Bi GYÁRFÁS
ANDRÁS
Kandó Kálmán Villamosipari Műszaki Főiskola
Az optoelektronikai eszközökkel megvalósítható jelzésátvitel néhány elméleti és gyakorlati kérdése ETO
Az utóbbi években á z elektronika egyik speciális á g a k é n t alakult k i és fejlődött jelentős m é r t é k b e n az optoelektronika. A z optoelektronikus elemek és rend szerek a kvantummechanika, a fizikai optika és az elektronika eszközeit előnyösen egyesitik az informá ció előállítása, átvitele, t á r o l á s a és megjelenítése céljából. Azoknak a feladatoknak egy részét, amelye ket a h a g y o m á n y o s rádiótechnikai á r a m k ö r ö k b e n és elektronikus eszközökben a töltéshordozók mozgásá ból fakadó á r a m (elektronáram) végzett, az optoelektr o n i k á b a n a fény (fényáram) veszi á t . A fény a legnagyobb frekvenciájú elektromágne ses h u l l á m , amely egyszerű optikai eszközökkel be folyásolható (fókuszálható, reflektálható, modulálha t ó , k a p u z h a t ó , t r a n s z f o r m á l h a t ó , szűrhető stb.). E z é r t az optoelektronikus eszközök és berendezések, amelyek a fényhullám előnyös tulajdonságait fel h a s z n á l h a t j á k , egyszerűbb felépítésük mellett m ű k ö dési sebesség, megbízhatóság, m é r e t e k és energia fogyasztás szempontjából kedvezőbb tulajdonságúak, mint a t i s z t á n elektronikusak. Az optikai csatolások jelentős egyszerűsítéseket tesznek lehetővé az elektronikus p r o b l é m á k megoldá sában és a készülékek k o n s t r u k c i ó j á b a n . Villamosan szétválasztják az elektronikus készülé kek egységeit, amelyek k ö z ö t t egyirányú optikai kap csolatot létesítenek. E z á l t a l megszűnik az informácó visszaáramlásának, így a k á r o s gerjedéseknek a lehe tősége. A z egymástól függetlenített optikai és villamos c s a t o r n á k különválasztják a vezérlő jeleket a m ű k ö d t e t ő jelektől (pl. a fényvevők vezérlése optikai ú t o n , a b e a v a t k o z á s elektronikusan t ö r t é n i k ) , e z é r t za varérzéketlen m ű k ö d é s t eredményeznek. A villamos összeköttetésről az optikai összeköttetésre való á t menet és fordított i r á n y b a n is, frekvenciaváltással j á r , így a zaj egyszerű szűrőáramkörökkel n a g y m é r t é k b e n lecsökkenthető. Beérkezett: 1977. I X . 7.
546.681'19:621.384.3:621.391.63:621.376.53
Az optikai csatolás az elektronikus egységek k ö zött e g y e n á r a m ú elválasztást is lehetővé tesz, ami nek következtében a transzformátorok e l h a g y h a t ó k , sőt szükségtelenné v á l n a k az egyes panelok k ö z ö t t i mechanikus csatlakozók is. í g y kis helyfoglalású, miniatürizált, nagy megbízhatóságú k o n s t r u k c i ó k kialakítása válik lehetővé. Az optoelektronika legtöbbet ígérő alkalmazási le hetősége a hírközlő rendszerek területén van. A z opti kai összeköttetés céljára az u t ó b b i években egyre jobban előtérbe kerülnek a passzív fényvezetők (száloptikák) kiváló mechanikai (kis méret, hajlé k o n y s á g , jó kezelhetőség) és villamos tulajdonságaik miatt. V á r h a t ó , hogy a m i k r o h u l l á m ú összeköttetések mellett egyre nagyobb szerepet kapnak a fényössze köttetések, amelyek a legnagyobb működési sebes séget ígérik. T o v á b b i nagy lehetőséget rejt m a g á b a n az opto elektronika a gyorsműködésű számítógépek logikai egységeiben, különösképpen tárolórendszereiken. Ez u t ó b b i n á l a holográfia e r e d m é n y é t is felhasználják. Az optoelektronikus kijelző és eredménymegjelenítő á r a m k ö r ö k e t is igen elterjedten a l k a l m a z z á k . A z optoelektronika elterjedését a fényvezetőkön kívül, a korszerű technológián alapuló, k i s m é r e t ű optoelektronikus eszközök kifejlesztése b i z t o s í t o t t a , a fényvevők (fényellenállások, fényelemek, fotodió d á k , fototranzisztorok stb.), de különösen az elektro mosan vezérelhető fénysugárzók, a luminecszens és a koherens fényt kibocsájtó lézer d i ó d á k . A t o v á b b i a k b a n az optoelektronikus elemekkel fel építhető vezeték nélküli összeköttetések n é h á n y k é r dését vizsgáljuk. A jelzésátviteli rendszer elvi felépítése Az optoelektronikus eszközök a l k a l m a z á s á n a k le hetőségei közül első lépésként az egyszerű felépítésű és viszonylag nagy távolság (50—100 méter) á t h i d a l á s á 1
H Í R A D Á S T E C H N I K A X X I X . É V F . 1. SZ.
