Оптопара с составным транзистором дарлингтона

Оптопара с составным транзистором Дарлингтона в которой с целью увеличения быстродействия в качестве фотоприемника использованы два последовательно соединенных фотодиода, подключенных к переходу база-эмиттер первого транзистора. Паразитная емкость перехода коллектор-база существенно уменьшена за счет исключения емкости фотодиода, при этом получено существенное улучшение динамических характеристик оптопары. Фотоприемный кристалл оптопары реализован с использованием технологии полной диэлектрической изоляции элементов.

Полезная модель относится к электронной технике и может быть использована для передачи информации и коммутации сигналов в электронной аппаратуре

Известна оптопара с составным транзистором Дарлингтона, состоящая из входных цепей, соединенных с ними светодиода, оптически связанного с ним составного фототранзистора, имеющего в качестве усилительного элемента составной транзистор Дарлингтона, а в качестве фоточувствительного элемента фотодиод на основе перехода коллектор-база биполярного транзистора (Vishay Semiconductor GmBH, Optocouplers Databook, 2004, стр.627). Недостатком данной конструкции является низкое быстродействие оптопары из-за паразитного влияния емкости фотодиода (эффект Миллера).

Цель настоящей полезной модели - увеличение быстродействия оптопары с составным транзистором Дарлингтона.

Указанная цель достигается тем, что в оптопаре с составным транзистором Дарлингтона, состоящей из входных цепей, соединенных с ними светодиода, составного транзистора Дарлингтона, коллектор и эмиттер которого соединены с выходными цепями, фоточувствительный элемент выполнен в виде двух последовательно соединенных фотодиодов, которые подключены между базой и эмиттером первого транзистора составного транзистора Дарлингтона.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение быстродействия оптопары с составным транзистором Дарлингтона за счет исключения паразитной емкости фотодиода между коллектором и базой первого транзистора составного транзистора Дарлингтона.

Конструкция поясняется Фиг.1, на которой изображена электрическая схема предлагаемой оптопары с составным транзистором Дарлингтона. Оптопара содержит входные цепи 1, светодиод 2, оптически связанный с двумя фотодиодами 3, анод крайнего из которых соединен с базой первого транзистора 4, катод крайнего из которых соединен с эмиттером первого транзистора 4, база второго транзистора 5 соединена с эмиттером первого транзистора 4, коллекторы транзисторов 4 и 5 соединены вместе, эмиттер второго транзистора 5 и коллекторы обоих транзисторов соединены с выходными цепями 6.

Работа оптопары с составным транзистором Дарлингтона поясняется Фиг.2, на которой изображена оптопара с подключенным к коллектору составного транзистора нагрузочным сопротивлением Rн, источником напряжения Епит. Емкость перехода коллектор-база условно обозначена как Скб, источники фототока фотодиодов обозначены как Iф.

При подаче электрического сигнала на светодиод 2 он начинает излучать инфракрасный свет, который падает на фотодиоды 3, генерируя в них фототек. Этот фототек начинает заряжать собственную емкость фотодиодов вместе с диффузионной емкостью перехода база-эмиттер. Через определенное время, которое определяется временем заряда указанных емкостей до уровня напряжения отпирания транзистора 4, фототек начинает поступать в базу транзистора 4, вызывая пропорциональное увеличение коллекторного тока. Коллекторный ток транзистора 4 начинает поступать в базу транзистора 5, что вызывает увеличение его коллекторного тока. Потенциал коллектора составного транзистора Дарлингтона снижается, при этом через емкость коллектор-база Скб за счет емкостного тока часть тока базы отбирается, вызывая замедление включения. Это замедление определяется постоянной времени, пропорциональной емкости Скб перехода коллектор-база транзистора 4.

При выключении светодиода 1 пара фотодиодов 2 перестает генерировать фототек, ток в базу транзистора 4 перестает поступать и транзистор 4 начинает запираться, так же начинает запираться транзистор 5, при этом потенциал коллектора составного транзистора Дарлингтона начинает увеличиваться. В базу транзистора 4 через емкость Скб начинает поступать емкостной ток, замедляя выключение транзистора 4 и составного транзистора Дарлингтона в целом. Величина замедления определяется постоянной времени, пропорциональной емкости Скб перехода коллектор-база транзистора 4. Поскольку емкость перехода коллектор-база транзистора 4 существенно меньше, чем емкость коллектор-база с подключенной к нему емкостью фотодиода, динамические характеристики предлагаемой конструкции так же имеют существенно лучшие значения, чем в конструкции прототипа.

Определим сравнительный выигрыш по быстродействию предлагаемой полезной модели и прототипа. Типичная емкость фотодиода размером 1×1 мм составляет 100 пФ. Емкость перехода коллектор-база составляет 2 пФ. Суммарная паразитная емкость коллектор-база прототипа, таким образом, составляет 102 пФ, паразитная емкость коллектор-база предлагаемой полезной модели составляет 2 пФ. Сравнивая эти величины можно прийти к выводу, что время нарастания выходного сигнала предлагаемого изобретения меньше чем у прототипа примерно в 50 раз, что является существенным выигрышем.

В предлагаемой полезной модели возможно использование фотодиодов с количеством больше двух. Если фотодиоды и транзистор реализуются в одном кристалле, то эффективность такой конструкции будет снижена, так как при увеличении количества фотодиодов суммарный фототок пропорционально будет уменьшен. При использовании одного фотодиода фототок не будет протекать в базу из-за равенства величины потенциальных барьеров фотодиода и перехода база-эмиттер. Таким образом, оптимальным количеством является два фотодиода.

Транзисторы 4, 5 и фотодиоды 2 могут быть реализованы в одном кристалле, изготовленном по микроэлектронной технологии с полной диэлектрической изоляцией элементов.

На Фиг.3 изображена конструкция прототипа.

На Фиг.4 изображена примерная конструкция кристалла содержащего вышеописанные транзистор и два фотодиода. Кристалл выполнен по технологии с полной диэлектрической изоляцией между элементами. Кристалл содержит p-области 7 и 10 фотодиодов, n-области 8 и 9 фотодиодов, n-область 15 коллектора составного транзистора Дарлингтона, p-область 14 базы первого транзистора, n-область 13 эмиттера первого транзистора, p-область 17 базы второго транзистора, n-область 16 эмиттера второго транзистора, контактную площадку 18 коллектора составного транзистора Дарлингтона, контактную площадку 12 эмиттера составного транзистора Дарлингтона, соединительную металлизацию 13.

На Фиг.5 изображено поперечное сечение кристалла содержащего вышеописанные транзисторы и два фотодиода. Цифрами обозначены: 19 - несущая пластина, 20 - диэлектрический слой, 21 - диэлектрический слой между n-областями фотодиодов.

Оптопара с составным транзистором Дарлингтона, характеризующаяся тем, что имеет входные цепи, соединенный с ними светодиод, оптически связанный с двумя последовательно соединенными фотодиодами, анод крайнего из которых соединен с базой первого транзистора, а катод крайнего из которых соединен с эмиттером первого транзистора, база второго транзистора соединена с эмиттером первого транзистора, коллекторы первого и второго транзистора соединены вместе, эмиттер второго транзистора и коллекторы первого и второго транзисторов соединены с выходными цепями оптопары.