Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 1, стр. 101-104

Использование фоторезистора для управления электрическими сигналами с помощью оптических сигналов в ряде случаев дает значительные преимущества по сравнению с устройствами на основе транзисторов. Эти преимущества связаны с возможностью прямого перемножения оптических и электрических сигналов фоторезистором [1, 2]

Следует отметить, что проблема прямого аналогового перемножения сигналов ни в ламповой, ни в транзисторной электронике до настоящего времени не решена. Умножение как в ламповой, так и в транзисторной электронике осуществляется опосредовано за счет возведения в квадрат суммы сигналов. Как было показано в [1], на основе резисторного оптрона возможна реализация прямого перемножения сигналов и создание большинства устройств аналоговой радиотехники. Идеальная гальваническая развязка, резкое упрощение конструкции радиотехнических устройств для перемножения сигналов, в ряде случаев практически полное отсутствие нелинейных искажений, делает резисторный оптрон перспективными аналоговым радиотехническим устройством. При этом возникает широкая возможность идеального перехода из оптических линий передачи информации к электрическим каналам систем обработки информации. По сути, резисторный оптрон может выполнять роль транзистора в системах оптоэлектронной обработки информации.

Цель данной работы – создать балансный модулятор (БМ) на основе резисторного оптрона.

В радиотехнике широко используются устройства балансной модуляции. Главное достоинство такого вида модуляции – высокая эффективность передатчика. Однако конструкция устройства БМ для получения балансной модуляции, является достаточно сложной: он состоит из фазовращателя, двух устройств перемножения сигналов, сумматора [2].

Рассмотрим БМ на основе резисторного оптрона. Анализ проведен для случая однородной генерации носителей светом в объеме фоторезистора на основе полупроводника n-типа, омических контактов и линейной люксамперной характеристики светодиода. Пусть в качестве несущего сигнала выступает оптический сигнал, модулированный по интенсивности с частотой $\omega $:

Модулирующим сигналом будем считать напряжение с частотой Ω, приложенное к фоторезистору. Для простоты рассмотрения примем его однотональным:

Ток на выходе фоторезистора будет равен

где ${{I}_{0}} = {{\sigma }_{0}}{{U}_{0}}$ − темновой ток при постоянном напряжении ${{U}_{0}}$; ${{\sigma }_{0}} = {{e{{n}_{0}}{{\mu }_{n}}S} \mathord{\left/ {\vphantom {{e{{n}_{0}}{{\mu }_{n}}S} \ell }} \right. \kern-0em} \ell }$ − темновая проводимость фоторезистора; $\Delta {{I}_{0}} = \Delta \sigma {{U}_{0}}$ − фототок при напряжении ${{U}_{0}}$; ${{n}_{0}}$ – равновесная концентрация основных носителей, $\Delta \sigma = \chi ea\beta {{\Phi }_{0}}{{\tau }_{n}}{{\mu }_{n}}{S \mathord{\left/ {\vphantom {S \ell }} \right. \kern-0em} \ell }$ − фотопроводимость при освещении интенсивностью ${{\Phi }_{0}};$ ${{\tau }_{n}},{\kern 1pt} {{\mu }_{n}}$ – время жизни и подвижность основных носителей, $\Delta {{I}_{m}} = \Delta \sigma {{U}_{m}}$ − фототок при напряжении ${{U}_{m}}$; ${{I}_{{m0}}} = {{\sigma }_{0}}{{U}_{m}}$ − темновой ток при амплитуде переменного напряжении равного ${{U}_{m}}$; $S,{\kern 1pt} {\kern 1pt} l$ – площадь контактов и расстояние между контактами фоторезистора. Выражение (4) содержит амплитудно-модулированный (АМ) сигнал, имеющий вид