GaAsúdo dióda Y Z Teljesít- ÍJ
Jnfpr macio Umtfm T
n ti
6 s
szuro
Si
Váltó-
árgniLi
erositá
fényelem 'H549-GA1
1. ábra. A jelátviteli rendszer tömbvázlata
ra alkalmas i m p u l z u s - a m p l i t ú d ó m o d u l á l t összekötte t é s t vizsgáljuk. A z összeköttetést megvalósító adó és vevő t ö m b v á z l a t a az 1. á b r á n l á t h a t ó . Az oszcillátor által e l ő á l l í t o t t / frekvenciájú négy szögjelet / frekvenciájú négyszögjellel m o d u l á l t u k . A m o d u l á l t jellel, teljesítményerősítés u t á n , egy T I X L 14 t í p u s ú galluim-arsenid (GaAs) infrasugárzó d i ó d á t vezéreltünk, amelyet szükség estén, a megfe lelő i r á n y k a r a k t e r i s z t i k a kialakítása érdekében, op t i k á v a l is kiegészítettünk. A GaAs által kibocsájtott infrasugárzást egy T P 60 Si fényelemmel érzékeltük, amelyet illesztő á r a m k ö r segítségével csatlakozik egy kiszajú előerősítőhöz. Ezt a k t í v szűrő követi, amelynek feladata a vivőfrek venciától eltérő frekvenciájú zavarok és zajok kiszű rése. A z a k t í v szűrő k i m e n e t é n megjelenő, v e t t modu l á l t jelet egy v á l t a k o z ó á r a m ú impulzuserősítőre vezetjük, amely az u t á n a következő p á r h u z a m o s A M detektor s z á m á r a a megfelelő szintű jelet bizto sítja. A p á r h u z a m o s detektor egyenirányítja a jelet, az e g y e n i r á n y í t ó i t jelről aluláteresztő szűrő segítsé gével v á l a s z t h a t j u k le a moduláló jeltartalmat. v
m
Az infrasugárzó
és
(3b ábra), ha egy adott T hőmérséklethez t a r t o z ó függőleges egyenes m e n t é n az összetartozó P —I é r t é k e k e t ábrázoljuk. A P —1 görbéből kitűnik, hogy a GaAs által k i sugárzott teljesítmény kis nyitó á r a m o k n á l közel line árisan nő a n y i t ó á r a m függvényében. A lineáris szakaszon 0,1 m W / m A kisugárzott teljesítmény-nö vekedéssel számolhatunk. Nagyobb áramértéknél (kb. 1 A felett) az optikai teljsítmény nem nő lineárisan, a jelleggörbe telítődési jelenséget mutat. Ennek oka a hatásfok csökkenése. A hatásfokot az optikai teljsítmény és a befektett villamos teljesítmény (U I szorzat) h á n y a d o s a k é n t definiálják: 0
0
0
F
P
F P
IU P
F
A 4. á b r á n feltüntettük a teljesítményhatásfok v á l t o z á s á t a n y i t ó á r a m függvényében. Ennek maxi muma (8%) T I X L 14 esetében J = 0,5 A-nél v a n . Az optikai teljesítménynek a növelése 7 = 1 A n y i t ó á r a m felett a teljesítményhatásfok jelentős csökkené sével jár. p
F
beállítása
A z optikai kapcsolat létrehozására szolgáló T I X L 14 típusú GaAs lumineszcens dióda nyitófeszültség h a t á s á r a keskeny s á v b a n nagy i n t e n z i t á s ú (60—100 m W ) infravörös fényt e m i t t á l . Ennek a félvezető eszköznek az é l e t t a r t a m a csaknem korlátlan, m ű k ö dési sebessége igen nagy, közel 1 m H z frekvenciájú jellel m o d u l á l h a t ó . Szerkezetét tekintve meza szigetelésű, félgömb a l a k ú , n ö v e s z t e t t p—n á t m e n e t . N y i t ó i r á n y ú előfeszítés h a t á s á r a az n rétegből elektron injektálódik a p rétegbe és rekombináció k ö v e t k e z t é b e n fénykvan tumokat (fotonokat) e m i t t á l . A z így keletkezett spon t á n sugárzás a lézersugárzástól eltérően nem koherens, de k e s k e n y s á v ú , csaknem monokromatikus. í g y a k ö r n y e z e t i zajok csökkentésére a vevőoldalon optikai szűrő előnyösen a l k a l m a z h a t ó . Felépítése szilárd, z á r t , mechanikai igénybevételnek jól ellenálló. A GaAs s u g á r z á s t az a d ó teljesítményerősítő fo k o z a t á n a k végén levő, a m o d u l á l t jelfeszültséggel vezérelt á r a m g e n e r á t o r táplálja és azon 7 csúcsér t é k ű á r a n í i m p u l z u s o k a t kényszerít á t (2. á b r a ) . A z I n y i t ó á r a m ismeretében a 3a. á b r á n l á t h a t ó , k a t a l ó g u s b a n [1] megadott diagram segítségével, adott hőmérsékleten, m e g h a t á r o z h a t ó a k i s u g á r z o t t optikai teljesítmény P . E b b ő l a görbeseregből egyszerűen kiszerkeszthető a k i s u g á r z o t t teljesítmény a n y i t ó á r a m függvényében
*JlMJJljlL "duiiLjiniiJiL \H5
F
P
0
2
60 40 0
0,0/ 0,04 0,1
bj
0 k 1 2 Ifjk] t
IH 5^9-SA31
3. ábra. Az adódióda optikai teljesítmény-nyitóáram karakte risztikája
ftYARFÁS
A.: O P T O E E E K T R O N I K S T E S Z K Ö Z Ö K K E L MEGVALÓSÍTHATÓ JELZÉSÁTVITEL
függvénynek megfelelően, a y=-^
értékhez t a r t o z ó -
nak csak lí572-szerese. Á r a m k ö r ü n k b e n a kitöltési tényező csökkentéséből adódó csúcsáram növelést nem h a s z n á l t u k ki* >'==™et állítottunk be. .
0,5
1
I [A]
|H
5k9-GAk\
A sugáreró'sség és
F
4. ábra. Az adódióda teljesítményhatásfok-nyitóáram karak terisztikája
A hőmérséklet növelésével a k i s u g á r z o t t teljesít m é n y csökken. A tervezés szempontjából jó közelí téssel lineárisnak t e k i n t h e t ő ez a csökkenés. A kisu g á r z o t t optikai teljesítmény —80 °C-on kétszeresére nő a 25 °C-on m u t a t o t t értékhez képest, + 8 0 °C-on pedig a felére csökken. Magas hőmérsékleten, 80 °C felett, nemcsak a kisu g á r z o t t teljesítmény, hanem a P —I karakterisztika linearitása is romlik. 0
irányfüggése
Pontszerű sugárzó esetén — amilyennek a GaAs t e k i n t h e t ő a tőle t á v o l levő detektortól — a sugárzó i sugárerősséggel, vagyis adott i r á n y b a n (a detektor i r á n y á b a n ) , az egységnyi térszögbe k i s u g á r z o t t t e l jesítménnyel is jellemezhető: e
dP
watt szteradián
A térszög (ü) a fénytechnika egyik alapfogalma. P o n t s z e r ű gömbsugárzó esetén a b e s u g á r z o t t rész felületének (F) és a sugár (R) négyzetének viszonyá ból h a t á r o z h a t ó m é g :
P
R
2
A hatótávolság és az eszköz csúcsárama közötti kapcsolat Az infraösszeköttetés h a t ó t á v o l s á g á n a k megnöve lése céljából szükséges lehet az eszközt maximális teljesítménnyel igénybe venni. A maximális teljesít m é n y h e z tartozó n y i t ó e g y e n á r a m o t ( J ) a k a t a l ó gusban m e g a d j á k . Impulzussorozattal t ö r t é n ő ger jesztés esetén á kitöltési tényező (y) csökkentésével ennek többszöröse is elérhető. Azonos teljesítmény hez t a r t o z ó csúcsáram (7 ) a kitöltési tényezőtől függ: FM
F
t _ lm lp — ' .
