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专题论述

光电子器件现状及典型应用
信息来源:军民融合技术转移平台 上传日期:2018-06-13 点击率:2502次

一、定义与现状

光电子器件是光电子技术的关键和核心部件,是利用电-光子转换效应制成的各种功能器件。光电子技术是涉及光波范围内的电磁辐射产生、接收、传输、处理与显示的技术,是现代光电技术与微电子技术的前沿研究领域,是现代信息技术的重要组成部分。采用光电子技术的武器装备具有看得更清、反应更快、打得更准和生存能力更强的优势。

据研究机构IC Insights发布的2018年OSD报告,光电子器件(Optoelectronics)、传感器(Sensors)、分立器件(Discretes)(Optoelectronics,Sensors及Discretes,合称“OSD”)作为半导体产业的三个细分市场,在2017年全球共计实现753亿美元销售额,同比增长11%,在过去20年里是平均年度增长率的1.5倍以上。

2017年,光电子器件销售从2016年罕见的4%下降率,恢复成9%的增长率,其销售额达369亿美元。OSD报告预测,2018年,光电子器件增长8%,如下图所示。


图1 O-S-D市场增长情况


2017年到2022年,预计光电子器件销售量以7.3%的年复合增长率(CAGR)增长到524亿美元。未来五年,受通信升级、图像识别、智能控制系统、物联网设备等强劲的需求拉动,2022年OSD总销售额将持续增长,功率分立器件(晶体管及其它设备)伴随手机及电池的增长,也将稳步提升。

但不容忽视的是,我国光电子产业的核心基础能力依然薄弱,与发达国家相比,总体呈现出“应用强、技术弱、市场厚、利润薄”的结构,整个产业链发展不均衡。这已逐渐成为制约我国光电子产业发展的瓶颈,因此高效选用现有的光电子器件对提高装备性能的必要性和紧迫性是不言而喻的。

二、典型应用电路

光电子技术是电子信息技术的一个分支,也是半导体技术、微电子技术、材料技术、光学、通信、计算机等多学科交叉产生的新技术。从产业链角度看,包括光辐射(激光器)、光探测、光传输、光处理、光显示、光存储、光集成以及光转换(光伏)等多个领域。其中,光电耦合器作为光处理领域的典型代表产品,在型号装备上起着不可或缺的作用。

光电耦合器是一种把红外光发射器件和红外光接收器件以及信号处理电路等封装在同一管座内的器件。当输入电信号加到输入端发光器件LED上,LED发光,光接收器件接收光信号并转换成电信号,然后将电信号直接输出,或者将电信号放大处理成标准数字电平输出,这样就实现了“电-光-电”的转换及传输,光是传输的媒介,因而输入端与输出端在电气上是绝缘的,也称为电隔离。


图2 常见光电耦合器


三、光电耦合器的分类

由于光电耦合器的品种和类型非常多,通常可以按以下方法进行分类:

1.按输出形式分,可分为:

(1)晶体管输出型,其中包括交流输入型、直流输入型、互补输出型等。

(2)达林顿管输出型,其中包括交流输入型、直流输入型、两端输出型和三端输出型,如图3所示。


图3 晶体管/达林顿管输出型光电耦合器典型应用电路


说明:电路连接方式为集电极反相输出。

输入设计:IF=,一般IF=0~50mA

输出设计:IO=,VO为输出电压

(3)光敏器件输出型,其中包括光敏二极管输出型、光电池输出型、光可控硅输出型等。

(4)逻辑门电路输出型,其中包括集电极开路(OPEN COLLECTOR)输出型。图腾柱(TOTEM POLE)输出型,三态门电路输出型等,如图4。


图4 多通道产品的TTL/LSTTL到CMOS的接口电路


I F =,一般IFL=0~250μA,IFH=8~20mA

其中,VIN为输入端TTL电平电压,VF为光耦发光二极管的电压。

(5)低导通输出型,输出低电平为毫伏数量级。

(6)光开关输出型,导通电阻小于10Ω。

(7)功率输出型,IGBT/MOSFET等输出。

2.按光路径分,可分为外光路光电耦合器(又称光电断续检测器)和内光路光电耦合器。外光路光电耦合器又分为透过型和反射型光电耦合器。

3.按封装形式分,可分为同轴型,双列直插型,TO封装型,扁平封装型,贴片封装型,以及光纤传输型等。

4.按传输信号分,可分为数字型光电耦合器:集电极开路输出型,图腾柱输出型及三态门电路输出型等;线性光电耦合器:低漂移型,高线性型,宽带型,单电源型,双电源型等。

5.按速度分,可分为低速光电耦合器(光敏三极管、光电池等输出型)和高速光电耦合器(光敏二极管带信号处理电路或者光敏集成电路输出型)。

6.按通道分,可分为单通道,双通道和多通道光电耦合器。

7.按隔离特性分,可分为普通隔离光电耦合器(一般光学胶灌封低于5000V,空封低于2000V)和高压隔离光电耦合器(可分为10kV,20kV,30kV等)。

8.按工作电压分,可分为低电源电压型光电耦合器(一般5~15V)和高电源电压型光电耦合器(一般大于30V)。

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