光器件與光電耦合器課件

1、發(fā)光器件與光電耦合器課件 通常人們把物體向外發(fā)射出可見光的現(xiàn)象稱為發(fā)光。但對光電技術(shù)領(lǐng)域來說，光輻射還包括紅外、紫外等不可見波段的輻射。發(fā)光常分為由物體溫度高于絕對零度而產(chǎn)生物體熱輻射和物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)的輻射。前者被稱為熱輻射，后者稱為激發(fā)輻射，激發(fā)輻射的光源常被稱為冷光源。 本章主要介紹目前已得到廣泛應(yīng)用的注入式半導體發(fā)光器件及光電耦合器件。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l6.1 發(fā)光二極管的基本工作原理與特性 1907年首次發(fā)現(xiàn)半導體二極管在正向偏置的情況下發(fā)光。70年代末，人們開始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖像顯示器。進十年來，發(fā)光二極管的發(fā)光效率及發(fā)光光譜都有了很大的提高，

2、用發(fā)光二極管作光源有許多優(yōu)點。 6.1.1 發(fā)光二極管的發(fā)光機理 發(fā)光二極管（即LED）是一種注入電致發(fā)光器件，它由P型和 N型半導體組合而成。其發(fā)光機理常分為PN結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。 1. PN結(jié)注入發(fā)光 發(fā)光器件與光電耦合器課件l1. PN結(jié)注入發(fā)光結(jié)注入發(fā)光 PN結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其能帶如圖6-1 所示。當加正偏壓時，PN結(jié)區(qū)勢壘降低，從擴散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復合發(fā)光，并主要發(fā)生在p區(qū)。 發(fā)光器件與光電耦合器課件2. 異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光 為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)。圖為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)。圖2-132-13（a

3、 a）表示理想的異質(zhì)結(jié)能帶圖。由于表示理想的異質(zhì)結(jié)能帶圖。由于p區(qū)和區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不相等，當區(qū)的禁帶寬度不相等，當加上正向電壓時小區(qū)的勢壘降低，兩區(qū)的價帶幾乎相同，空穴就加上正向電壓時小區(qū)的勢壘降低，兩區(qū)的價帶幾乎相同，空穴就不斷向不斷向n區(qū)擴散。區(qū)擴散。 對對n區(qū)電子，勢壘仍然較高，不能注入?yún)^(qū)電子，勢壘仍然較高，不能注入p區(qū)。區(qū)。這樣，禁帶寬的這樣，禁帶寬的p區(qū)成為注入源，禁帶窄的區(qū)成為注入源，禁帶窄的n區(qū)成為載流子復合發(fā)光的發(fā)光區(qū)（圖區(qū)成為載流子復合發(fā)光的發(fā)光區(qū)（圖2-13（b）。例如，禁帶寬）。例如，禁帶寬EG2=1.32eV 的的p-GaAs與禁帶寬與禁帶寬EG10.7eV p-G

4、aAs與禁帶寬與禁帶寬EG10.7eV的的n-GaSb組成異質(zhì)結(jié)后，組成異質(zhì)結(jié)后，n-GaAs的空穴注入的空穴注入n-GaAs區(qū)復合發(fā)光。區(qū)復合發(fā)光。 由于由于n區(qū)所發(fā)射的區(qū)所發(fā)射的光子能量光子能量hv比比EG2 小得多，它進入小得多，它進入p區(qū)不會引起本征吸區(qū)不會引起本征吸收而直接透射出去。收而直接透射出去。發(fā)光器件與光電耦合器課件l1. 面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管 圖6-3所示為波長0.80.9m的雙異質(zhì)結(jié)GaAsAIGaAs面發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它的有源發(fā)光區(qū)是圓形平面，直徑約為50m，厚度小于2.5m。一段光纖(尾纖)穿過襯底上的小圓孔與有源發(fā)光區(qū)平面正垂直接入，周圍用粘合材料加固，用以

5、接收有源發(fā)光區(qū)平面射出的光，光從尾纖輸出。有源發(fā)光區(qū)光束的水平、垂直發(fā)散角均為120。發(fā)光器件與光電耦合器課件l2. 邊發(fā)光二極管 圖6-4所示為波長1.3m的雙異質(zhì)結(jié)InGaAsPInP邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它的核心部分是一個N型AIGaAs有源層，及其兩邊的P型AIGaAs和N型AIGaAs導光層(限制層)。導光層的折射率比有源層低，比周圍其他材料的折射率高，從而構(gòu)成以有源層為芯層的光波導，有源層產(chǎn)生的光輻射從其端面射出。為了和光纖的纖芯尺寸相配合，有源層射出光的端面寬度通常為5070m，長度為100150m。邊發(fā)光LED的方向性比面發(fā)光器件要好，其發(fā)散角水平方向為2535，垂直方向為12

