

На основе анализа информационного и технического обмена в производственных условиях видно, что разрабатываемый открытый оптический канал для передачи информации должен обладать следующими параметрами элементной базы:

  • дальность действия ‑ от 10м до 100м;
  • скорость передачи информации – не менее 3,5 кбит/с;
  • ширина диаграммы направленности излучателя должна быть от 20 до 200;
  • на работу канала связи не должны оказывать сильного влияния атмосферные помехи.
  • малыми габаритами.
  • простотой установки и эксплуатации.

3.2. Описание структурной схемы

На основе разрабатываемых технических требований составляем структурную схему, которая приведена на листе 1 и состоит из формирователя сигнала, канала связи и преобразователя сигнала.

Формирователем сигнала является источник какой-либо дискретной информации. Канал связи включает в себя оптический передатчик, линию связи и оптический приемник. Преобразователь сигнала служит для преобразования сигнала с выхода оптического приемника.

3.3. Описание функциональной схемы

На основе разрабатываемых технических требований и разработанной структурной схемы составляем функциональную схему, которая приведена на листе 2.

Схема работает следующим образом:

С источника дискретной информации подается информационный сигнал на цифровой модулятор. На цифровой модулятор также подаются периодические сигналы с генератора импульсов. С цифрового модулятора информационный сигнал подается на усилитель, где он усиливается до необходимой величины, а затем на светоизлучатель, где электрический сигнал преобразуется в оптический.

Оптический информационный сигнал попадает на фотоприемник и преобразуется обратно в электрический сигнал. Затем он попадает на входной усилитель оптического приемника. С входного усилителя сигнал подается на предварительный усилитель, а с предварительного – на импульсный усилитель. А уже с импульсного усилителя сигнал поступает на вход преобразователя сигнала, где сигнал преобразуется в требуемый по амплитуде и величине напряжения. Для уменьшения влияния времени суток на точность передаваемой информации в схему включена цепь обратной связи по фоновому освещению.

« Предыдущая Следующая »
Похожие публикации
Похожих публикаций не обнаружено.