Szelektív rendszer esetén, amilyen a P A M , nem a csúcsérték, hanem az alapharmonikus a m p l i t ú d ó j a hoz létre a vevőben hasznos jelet. A y kitöltési t é n y e zőjű, I a m p l i t ú d ó j ú impulzussorozat s p e k t r u m á n a k d i s z k r é t a m p l i t u d ó é r t é k é t az alábbi összefüggéssel számíthatjuk: sin nny h=2I y nny P
?
Az alapharmonikus n a g y s á g a (n = l ) a kitöltési t é nyező függvényében:
Egy szteradián (sr) a g ö m b s u g á r négyzetével egyen lő területű, gömbfelületrészhez t a r t o z ó k ö z é p p o n t i térszög mértékegysége. Gömbsugárzó esetén a teljes gömbfelülethez „ 4nR* . Q=-^=An [sr] tartozik. A sugárzó nem minden i r á n y b a n sugároz azonos sugárerősséggel. Irányfüggőségét a r e l a t í v sugár erősség polárdiagramjával jellemzik, amely a sugár erősséget (a főirány sugárerőségéhez v i s z o n y í t v a ) a főiránnyal b e z á r t szög függvényében t ü n t e t i fel (6a á b r a ) . A főirány sugárerősségének é r t é k é t a k a t a l ó g u s o k megadják vagy egy munkapontban, vagy a n y i t ó á r a m függvényében. T I X L 14 esetében I minimális é r t é k e mW • 22 ^ , 1 A n y i t ó á r a m n á l . A sugáferősség értéke a e
n y i t ó á r a m függvényében természetesen ugyanolyan jelleggel változik, mint a kisugárzott teljesítmény (6Í. ábra).
sin ny Tiy I± összefüggésében l á t h a t ó , hogy az alapharmonikus sinx a m p l i t ú d ó j a y-tól nem lineárisan, hanem függ v é n y szerint függ. A z I y szorzat állandó, mivel I növelése y ugyanolyan m é r t é k ű csökkentésével válik lehetővé. A z 5. á b r á n feltüntetjük a relatív alaphar monikus á r a m a m p l i t u d ó y-tól való függését. A z ábrából l á t h a t ó , hogy ha y-t csökkentjük (és Tp-et növeljük), az alapharmonikus a m p l i t ú d ó csak k i s m é r t é k b e n nő. A 0 kitöltési tényezőhöz t a r t o z ó sjn oc alapharmonikus a m p l i t u d ó é r t é k azonban, a — — ^ F
P
0
0,1 ' 0,2
0,3 0,k 0,5 ir [H 549-6 A'£| '
5. ábra. A vett fényáram alapharmonikusának függése a kitöltési tényezőtől
H Í R A D Á S T E C H N I K A X X I X . fiVF. 1. SZ.
T e h á t egy 0 kúpszög alatt sugárzó fényforrás su gárerőssége :
TlXL 11+
e
Q-
Az optika szerepe a sugárerősség
TlXL
•[#]
megnövekedésében
Amennyiben nem szükséges hogy nagy térszögben sugározzunk, akkor egy optika (lencse vagy parabola t ü k ö r ) alkalmazásával a kisugárzott n y a l á b szűkíthe t ő . Ennek következtében a sugárerősség megnő. H a a sugárnyaláb kúpszögét @ = a-ről @=/?-ra szű kítjük (8a ábra), a sugárzónak a lencse vagy t ü k ö r fó kuszából való elmozgatásával a sugárerősség
74
30
-ről
J
=
m
2n | l — cos -^-j
10
-re 2 j r | l — cos^-j
nő. A megnövekedett sugárerősség k ö v e t k e z t é b e n elő álló N nyereség a 8í> ábra a l a p j á n :
3 1 0,3
1
0,01
Oftk 0,1
0,k
V 6. ő6ra.
CD.
c|l-cos|j
1 2
J [Aj F
nyitóáram
0
S
2'
A fotódetektor megválasztása
és
megvilágítása
A T l X L 14 GaAs lumineszcens dióda spektrális karakterisztikájához jól illeszkedik a T P 60 szilícium fényelem viszonylagos, érzékenységének spektrális karakterisztikája (9. ábra).
F=2JZ Rh
|H
C
: r l-cos-
|H 543- GA 6]
A sugárerősség polárdiagramja és b) függése
-
:
5^9-GA7\
7. ábra. Sugárzók Iránykarakterisztikájának gyakorlati közelí tése
Egyszerű s z á m í t h a t ó s á g érdekében a gyakorlatban a pontszerű sugárzó i r á n y k a r a k t e r i s z t i k á j a egy olyan k ö r k ú p p a l közelíthető, amelyek 6> kúpszöge a féltel j e s í t m é n y ű , 3 dB-es pontokhoz t a r t o z ó szög, sugár erőssége pedig a főirány sugárerőssége (7. á b r a ) . E n n é l a b e s u g á r z o t t felület egy gömbsüveg felülete:
H
S^9-6AS\
8. ábra. A sugárerősség növelése fókuszálással: a) karakterisztika, b) közelítése
valóságos
Relatív érzékenység ['/.]
