Шумахер У. Полупроводниковая электроника

4.4. Оптические волноводы

203

Бюджет мощности

Для того чтобы обеспечить стабильное и

Значение

надёжное функционирование

системы,

очень важным является расчёт бюджета

мощности. При этом должны учитываться

–6 (typ),

как уровень мощности, необходимый для

передачи, так и минимальная мощность

–26 (typ),

принимаемого сигнала. При расчётах необ-

ходимо учитывать следующие факторы:

20 (typ),

мощность излучения в волокне даётся

для оптимально подсоединённого волок-

на, например при длине 30 см и 10 мА;

в расчёт принимаются возможные до-

IEEE 1394

представляет собой гибкий,

полнительные потери после

первого

метра POF по сравнению с нормальным

ослаблением в волокне;

величина тока драйвера даётся с опреде-

лённым допуском, что влияет на мощ-

ность излучения;

лидирующие

производители

аппаратуры

вследствие температурного коэффици-

ента излучения, температура влияет на

эффективную мощность распространя-

работу

устройств

ющегося излучения, что требует учёта

различных производителей.

минимальной и максимальной величи-

ны этого параметра;

потери в интерфейсе передатчика;

длина волокон определяет степень ос-

Стандарт

IEEE 1394

определяет

среду,

лабления излучения, что, в свою оче-

редь, зависит от длины волны излучения;

заключаются в следующем:

разъём-расщепитель или заменённый

соединитель приводит к дополнитель-

ным потерям;

потери на прокладку кабеля и старение

волокна.

Минимальная и максимальная величина

переносимой мощности, а также минималь-

матически;

ный и максимальный уровни затухания в

кабеле задают максимальную и минималь-

ную величину принимаемой мощности.

кольцевой охват не требуется;

Фототок на входе усилителя может быть

определён после учёта потерь в интерфейсе

фотоприёмника и чувствительности фото-

рованные критические данные.

диода. Как правило, должен быть предус-

мотрен резервный запас на переменные

факторы, величина которого может состав-

лять вплоть до 20 дБ (100 раз).

Не вдаваясь в детали, приведём результат

по мощностным параметрам: типичные ве-

личины при комнатной температуре, мини-

мощных

ИД

мальные значения во всём температурном

диапазоне и эксплуатационный ресурс (см.

Табл. 4.5).

(250 Мбод) и S400. В случае S400 традици-

4.5.1. IrDA — один стандарт для всех

онные пластиковые волокна уже исчерпы-

приборов

вают свои предельные возможности, в осо-

Ассоциация IrDA была учреждена в 1993

бенности, когда существует потребность в

году с целью разработки стандартов для

большей длине линии связи. Здесь следует

универсального обмена данными с исполь-

отметить, что новые волокна, представлен-

зованием ИК-излучения (Рис. 4.41). С тех

ные

на многочисленных

конференциях,

пор более 140 международных компаний за-

должны быть доведены до стадии массового

регистрировались в ней в качестве офици-

производства.

альных членов. Среди них и компания

4.5. IrDA — передача данных

Infineon, поддерживающая эту ассоциацию.

Тем временем существуют различные спе-

с использованием

цификации как для физического уровня,

так и для уровня программного обеспече-

Использование инфракрасного (ИК) из-

ния, которые разрешают неограниченный

лучения сегодня стало практически обы-

обмен данными между приборами. Они ос-

денным делом, в частности, для дистанци-

нащены соответствующими интерфейса-

онного управления телевизором, видеомаг-

ми. В настоящее время IrDA является са-

нитофоном, HiFi-системами и другими

мым большим и наиболее эффективным в

электронными устройствами. Как правило,

мире консорциумом для разработки ИК-

мы

пользуемся

несколькими

системами

систем и технологий. В качестве члена IrDA

дистанционного управления, например для

компания Infineon имеет возможность ак-

автоматического управления дверями гара-

тивно участвовать в разработке будущей

жа или замком в дверях автомобиля.

стратегии.

Большое число таких систем дистанци-

онного управления содержат ИК-компо-

ненты, производимые компанией Infineon.

