Публикации

Андрей ГУСЕВ, "Оптоэлектронные решения компании IC-Haus".

"Компоненты и технологии" №1, 2007 г.

Компания IC-Haus была основана в 1984 году в Германии в городе Боденхайм и на даный момент является достаточно динамично развивающимся игроком полупроводникового рынка. На данный момент она не столь известна в России, как такие именитые брэнды как Analog Devices или International Rectifier и вместе с тем данной компанией выпускается очень много интересных полупроводниковых и оптоэлектронных продуктов. Они отличаются смелыми инновационными решениями и традиционным немецким качеством.

Продукция IC-Haus - это полупроводниковые и оптоэлектронные приборы для различных сфер электронной техники. Можно выделить следующие направления производства продукции:

• микросхемы управления лазерами
• интерфейсные ИС
• сигнальные и специализированные микросхемы
• магнитоэлектронные приборы основанные на эффекте Холла
• гибридные электронные приборы, сочетащие в себе оптические и полупроводниковые компоненты
• фотодатчики и фотосчитыватели для систем автоматики (рис.1)

Рис. 1. Сегменты промышленности, на которые ориентированы продукты IC Haus.

На мой взгляд, наибольший интерес представляют разработки этой немецкой компании в сфере оптоэлектронных компонентов, которые отличаюся подчас уникальными техничекими концепциями, о которых и пойдёт речь ниже.

Одним из направлений развиваемых компанией IC-Haus, является производство микросхем управления лазерными диодами(рис.2). Данные микросхемы предназначены в качестве устройства управляющего лазером в телекоммуникационной технике, например это может быть оптоволоконный трансивер, либо устройство считывания штрих-кодов в торговых терминалах или даже лазер оптического носителя данных. Типичный представитель – контроллер лазера iC-NZ , позволяющий управлять лазерным диодом с частотой модуляции до 155 МГц который содержит в себе трехканальный драйвер (рис.3) и три выходных каскада для питания лазера, которые в сумме обеспечивают максимальный выходной ток до 320 мА при напряжении питания 5 вольт, схему контроля тока через лазер, систему самодиагностики и защиты лазера от перегрузки возможного выхода из строя . Дополнительно туда входит регулируемый блок мониторинга характеристик лазера и устройство управления обеспечивающее возможность управления лазером от внешнего устройства, например контроллера управляющего системой охраны. Помимо iC-NZ есть не менее интересные решения: микросхемы iC-WKM для управления лазерами с длиной волны 470-500 нанометров (синие лазеры) (рис.4) и iC-VJ - контроллеры управления лазером для систем охраны и передачи данных «по воздуху», в данном случае микросхема iC-VJ совместно с лазерным диодом может выполнять роль оптического передатчика. В качестве сопряжённого с лазером-излучателем оптического приёмника может использоваться специализированная микросхема фотоприёмника iC-LQNP, которая содержит на одном кристалле сам фотоприёмник, усилитель сигнала, каскады управления а также систему предотвращения засветки дневным светом (рис.5). Таким образом мы можем получить из набора микросхем iC-WKM + iC-LQNP+лазерный диод удачное решение для построения системы обнаружения объектов охранного устройства либо для создания оптической системы передачи данных в тех условиях где использование радиоинтерфейсов невозможно или нежелательно.

Рис. 2. Сравнительная диаграмма драйверов лазерных диодов.

Рис. 3. Контроллер лазера iC-NZ.

Рис. 4. Драйвер синего лазера.

Рис. 5. Фотоприемник iC-LQNP.

Не менее интересными являются иные концепции построения фотоприёмников от IC-Haus. Серийно выпускаются более десяти оригинальных оптоэлектронных продуктов, отличающихся оригинальными техническими находками. В первую очередь это светодиоды для инфракрасного диапазона специально разработанные для работы в системах автоматики и контроля доступа: от считывателя штрих-кода до турникетов.Это светодиоды серий iC-SD и iC-TL33 для SMD монтажа и пайки в отверстия соответственно. Ключевая особенность этих светодиодов: очень высокая скорость переключения диодов и широкий рабочий температурный диапазон: -40…+125 градусов (рис.6) .Как эволюционное развитие фотоприёмников LQNP IC-Haus выпускает фотоприёмники со встроенным компаратором и триггером Шмидта iC-VP обеспечивающим дискретный сигнал на выходе фотоприёмника, совместимый по уровню сигнала с КМОП уровнями. «Изюминкой» этой микросхемы является возможность изменять порог срабатывания путём изменения сопротивления внешнего резистора, что обеспечивает очень гибкие возможности в плане применения в датчиках освещённости, счётчках оборотов,системах автоматики (рис.7). Применение iC-VP позволит снизить схемотехнические затраты и улучшить помехозащищённость оптических датчиков.

Рис. 6. Инфракрасные светодиоды.

Рис. 7. Фотоприемник с компаратором.