F=2jiRh, ahol h a gömbsüveg m a g a s s á g a :
Si vevő Ga-As ado
A=fí^l-cos-Jj. A k ö r k ú p felületéhez tartibzó t é r s z ö g : %3 Óik 0,5 0,6 0,7 0,6 0,9 1
2jiRh R*
2jrfí |l-cos
4
:
R*
1,1 Í,ZM/ím) IH5"t9-SA3l
2
=2ji
(
11 — cos
0\
— I .
9. ábra. Az adódióda teljesítményének és a vevőelem érzékeny ségének spektrális karakterisztikája
GYÁRFÁS A . : O P T O E L E K T R O N I K A I E S Z K Ö Z Ö K K E L MEGVALÓSÍTHATÓ JELZÉSÁTVITEL
A GaAs dióda spektrumgörbéjének csúcsa X=930 nm-es hullámhossznál van. I t t a szilícium fényelem relatív érzékenysége 97%-os. A z á b r á b ó l jól l á t h a t ó , hogy a GaAs félteljesítményhez t a r t o z ó sávszélessége kicsi ( j B = 3 5 nm) a Si érzékenységi sávjához k é p e s t . E z é r t az optikai zavarok kiszűrésére infraszűrő ha tásosan a l k a l m a z h a t ó . A pontszerű fényforrásnak t e k i n t h e t ő , a kúpszögű s u g á r n y a l á b o t kibocsájtó GaAs adódiódától R t á volságban elhelyezett, A felületű fényelem felület egységére eső energiája, m á s n é v e n a megvilágítása, a 10. á b r a alapján h a t á r o z h a t ó meg. dP Kiindulva a megvilágítás E=-r-rösszefüggéséből, dJx dP dQ összefüggéseket, és felhasználva a áA=r áQ és SL-TT^ a megvilágítás: dP_ dP ~ dA ~R*dQ
Adó
[H Sk9-SA 10| 10. ábra. A fényelem megvilágításának meghatározása
WOOO
2
J értékébe behelyettesítve az (1) összefüggést: e
P
E--
1
(2)
1-cosA szorzat első tényezője egy félgömbsugárzó okoz ta megvilágítás, a második tényező a fókuszállás k ö v e t k e z t é b e n fellépő megvilágítás-növekedésre utal. Ennek értékét a félkúpszög függvényében a 11. á b r a t ü n t e t i fel. A (2) összefüggésből és a 11. á b r á b ó l l á t h a t ó , hogy ideális
fókuszálás
0
-»-0
1
esetén
1 —cos vagyis
a
megvilágítás
független
a
0
- = 1, a megvilágítás egy 01-cosfélgömbsugárzó okozta megvilágítással egyenlő, amely a távolság négyzetével csökken. A fotodetektorokra a katalógusok m e g a d j á k az: 2"=f
e
s
e
t
é
2
S 10 20 50 100 9. 2
távolságtól. H5k9-GA1Í]
n
11. ábra. A fókuszálás következtében fellépő megvilágításnövekedés
dl
Sugárzás iránya
dE transzfer jellemzőt, amely megadja a megvilágítás megváltozásához t a r t o z ó rövidzárási á r a m v á l t o z á sát. Ez az érték a T P 60 fényelemnél l ( x A / l u x . Tekintve, hogy az emberi szem az infrasugárra gyakorlatilag érzéketlen, célszerű a megvilágítás értékét a k a t a l ó g u s b a n megadott [xA/lux é r t é k he lyett a szem fiziológiai t u l a j d o n s á g a i t figyelmen k í v ü l hagyó mértékegységben, W / m ^ b e n m e g h a t á r o z n i . A z eszköz E megvilágításának h a t á s á r a m e g h a t á rozható a rövidzárási á r a m : I=SE. Ennek, valamint az ezt k ö v e t ő átviteli l á n c (sze lektív vevő) transzfer jellemzőinek ismeretében meg h a t á r o z h a t ó a kimeneti j e l n a g y s á g a . A fényelem rövidzárási á r a m a függ a sugárzás irá n y á t ó l is. A 12. á b r á b ó l l á t h a t ó , hogy az alkalmazott
Fényelem (sik vevŐ) |H
5k9-GÁl2
12. ábra. A fényelem iránykarakterisztikája
5
H Í R A D Á S T E C H N I K A X X I X . É V F . 1. SZ\
T P 60 i r á n y k a r a k t e r i s z t i k á j a igen széles, adott meg világítás esetén zl
A fotoelem illesztése és az átviteli
karakterisztika
Igen lényeges a fotódetektor megfelelő illesztése az ő t követíő fokozathoz. A k í v á n t illesztéssel biztosít h a t ó az optikai és villamos zavarok kiszűrése, a ked vező jel-zaj viszony, sávszélesség és határfrekvencia beállítása. Működését tekintve a fényelem egy olyan pn á t menet, amelynél a fotonok abszorbciója k ö v e t k e z t é ben keletkező elektron-lyuk p á r o k a t az á t m e n e t diffúziós potenciálja ú g y szeparálja, hogy a p oldal pozitívvá, az n oldal n e g a t í v v á válik, így az átmeneten a megvilágítással a r á n y o s nyitó i r á n y ú á r a m folyik. ' A 13a á b r á n l á t h a t ó a fényelem működési mechaniz m u s á n a k megfelelő helyettesítő k é p . A z abszorbeált fotonok által előidézett á r a m o t az I forrásáramú á r a m g e n e r á t o r képviseli, amelynek á r a m a megoszlik a pn á t m e n e t és a terhelő ellenállás között. A 136 á b r á n az ideális pn á t m e n e t e t r differenciális ellenállással ( Í 7 = 0 esetén) és Cj rétegkapacitással helyettesítet t ü k . A d o t t megvilágítás esetén a terhelésen fellépő á r a m a frekvenciától az a l á b b i . összefüggés szerint változik:
IH543-GA13I IS. ábra. A fényelem helyettesítő képe
Uü[mV]
g
0
I(co) = I(o)-
1
1+7
03
ahol:
H 5U3- GA 11+ 14. ábra. A fényelem rövidzárási áram- és üresjárási feszült ség-megvilágítás karakterisztikája
Cr }
A T P 60 r e l a t í v á r a m á n a k frekvenciafüggése a 15í> ábrán látható. A fényelem h e l y e t t e s í t ő . kapcsolásából, illetve a határfrekvencia összefüggéséből l á t h a t ó , hogy a ter helő ellenállástól jelentősen függ az eszköz h a t á r frekvenciája. K é t szélsőséges eset különböztethető meg. H a a terhelő ellenállás kicsi (r <s;r , rövidzárási t
üzem), akkor a határfrekvencia
0
megnő: c o = — - , H
azonban a terhelésen kis feszültség keletkezik. Nagy terhelő ellenállás esetén ( r » r , üresjárási üzem) a kimeneti feszültség egy adott megvilágítás esetén m a x i m á l i s , a határfrekvencia viszont a legkisebb: t
0
1 A k é t különböző ü z e m m ó d jelentős eltérést mutat a megvilágítás szempontjából is. A 14. á b r á n l á t h a t ó a T P 60 U üresjárási feszültségének, illetve / , rövid zárási á r a m á n a k az E megvilágítástól való függése. A z á b r á b ó l l á t h a t ó , hogy amíg n ö v e k v ő megvilágí t á s esetén ( £ = 2 0 0 l u x felett) az C7 görbe telítődik, addig J görbéje lineárisan n ő . E b b ő l az következik, hogy egy s z a b a d t é r i infraösszeköttetés esetén, ahol a külső megvilágítás igen nagy lehet (napos idő esetéri 10 -;10* l u x ) , az igen kis szinten érkező hasznos megvilágítás csak rövidzárási üzemben ad á r a m v á l t o z á s t , üresjárás* üzemben & karakterisztika telített sége m i a t t nem keletkezik hasznos v á l t a k o z ó feszült ség.