Однако в будущем использование инфра-

красного излучения для передачи данных

не будет ограничиваться лишь бытовой

электроникой, а во всё большей степени

станет охватывать офисную технику и мо-

бильную связь: системы передачи данных

для ПК, КПК, DVD-плeеры, принтеры, мо-

бильные телефоны и многие другие прибо-

Рис. 4.41. Логотип IrDA.

ры, так как такие системы связи надёжны,

безопасны и к тому же дёшевы. Другим ар-

КПК обмениваются данными

гументом в пользу ИК-излучения является

с мобильными телефонами, ПК

то, что, в отличие от ВЧ связи, его исполь-

или принтерами

зование никоим образом не ограничено ус-

Диапазон возможных применений ИК-

ловиями, в которых происходит передача

данных. Благодаря единому стандарту, ко-

трансиверов очень широк. Без сомнения,

торый действует во всём мире, у потребите-

одним из наиболее полезных применений

ля нет необходимости заботиться ни о спе-

является обмен данными между КПК и пе-

циальных кабельных адапторах, ни о про-

риферийными устройствами. Можно ожи-

блеме интерфейса.

дать, что все новые КПК будут оснащены

Для этих новых рынков будущего под-

интерфейсами IrDA. Владельцы КПК смо-

разделение оптоэлектроники

компании

гут передавать данные со своих устройств

Infineon разработало ряд ИК-трансиверов,

настольному ПК или принтеру без исполь-

специально адаптированных к требованиям

зования каких-либо проводных соединений

передачи данных (IrDT). Эти IrDT-прибо-

между приборами. Уже сегодня многие

ры

передают

данные

со

скоростью

пользователи PDA («персональных цифро-

2.4 Кбит/с…4 Мбит/с и совместимы со спе-

вых помощников») пользуются данной оп-

цификациями так называемого физическо-

цией, когда периферийные устройства ос-

го уровня стандарта IrDA.

нащены ИК-интерфейсом. Другими вида-

но упрощающая подсоединение к интер-

Информация в Интернете

фейсу

асинхронного

приёмопередатчика

Справочные данные и другие рекоменда-

ции по применению можно найти в Интер-

Подразделение оптоэлектроники компа-

нете на сайте: http://www.infineon.com, а

специальных требований заказчика — на

206

мальное решение с использованием стан-

дартных компонентов.

BZ = 0

4

1

4

2

I1

BZ

I1

3

b

V20

b

1

d

2

3

l

l

Рис. 5.2. Иллюстрация принципа работы дат-

а)

чика Холла.

BZ ≠ 0

4

Влияние токовых контактов и контак-

I1

тов, с которых снимается разность потен-

циалов, учитывается с помощью геометри-

1

2

ческого коэффициента G. В идеальном слу-

чае точечных контактов G равнялось бы 1.

Однако из-за конечных размеров контактов

3

на практике величина G составляет проме-

б)

жуточное значение между 0 и 1.

Ток вводится и выводится через контак-

ты 1 и 2, а напряжение Холла измеряется

между точками 3 и 4.Эффективная площадь

датчика Холла

ограничивается

концами

ного поля (б).

электродов. За счёт изменения размеров и

геометрии датчики могут быть оптимизиро-

ваны для выполнения различных функций.

текания тока

изменяются. Угол является

На Рис. 5.3, а…в приведены три наиболее

распространённые формы датчиков.

4

4

1

1

2

2

3

3

На

Рис. 5.2

показано схематическое

а)

4

б)

1

представление принципа работы датчика.

Полосковая пластина из подходящего мате-

b

риала толщиной d, длиной l и шириной b

2

проводит ток I1 в продольном направлении

3

и подвергается

воздействию

магнитного

в)

поля

пластине.

В этом случае между точками 3 и 4 возника-

Рис. 5.3. Самые распространённые формы

ет разность потенциалов, которую называ-

датчиков Холла: а — крестообразный симмет-

ют напряжением Холла V20. Величина этого

ричный датчик с высокой чувствительностью

напряжения определяется выражением:

к магнитному полю; б — прямоугольный дат-

RH

чик с большим напряжением Холла; в — дат-

V20

=

I1 Bz G ,

чик с геометрией бабочки, который благодаря

d

фиксации тока обладает высокой чувствитель-

ностью к магнитным полям.