В данном случае глубина модуляции равна

где ${{U}_{m}}$ − амплитуда модулирующего сигнала; ${{U}_{0}}$ − постоянная составляющая напряжения модулирующего сигнала. Так как ${{U}_{m}}$ может быть больше ${{U}_{0}},$ следовательно, возможно получение перемодулированного колебания и балансно-модулированного колебания, если ${{U}_{0}} = 0.$ Нами была проведена экспериментальная проверка устройства БМ на основе фоторезистора. Нелинейные искажения сигнала, несущего информацию, в данном случае будут связаны только с устройством, преобразующим сообщения в электрический сигнал. Нелинейные искажения возникают только в несущем сигнале, и они связаны в основном с нелинейной кинетикой фотопроводимости. Более высокие гармоники несущего сигнала могут быть легко отфильтрованы фильтром, настроенным на частоту несущего колебания $\omega $. Частота несущего сигнала в данном случае может достигать величины не более ${1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 \tau }} \right. \kern-0em} \tau },$ где $\tau $−постоянная времени фоторезистора. Фоторезисторы на основе кремния (например, кремния с примесью индия Si(In)) могут иметь малое время релаксации. Согласно [2] в Si(In) при концентрации центров рекомбинации 10¹⁷ постоянная времени релаксации фотопроводимости равна 0.0001 мкс. Следовательно, в данном случае частоты несущего сигнала могут доходить до 10 ГГц. Использование гармоник в спектре несущего сигнала за счет нелинейной кинетики, позволяет поднять несущую частоту на порядок.

Возможность получения балансно-модулированного колебания была проверена с помощью фоторезистора на основе чистого кремния. Омические контакты были изготовлены на основе графена. Частота несущего колебания $(\omega )$ равна 10 кГц, частота модулирующего колебания 500 Гц. На рис. 1 приведена осциллограмма (а) и спектр (б) фототока на выходе фоторезистора.

Рис. 1.

Осциллограмма сигнала (а) и спектра сигнала (б) на выходе фоторезистора, ${\omega \mathord{\left/ {\vphantom {\omega {\Omega = 20}}} \right. \kern-0em} {\Omega = 20}}.$

Для получения балансно-модулированного колебания необходимо удалить из спектра полученного колебания первую гармонику модулирующего сигнала. На рис. 2 приведена осциллограмма (а) и спектр (б) тока на выходе фильтра и осциллограмма балансно-модулированного колебания.

Рис. 2.

Осциллограмма сигнала на выходе фильтра (а) и спектр сигнала (б).

На рис. 3 приведены рассчитанные с помощью соотношения (4) виды сигнала на выходе фоторезистора до фильтра (а) и после фильтра (б).

Рис. 3.

Осциллограммы модулированного колебания на выходе фоторезистора (а) и фильтра (б) при ${\omega \mathord{\left/ {\vphantom {\omega {\Omega = 20}}} \right. \kern-0em} {\Omega = 20}},$ рассчитанные с помощью соотношения (4); а – без учета постоянной составляющей тока, ${{\Delta \sigma } \mathord{\left/ {\vphantom {{\Delta \sigma } {{{\sigma }_{0}} = 2}}} \right. \kern-0em} {{{\sigma }_{0}} = 2}},$ б – коэффициент передачи фильтра на частоте модуляции $\Omega = 500$ Гц равен 0.1.

Моделирование фильтра осуществлялось путем введения множителя равного коэффициенту передачи фильтра на данной частоте. Отношение несущей частоты к модулирующей частоте равно 20. Из рисунков видно хорошее совпадение рассчитанных и измеренных кривых.

Рассмотрим достоинства устройства для получения балансно-модулированных сигналов с помощью фоторезисторного оптрона: это – идеальная гальваническая развязка несущего и модулирующего колебаний, простота изготовления и настройки. В этом случае балансный модулятор состоит из трех простейших элементов: фоторезистора, светодиода и фильтра, и имеет низкий коэффициент нелинейных искажений (<1%). Исследование проводили с помощью измерителя нелинейных искажений типа С6-11. При наличии омических контактов у фоторезистора получение АМ-колебаний не сопровождается нелинейными искажениями модулирующего сигнала. Все нелинейные искажения будут связаны только с устройством, преобразующим сообщение в электрический сигнал. Предложенная схема позволяет осуществлять переход из оптических каналов связи в радиоканалы без дополнительных электронных устройств. Недостатком данного способа является то, что в настоящее время невозможно получить несущее колебание частотой свыше 10¹⁰ Гц, так как быстродействие лучших фоторезисторов составляет 10¹⁰ с [2]. Разработка и создание резисторных оптронов с высокими параметрами по быстродействию и линейности позволят создать оптоэлектронные аналоги электронных устройств, в том числе и цифровых.

Отличительной особенностью таких устройств является исключительная простота изготовления и возможность создания полностью оптоэлектронных систем обработки информации. Транзисторная электроника будет применяться только в процессах усиления сигналов.

Авторы благодарят В.В. Лосева (НИУ МИЭТ) за помощь в нанесении графеновых контактов.