E z é r t az illesztő á r a m k ö r bemeneti impedanciájá nak a zavaró külső megvilágítás okozta telítődés elkerülése v é g e t t egyenáramú szempontból rövidzárrat, ugyankkor a hasznos jelre (miyeí azt kis megvigítás okozza) optimális iihpedanciát kell mutatnia. Optimálisnak t e k i n t h e t ő az a m a x i m á l i s impedan cia, amellyel az eszköz határfrekvenciája nem csök ken a vivőfrekvenciánál kisebb é r t é k r e . E követelményeket egyszerűeri és h a t á s o s a n teljesí t ő illesztő áramkörhöz ú g y j u t u n k , ha az eszközzel p á r h u z a m o s a n egy L i n d u k t i v i t á s t kapcsolunk (15a ábra), amely a fényelem C, k a p a c i t á s á v a l az / v i v ő frekvenciára hangolt rezgőKört képez. Az így k i a l a k í t o t t kapcsolás átviteli karakterisz t i k á j a a 15b á b r á n l á t h a t ó , egyenlete : v
7<w a
( i ( 0 )
_ W » ) _
got^o
=
1
ü
Ü
r
1+ahol: v
n
03
8
6
a
=a>
co =
a relatív elhangolás,
co. n
-
r
rezonancia-frekvencia,
03
- <> r
X r
t
a terhelt jósági tényező.
G Y Á R f Á S A . : O P T O E L E K T R O N I K A I E S Z K Ö Z Ö K K E L MEGVALÓSÍTHATÓ JELZÉSÁTVITEL
is a sávszélességtől függ, amely a szelektív, amplitud ó m o d u l á l t rendszereknél a legkisebb. Amennyiben az illesztő á r a m k ö r jósági tényezője, illetve sávszélessége nem állítható be a k í v á n t m é r t é k ben, mivel ezeket befolyásolják a fényelem jellemzői (r , Cj) és a v á l a s z t o t t / vivőfrekvencia, akkor a meg felelő sávszélesség beállítására egy t o v á b b i szelektív á r a m k ö r alkalmazása is szükségessé válik. Berende zésünkben a 16. á b r á n l á t h a t ó másodfokú sávszűrő alaptagot alkalmaztunk, ennek átviteli karakterisz t i k á j a azonos a p á r h u z a m o s rezgőkörével: 0
v
a z(/'<»)=
A(jco)
Qo«>o jco ]CÜ 1 + col öo«>o 2
S
1 1+jrjQ
'
ahol az erősítés s á v k ö z é p e n : 10* ' 10*
10
b)
A
0
f[khz]
^
|H 5A9-GA 15|
3
x
A sávközép (rezonancia) körfrekvencia:
IS. ábra. a) Fényelemet illesztő áramkör és b) átviteli karak terisztikája
A rezgőkört terhelő r ellenállást ú g y kell m e g v á lasztani, hogy a Q által m e g h a t á r o z o t t sávszélesség:
R 2#
=
1
co = n
és a jósági t é n y e z ő :
t
R* RiXR
ot
B= A . ot
az átviendő információnak megfelelő legyen. Az illesztő-szűrőt k ö v e t ő kiszajú előerősítő fokozat r bemeneti ellenállásának megfelelő m e g v á l a s z t á s á val, illetve a rezgőkör i n d u k t i v i t á s á n a k k i v á n t meg csapolásával állítható be a megfelelő terhelő ellenállás: b e
r = r t
h
Az illesztő á r a m k ö r t e h á t az eszköz nagy belső k a p a c i t á s á n a k i n d u k t í v elemmel t ö r t é n ő kihangolásával létrehozott rezgőkör, amely e g y e n á r a m r a rövid zár, a hasznos jelre maximális á t v i t e l t biztosit, és megfelelően m e g v á l a s z t o t t jósági tényezőjével beállít ja a rendszer sávszélsességét is. A szelektív illesztő á r a m k ö r kedvező a zavarok k i szűrése, illetve a zaj csökkentése szempontjából is, mivel az ellenállászaj
2
Az eredő átviteli k a r a k t e r i s z t i k á t az illesztő- és az a k t í v szűrő együttesen h a t á r o z z a meg:
Az eredő sávszélesség az átviteli k a r a k t e r i s z t i k á b ó l meghatározható. A k é t k ö r sávszélességét azonosra v á l a s z t v a , az az eredő sávszélesség a szinkronhagolt rezgőkörökre érvényes összefüggéssel s z á m í t h a t ó : B,
r
= s f
2 - 2. n
A szükséges sávszélességet az á t v i n n i k í v á n t j e l sorozat határozza meg. T szélességű és T perióduside i
jű impulzussorozat vételéhez - i - frekvenciájú
össze-
•* i
ul=4kTrB
tevő átvitele á l t a l á b a n elégséges. Figyelembe véve, hogy az a m p l i t u d ó m o d u l á l t rendszer megfeleltethető egy ekvivalens alapsávi rendszernek, a burkoló detek tor nem jelentős lineáris t o r z í t á s a i t is figyelembe
l!=2qIB
véve a - = - összetevő átvitelével az impulzus a l a k h ű
és a sörétzaj
3
^i
visszaállítása megvalósítható. Kétoldalsávos modu láció esetén a szükséges sávszélesség: 3 6 i•
1
•* i
Jelen a l k a l m a z á s b a n az / = 2 0 0 Hz-es ( T = 5 m s , T ; = 2 , 5 ms) impulzusszorzat átviteléhez i l y m ó d o n szükséges sávszélesség: m
16. ábra. Az átviteli karakterisztikát beállító aktiv, másodfokú sávszűrő alaptag
6 ^-=2,4 kHz. 2,5-103
H Í R A D Á S T E C H N I K A X X I X . . É V F . 1. SZ.