INFSEMI_2-Text.fm, стр. 209 из 589 (September 3, 2010, 17:04)

5.2. Датчики магнитного поля 209

Концепции и основные технические

Чувствительность к индукции в разомкнутой

данные

цепи KBO

GaAs

0

–40

–20

0

20

40

60

80

100

R

TA [°C]

Коэффициент Холла RH является конс-

электродам

тантой материала, которая, как видно из

Рис. 5.4, зависит от температуры. С другой

элемента Холла неизбежно образуют пет-

стороны, в определённых пределах данный

лю, накрывающую область A2. Эту петлю

коэффициент не зависит от амплитуды маг-

даже при тщательной трассировке невоз-

нитного поля. Для арсенида галлия этот

можно свести к нулю. Как следствие, даже

предел располагается вблизи 1 Тл.

при проходящем

токе I1 = 0

плотность

Ненагруженное напряжение Холла V20

флуктуирующего магнитного потока наво-

дит в петле напряжение, которое может

(напряжение разомкнутой цепи)

быть измерено между холловскими элект-

В спецификациях приводятся значения

родами и определяется следующим выраже-

нием:

ненагруженного напряжения Холла, пред-

ставляющего собой выходное напряжение

dBz

V20, которое генерируется между электрода-

V

= A

.

ми ненагруженного элемента Холла при

10

2

dt

пропускании номинального тока IIN и при-

Этот параметр

называется статической

ложении поперечного магнитного поля BZ.

выражается

5.2. Датчики магнитного поля

211

обходимы, главным образом, датчики, ин-

Хотя данный принцип был известен дав-

тегрированные с заказными ИС. Эти спе-

но, его промышленное применение ста-

циализированные ИС (ASIC)

предлагают

ло возможным с середины 90-х годов в

пользователю ряд преимуществ по сравне-

результате успехов аналоговой обработки

нию с модульным подходом.

сигналов с использованием стандартной

Первым преимуществом является про-

КМОП-технологии. Благодаря этой тех-

нологии

оказывается

возможным

поддерживать

магнитный

сдвиг

всей

системы, включая холловский зонд и

схему обработки сигнала, на уровне ме-

нее 50 мкТл.

Вторым преимуществом является воз-

можность усиления без смещения: амп-

литуда выходных сигналов с зонда Холла

составляет порядка мВ. Это означает, что

сигналы должны быть усилены, по край-

ней мере, в 1000 раз. Недостатком тради-

ционных усилителей постоянного тока с

таким большим коэффициентом усиле-

ния является проявление эффекта сме-

щения. Однако в интегральных датчиках

Холла с ASIC, использующих метод

SCHP, холловский зонд уже работает в

переключательном режиме, что позволя-

ет осуществлять обработку сигнала стро-

бируемыми усилителями

без

эффекта

сдвига. В связи с тем, что реализация та-

кой концепции требует опыта в проекти-

ровании аналоговых схем, потребителю

было бы выгодно, чтобы изготовитель

ранить сдвиг.

объединил в одном чипе схему обработ-

ки сигнала и интегральный зонд Холла.

I1

1

1

Третьим преимуществом данного метода

является высокая температурная ста-

4

4

бильность: интегральные датчики Холла

часто используются в жёстких темпера-

V20 + V2R0

V20 – V2R0

I1

турных условиях. Стандартным является

диапазон температур от –40 до +150°С, а

3

в специальных применениях

верхняя

3

граница может достигать +210°С. Для

2

I1

2

минимизации тепловых токов утечки и

паразитных ёмкостных петель, через ко-

I1

торые шумовые импульсы могут прохо-

дить в схему обработки сигнала, все эле-

R

R + Roff

R

R + R

менты

электронной

схемы,

которые

чувствительны к интерференционным

off

V2R0 = I1Roff

I1

I1

эффектам, в особенности зонд Холла,

R + Roff

R + Roff

R

должны быть как можно меньше. Интег-

R

ральный подход обеспечивает снижение

индуктивной компоненты до пренебре-

I1

жимо малого уровня. Антенный эффект

Рис. 5.7. Устранение омической компоненты

проволочной

разводки

чипа также су-

щественно слабее по сравнению с анало-

гичным

эффектом дискретной

сборки