В дальнейшем развитие подобных микросхем привело к появлению новых оптоэлектронных приборов: считывающих линеек. Физически они представляют собой массив считывающих фотоэлементов размещённых в виде линии общим количеством фотоэлементов от 64 до 256 сегментов в том же корпусе, что и считывающая линейка находится управляющий контроллер, который обеспечивает функции, усиления и обработки данных с матрицы фотоэлементов. Каждый фотодиод находящийся в массиве, оснащён собственным усилителем сигнала, после чего сигнал с него коммутируется специальным быстродействующим мультиплексором, который переключается блоком управления, по командам с управляющих выходов, таким образом, что опрос каналов фотолинейки происходит последовательно, с передачей выборок значений напряжения соответствующего освещённости на высоточный rail-to-rail операционный усилитель через который сигнал может подаваться уже на другое устройствоb (рис.8) IC-Haus выпускает несколько микросхем с различным количеством фотодиодов, например такие как iC-LFL1402 которые корпусируются в сравнительно новый тип корпуса, с прозрачной верхней частью, первоначально разработанный компанией Kyocera и названный optoBGA (рис.9) есть разновидность корпуса с другим типом выводов, получившая название optoLGA. Данные типы корпусов разработы специально для монтажа микросхем считывающих линеек вплотную без зазора для создания готовых модулей оптоэлектронных считывателей изображения, подобные вещи можно увидеть «в живую» если поднять крышку факсового аппарата с протяжным сканнером бумаги. Физическое разрешение матрицы составляет 400DPI, что позволяет применять их в такой технике, как считыватели штрих-кодов на кассовых терминалах супермаркетов, системы идентификаци и контроля доступа, валидаторы проездных документов, факсимильные аппараты.

Рис. 8. Структура считывающей линейки.

Рис. 9. Считывающие линейки в optoBGA корпусе.

Принцип использования оптоэлетронных устройств в системах автоматики и различных датчиках нашел достаточно широкое распостранение. IC-Haus также не отстаёт от этой тенденции, выпуская несколько продуктов, ориентированных на применение в индустриальной автоматике. Самые простые из них это Active Photosensor Arrays – «массив активных фотодатчиков». Что это такое? Так производитель называет семейство микросхем названных iC-LS, содержащих в себе набор фотодиодов и сопряжённых с ними усилителей сигнала расположенных в одном корпусе, усилители имеют коллекторный выход , что позволяет подключатьнапрямую к iC-LS самые разнообразные схемы. Выпускаются четырех- , восьми- , и двенадцатиканальные микросхемы. (рис.10) Подобное устройство может использоваться при создании датчиков перемещения, бесколлекторных прямоприводных двигателей, либо иных устройств призванных отслеживать положение предмета в определённых координатах.

Рис. 10. Семейство микросхем названных iC-LS.

Технически более сложным устройством являются оптические энкодеры, представляющие собой микросхему, имеющую «на борту» массив фотодатчиков(при этом каждый из фотодиодов оснащается собственным усилителем), схему анализирующую сигнал, полученный с каждого из каналов и устройство с набором компараторов, которое преобразует сигнал и дискретным уровням и контроллер, преобразующий данные полученные с блока компараторов в цифровую форму для подачи их по цифровому интерфейсу на другое устройство для дальнейшей обработки. Дополнительно в микросхему встроена система управления светодиодом засветки (он подключается к внешнему выводу в непосредственной близости от оптоэнкодера для его нормальной работы) с монитором состояния, который выдаёт сигнал ошибки в случая возникновения нештатной ситуации (рис.11). IC-Haus выпускает несколько разновидностей оптических энкодеров серий iC-XX которые отличаются наличием аналоговых выходов как например iC-OF, либо имеет «на борту» драйвер мощного светодиода с выходным током 40 мА как iC-OV. Микросхемы оптических энкодеров являются базой для создание высоконадёжных и «умных» датчиков линейного и углового перемещения, счётчиков оборотов, устройств измеряющих скорость вращения датчиков положения шестерни или другого исполнительного механического узла, нередко оптические энкодеры могут ставиться в тех случаях, когда нужно заменить неустойчиво работающие датчики Холла в электрических приводах в условиях воздействия сильных магнитных полей . Практикуется также использование оптических энкодеров в бесконтактных органах управления: типичный пример - замена механических энкодеров, имеющих как правило небольшой ресурс из-за постепенного стирания контактного слоя групп контактов, нередко искрящих при больших токах и имеющих проблему получившую название «дребезга контактов», досконально описанную в литературе по электронике.

Рис. 11. Структура оптоэнкодера.

Сфера производимых IC-Haus оптоэлектронных компонентов покрывает такие области человеческой жизненедеятельности как промышленность и автоматика, являющаяся наверное самым большим потребителем всевозможных датчиков и сенсоров, транспортные средства, особенно автомобили с развитыми системами климат- и круизконтроля требующие интеллектуальных средств управления, способных отследить положение узлов и автоматически принять решение о включении того или иного механизма, будь то центральныз замок блокировки дверей или система безопасноти обеспечивающая включение системы АБС при возникновении соответствующей ситуации, не менее важно использование оптоэлектроники в средствах телекоммуникаций и системах охраны и безопасности, обеспечивающим комфортную жизнедеятельность человека.

Список используемых источников:
http://www.renishaw.com/client/product/Russian/PGP-1113.shtml
http://www.ichaus.com/productgroups.php
http://www.radioradar.net/hand_book/documentation/microchip_shim.html