A jelzésátviteli rendszer gyakorlati megvalósítása A t o v á b b i a k b a n a jelátviteli összeköttetés gyakor lati megvalósítását ismertetjük. Az
adóáramkör
A z a d ó á r a m k ö r (17. ábra) f =20 kHz-es vivőfrek venciáját az IC és I C SN 74121 N típusú visszacsa t o l t monoflopokból k i a l a k í t o t t pontos, astabil m u l t i v i b r á t o r állítja elő. A z RiC J? C alaktrészek a m u l t i v i b r á t o r időzítő elemei, amelyek az impulzussorozat kitöltési tényezőjét és frekvenciáját állítják be. Az R , fí és C alkatrészek a biztos i n d í t á s t szolgál ják. A vivőoszcillátor kimeneti szintjét és jelalakját a 18. á b r á n l á t h a t ó fénykép t ü n t e t i fel. v
X
2
v
3
4
2
2
s
20. ábra. A vezérlő generátor áramának jelalakja
21. ábra. Jelalak az infrasugárzódiódán
Az / = 2 0 0 Hz-es moduláló jelet az I C - S N 7400 N típusú N A N D k a p u k b ó l felépített g y ű r ű s astabil m u l t i v i b r á t o r állítja elő. R ellenállás a j e l szimmet riáját állítja be, az R , C elemek a frekvenciát h a t á rozzák meg. A moduláló jelet a 19. á b r á n l á t h a t ó fénykép mutatja. I C 4. k a p u á r a m k ö r e képezi a m o d u l á t o r t , 7 \ elő erősítő, T pedig teljesítményerősítő, amely á r a m g e n e r á t o r k é n t szolgál a GaAs vezérlésére. A m o d u l á l t jelalakot a generátor jR -es (4 Ohmos) ellenállásán a 20. ábra fényképfelvétele t ü n t e t i fel. A GaAs diódán megjelenő jelcsomag elemi jelei (a vivőfrekvenciás impulzusok) a 2 1 . á b r a fénykép felvételén l á t h a t ó k . r a
3
n
12
5
3
2
10
18. ábra. A vivőoszcillátor jelalakja
A
vevőáramkör
A v e v ő á r a m k ö r t a 22. á b r a t ü n t e t i fel. A TP60 típusú fotóelemmel h i n d u k t i v i t á s kapcsolódik pár huzamosan, vivőfrekvenciára hangolt k ö r t képezve az eszköz belső k a p a c i t á s á v a l . A tekercs autotranszf o r m á t q r k é n t van kiképezve, amelynek L tekercséhez kapcsolódik a kiszajú, földelt bázisú előerősítő foko zat (T^. A transzformátor áttétele ú g y van m e g v á lasztva, hogy az előerősítő ohmos bemeneti ellenállása a sávszélesség által m e g h a t á r o z o t t m é r t é k b e n redu kálódjon a bemeneti hangolt körhöz. A z autotranszformátoros illesztés biztosítja t o v á b b á , hogy a beme neti k ö r t az előerősítő ne hangolja el. x
2
19. ábra. A moduláló jel alakja
8
GYÁRFÁS A.: O F T O E L E K T f t O N I K A I E S Z K Ö Z Ö K K E L MEGVALÓSÍTHATÓ JELZÉSÁTVITEL
Jllesztő
ók + előerősítő
2 Bem
*J°9»
L
01
1_.
C
w
U « OC + 12V
\
r ? ^ i
J_SN_747D§
_.
\
l'!"! _ [SNi^WÍL.
~1
Párhuzamos AM dedekior 22. áíra. A vevőáramkör felépítése
H 5V3-SA22
Az előerősítő á r a m k ö r t egy váltakozó á r a m ú kisjelű műveleti erősítő követi (IC1A), amely az u t á n a kap csolt a k t í v szűrőkapcsolásnak (IC1B) feszültséggenerátoros vezérlést biztosít. Ez utóbbi a bemeneti hangolt körrel e g y ü t t alakítja k i a vevő eredő á t v i teli k a r a k t e r i s z t i k á j á t ( / = 2 0 k H z ; B = 3 , 2 k H z ) . Az a k t í v szűrő kimenetén megjelenő vett jelsorozat, vagyis a 200 Hz-cel m o d u l á l t 20 kHz-es- jelcsomagot az 23a á b r á n l á t h a t ó fényképfelvétel, a jelsorozat 20 kHz-es vivőjének egytelen jelét — s z é t h ú z v a — a 236 ábra fényképfelvétele t ü n t e t i fel. Az impulzuscsomagot e z u t á n JAA 709n D N k e t t ő s , nagy meredekségű műveleti erősítő (IC2) erősíti a
vételi egyenirányításhoz szükséges n é h á n y voltos szintre. A váltakozó á r a m ú erősítő k i m e n e t é n megje lenő jelcsomag és annak elemi része a 24a. és b á b r a fényképfelvételein l á t h a t ó k . Az impulzussorozat e z u t á n egy p á r h u z a m o s vételi egyenirányítóra kerül. Ennek kimenetén, az R ~es munkaellenálláson megjelenő d e t e k t á l t jelet a 25a á b r a fényképfelvétele mutatja. A z e g y e n i r á n y í t o t t jelből az R C aluláteresztő választja k i a moduláló jeltartalmat (a hasznos infor mációt). A k o n d e n z á t o r o n megjelenik a d e m o d u l á l t jel (256 á b r a ) .
23. ábra. A vett modulált jel a szűrő után
24. ábra. A vett modulált jel az erősítő után
v
w
22
16
9
H Í R A D Á S T E C H N I K A X X I X . É V F . 1. SZ.
A nyereség:
íf=38.
N--
A dióda nyitófeszültsége: E/ = l,3 V . A dióda villamos csúcsteljesítménye: F
P =r/ ./ =0,65 v
F
F
W csúcs.
A teljesítményhatásfok: ^ = - 2 = 7,69%. Vivőfrekvencia: * on, « ± 0 , 0 6 % / 1 0 ° C . T 1 / =20kHz ; y = = .
•
t
v
± 0 1 % / v
T
¥
négyszögimpulzus Moduláló j e l : f —200
Hz-es négyszögimpulzus
m
r
1 2 '
=
A vevő jellemzői F é n y v e v ő : T P 60 S fényelem (Siemens).' Differenciális ellenállása (U=0 V-nál): r = 2 , 7 k f i . Határfrekvenciája ( r = 5 0 í2-nál): 40 k H z . Rétegkapacitás: 0
t
50-2..40.103
=
7
9
'
5
7
ftR
Maximális érzékenységnél a hullámhossz: 25. ábra. aj Az egyenirányítóit és b) a demodulált jel
A rendszer számított és mért
^max=°»85 F A spektrális érzékenység ( A
jellemzői
smax
/
-riál):
5=0,52 A .
A z a d ó jellemzői Infrasugárzó t í p u s a : T l X L 14 GaAs Í R E D (Texas). N y i t ó á r a m : 7 = Q , 5 csúcs. Optikai teljesítmény: P = 5 0 m W csúcs. Hullámhossz a sugárzás maximális értékénél:
Sugárérzékeny felület: A = 1,5 c m . 2
F
0
A = 0 , 9 3 jjim. p
Spektrális sávszélesség a jelteljesítményű pontokon:
Sötétáram ( í / = 0 , £ = 0 ) : z
4 = 2 5 fiA. Illesztő tag méretezése Kihangoló i n d u k t i v i t á s
ZÜ = 350 Á .
1
P
=0,796 m H .
i-d—-
S u g á r n y a l á b szöge a fél teljesítményű
pontokban A megcsapolással k i a l a k í t o t t á t t é t e l :
6> = 130°í Sugárerősség optika n é l k ü l : /
2TJ:J1
<9) —cos—I
= 13,78
mW sr
r = 1 0 Q.
Optikával a nyalábszög:
b e
0'£*2O°, és a sugárerősség:
2n\\
-cos-j
Az előerősítő bemeneti ellenállása (kiszajú, földelt b á zisú tranzisztoros erősítő): ;, ,
mW =523,5 sr
Illesztő k ö r t terhelő ellenállás: __„. | "1 ' "2 't-
' = 4 9 0 Ü.
Az illesztő k ö r eredő p á r h u z a m o s ellenállása: r=r Xr =400 t
10
\2
0
fi.
I
GYÁRFÁS A.: O P T O E L E K T R O N I K A I E S Z K Ö Z Ö K K E L MEGVALÓSÍTHATÓ
JELZÉSÁTVITEL
Az illesztő k ö r jósági tényezője:
és sávszélessége: B=-A. Hot
= =
5 kHz. 4- 5 6 78m " 2 , 3 4 5 Adó-vevő távolság lm] 1
Az illesztő tag átviteli k a r a k t e r i s z t i k á j a : jco őot^o
• a (jco) =
03
7
27. ábra. A mért jel-zaj viszony a távolság (optikával)
l
(?ot«>o
\°>o)
<*>o
\™Q)
ahol: •e-i--125,66^;
2
Qco =502,6^ 0
=0,125
Az a k t í v sávszűrő jellemzői (a 16. ábra jelöléseivel) Rezonancia-frekvencia: 1
=20,1
CYR (R R ) 3
lX
o
A P A M összeköttetések elsősorban fénysorompók és digitális a d a t á t v i t e l területén a l k a l m a z h a t ó k .
2
_
Fénysorompó 2
5
s
R* R!XR
c?o4
2
Átviteli karakterisztikája megegyezik az illesztő tagéval, mivel Q és
0
a =(/o))=a (/
i
sz
Az eredő sávszélesség: B =Bf a
2
T
M e g m é r t ü k a fendszer jel-zaj viszonyát az a k t í v szűrő u t á n az adó-vevő távolság függvényében. A 26. á b r á n az optika nélkül felvett jel-zaj viszony l á t h a t ó . A zaj effektív értéke 3,1 mV volt. A 27. á b r á n o p t i k á v a l ellátott adó esetén l á t h a t ó a jel-zaj viszony alakulása. A zaj effektív értéke 5,3 mV volt, mivel a nagyobb távolságú (35 m) mérés csak zajosabb k ö r n y e z e t b e n volt lehetséges. Alkalmazások
kHz.
Az erősítés rezonancia-frekvencián R ^ ~ 2 ^ ; ~ ~ és a jósági t é n y e z ő :
fügvényében
1
(1+/W
A fénysorompóknál a szelektív rendszer és az eszköz megfelelő illesztésével kiküszöbölhetők az op tikaizavarok (külső megvilágítás, napfény, egyéb vilá gító testek) és viszonylag nagy távolság (50...100 m é ter) h i d a l h a t ó á t a szelektív rendszerből a d ó d ó ked vező jel-zaj viszony és az optika a l k a l m a z á s a k ö v e t keztében. Mesterségesen keltett periodikus z a v a r ó fényim pulzusok (pl. stroboszkóppal t ö r t é n ő z a v a r ó meg világítás) h a t á s a is csökkenthető, ha a v e v ő kapcso lását a detektort megelőző vágó és az azt k ö v e t ő i n tegráló és k o m p a r á t o r áramkörrel kiegészítjük (28. ábra). A vágó á r a m k ö r a hasznos jel U a m p l i t ú d ó ] áit is, de a n á l a sokkal nagyobb energiájú, de a m o d u l á l ó jelsorozat i d ő t a r t a m á n á l lényegesen keskenyebb U zavaró impulzusokat is azonos a vágási szintnek meg felelő U amplitúdójú jelekké alakítja. A z i l y m ó d o n nyert azonos amplitúdójú, de különböző kitöltési t é nyezőjű impulzussorozatok e g y e n á r a m ú k ö z é p é r t é kei jelentősen eltérnek egymástól (29. á b r a ) , e z é r t egy integráló á r a m k ö r és egy ezt k ö v e t ő k o m p a r á t o r se gítségével k ü l ö n v á l a s z t h a t ó k . A hasznos jel időbeli á t l a g a : h
- 1 = 3,21 k H z .
z
v
4- 5 6 7 8910° 2 , J 4 5 6 7 8910' Adó-vevő távolság [mj
T
IH5»9-6A?SI
" (04 /
26. ábra. A mért jel-zaj viszony a távolság függvényében (optika nélkül)
h
Ü dt=Ü % h
h
Optika
Illesztő ti Vevő
erősítő
Aktív _ ii a szuro
Váltóá Hatá ramú y— roló erősítő ák i
AM detek tor
Integ ráló ák
Kompa • rátör u
Működtető kimeneti Pl
|H 5 4 9 - G A 2 Ő 1 28. ábra. Fénysorompó tömbvázlata
11
HÍRADÁSTECHNIKA X X I X . ÉVF. 1. SZ.
adó és vevő k ö z ö t t a kapcsolat csak
Zavaró jelsorozat
& Vágasiszínt
29. ábra. Zavaró impulzusok elleni védelem elve
hosszúságú szakaszon következik be. E b b ő l és a j á r m ű sebességéből m e g h a t á r o z h a t ó az adó és a v e v ő közötti összeköttetés ideje:
Figyelembe véve az átviendő karakterek s z á m á t (k), valamint a k a r a k t e r e n k é n t szükséges bitek s z á m á t (í>), m e g h a t á r o z h a t ó az egyszeri leolvasás s o r á n az á t v i n n i k í v á n t összes bitek s z á m a : N=k-b
a zavaró jelé:
k és b értékeinél figyelembe kell venni a kódellénőrzésre és a visszajelzésekre fenntartott biteket is. n-szeres leolvasási igény esetén : nN
M i v e l r <scT ezért u (t)<szu (t). T e h á t a k é t egyen á r a m ú szint közé beállítva a k o m p a r á l á s i h a t á r t , a k o m p a r á t o r csak a hasznos jelre fog átbillenni, a z a v a r ó jelre nem.
b i t átvitele szükséges T idő alatt. E b b ő l k i s z á m í t h a t ó a maximális adatsebesség: nN
Jármüazonosítás
A kiindulási adatokkal:
z
h
z
h
A m á s i k a l k a l m a z á s i lehetőség az a d a t á t v i t e l terü letén nyílik. Jelentős ennek egy speciális alkalmazása, a j á r m ű a z o n o s í t á s . Igen egyszerű felépítésű k ó d a d ó á r a m k ö r építhető, ha az / frekvenciájú moduláló impulzussorozat helyett a j á r m ű j á r a t - vagy rendszá m á n a k megfelelő k ó d d a l m o d u l á l u n k . A v e v ő á r a m k ö r t természetesen k i kell egészíteni a start-stop, illetve nagyobb, adatsebességek esetén a szinkron ü z e m ű vétel áramköreivel (ennek vizsgálatával most nem foglalkozunk). m
Jelenleg csak arra szorítkozunk, hogy közelítőleg meghatározzuk azt a maximális a d a t á t v i t e l i sebes séget, amely szükséges a mozgó j á r m ű v ö n elhelyezett k ó d a d ó és az ú t m e n t é n (megállóoszlopokon, jelző l á m p á k n á l ) elhelyezett k ó d v e v ő berendezés k ö z ö t t (30. á b r a ) . A m a x i m á l i s a d a t á t v i t e l i sebesség egy adott 0 su gárzási kúpszögű sugárzó esetén akkor lép fel, ha az a d ó a vevő mellett a legközelebb Z t á v o l s á g b a n ha lad el c, m a x i m á l i s sebességgel. Ebben az esetben az 1
min
nax
H5h9-GA3Ő]
30. ábra. Maximális adatátviteli sebesség számítása jármű azonosító berendezésnél
12
V
nkb =-
n-k-b
''
e'
"max Pé ldá ul c = 1 0 0 k m járműsebesség, 6> = 30° k ú p Ó szögű sugárzó, A = 5 karakter és k a r a k t e r e n k é n t b=7 b i t , valamint n=3-szoros leolvasási lehetőség esetén, Z = 3 m távolságnál a m a x i m á l i s adatsebesség: m a x
m i n
V =1815m
bit s
Az a d a t á t v i t e l i sebesség meghatározza az azonosító berendezés szükséges sávszélességét, felépítését, adott moduláció és m e g h a t á r o z o t t k ó d esetén. IRODALOM [1] Larry D. Major—Ronald D. Grotti: Eííicient high-power GaAs emitters. Texas Optoelectronics Data Book for Design Engineers, p. 145—157 [2] J. M. Zulauf: Les transmission sans fii a courte distance se mettent aux infrarouges. Electronique et microélectronique industrielles, No. 216, 1976. p. 37—43 [3] G. Krause—F. Keiner: Consider solid-state photodetectors. Electronic Design, Vol. 24 No. 21, 1976 [4] Applications of infrared detectors. Philips Application Book, 1971 [5] Mülman—Halkias: Electronics devices and Circuits. McGraw Hül, 1967. p. 132—133 [6] Texas Instrument: Manuel des circuits intégrés analogiques. Edition Radio, Paris, 1974 [7] Herpy Miklós: Analóg integrált áramkörök. M K . Buda pest, 1974 [8] Siemens Optoelectronics Semiconductors, Data Book 1975/76 [9] Fairchild Optoelectronics Handbook, February, 1973 [10] Optoelectronics devices. Telefunken, 1976