6、0。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l1. 發(fā)光光譜和發(fā)光效率 LED的發(fā)光光譜指LED發(fā)出光的相對強度(或能量)隨波長(或頻率)變化的分布曲線。它直接決定著發(fā)光二極管的發(fā)光顏色，并影響它的發(fā)光效率。發(fā)射光譜的形成由材料的種類、性質(zhì)以及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定的，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。描述光譜分布的兩個主要參量是它的峰值波長和發(fā)光強度的半寬度。對于輻射躍遷所發(fā)射的光子，其波長與躍遷前后的能量差E之間的關(guān)系為hcE。復合躍遷前后的能量差大體就是材料的禁帶寬Eg。因此，峰值波長由材料的禁帶寬度決定。 發(fā)光器件與光電耦合器課件 例如GsAs的峰值波長出現(xiàn)在1.1eV，比室溫下的禁帶寬度少0.3eV。

7、圖6-5給出了GaAs0.6Po.4 和GaP的發(fā)射光譜。當GaAs1xPx中的x值不同時，峰值波長在620680nm之間變化，譜線半寬度大致為 2030nm。GaP發(fā)紅光的峰值波長在700nm附近，半寬度大約為100nm。 峰值光子的能量還與溫度有關(guān)，它隨溫度的增加而減少。在結(jié)溫上升時，譜帶波長以0.20.3nm/的比例向長波方向移動。 發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸人電能之比表示發(fā)光效率，單位lm/W；也有人把光強度與注入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為cdA（坎/安）。GaAs紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率由輸出輻射功率與輸入電功率的百分比表示。 發(fā)光器件與光電耦合器課件 發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率與外部

8、量子效率決定。內(nèi)部量子效率在平衡時，電子-空穴對的激發(fā)率等于非平衡載流子的復合率（包括輻射復合和無輻射復合），而復合率又分別決定于載流子壽命r和rn，其中輻射復合率與1/r成正比，無輻射復合率為1/rn，內(nèi)部量子效率為 ieoinnn（6-1） 式中，neo為每秒發(fā)射出的光子數(shù),ni為每秒注入到器件的電子數(shù),r是輻射復合的載流子壽命,rn是無輻射復合的載流子壽命。由式中可以看出，只有rnr，才能獲得有效的光子發(fā)射。 發(fā)光器件與光電耦合器課件 必須指出，輻射復合發(fā)光的光子并不是全部都能離開晶體向外發(fā)射。光子通過半導體有一部分被吸收，有一部分到達界面后因高折射率（折射系統(tǒng)的折射系數(shù)約為34）產(chǎn)生全

9、反射而返回晶體內(nèi)部后被吸收，只有一部分發(fā)射出去。因此，將單位時間發(fā)射到外部的光子數(shù)nex除以單位時間內(nèi)注入到器件的電子-空穴對數(shù)nin定義為外部量子效率ex，即inexnnex(6-2) 對 GaAs這類直接帶隙半導體，in可接近100。但ex很小，如CaPZn-O紅光發(fā)射效率ev很小，最高為15；發(fā)綠光的GaPN的ev約為0.7；對發(fā)紅光的 GaAs0.6P0.4，其ex約為0.4；對發(fā)紅外光的In0.32Ga0.68PTe，Zn的ev約為 0.1。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l2. 時間響應(yīng)特性與溫度特性 提高外部量子效率的措施有三條：用比空氣折射率高的透明物質(zhì)如環(huán)氧樹脂（n2 =1.55）

10、涂敷在發(fā)光二極管上；把晶體表面加工成半球形； 用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。 發(fā)光二極管的時間響應(yīng)快，短于1s，比人眼的時間響應(yīng)要快得多，但用作光信號傳遞時，響應(yīng)時間又顯得太長。發(fā)光二極管的響應(yīng)時間取決于注入載流子非發(fā)光復合的壽命和發(fā)光能級上躍遷的幾率。 發(fā)光器件與光電耦合器課件 通常發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均隨溫度上升而下降。圖6-6 表示GaP（綠色）、GaP（紅色）、GaAsP三種發(fā)光二極管的相對光亮度Le,r與溫度t的關(guān)系曲線。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l3. 發(fā)光亮度與電流的關(guān)系 發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L是單位面積發(fā)光強度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)生在P區(qū)的情況下，發(fā)光亮度L

11、與電子擴散電流idn之間的關(guān)系為 ReiLdn(6-3) 式中，是載流子輻射復合壽命R和非輻射復合壽命NR的函數(shù) 如圖6-7所示為GaAslxPx、GalxAlxAs和GaP(綠色)發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與電流密度的關(guān)系曲線。這些LED的亮度與電流密度近似成線性關(guān)系，且在很大范圍內(nèi)不易飽和。發(fā)光器件與光電耦合器課件l4. 最大工作電流 在低工作電流下，發(fā)光二極管發(fā)在低工作電流下，發(fā)光二極管發(fā)光效率隨電流的增加而明顯增加，但電光效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增加到一定值時，發(fā)光效率不再增加；流增加到一定值時，發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨工作電流的繼續(xù)增加相反，發(fā)光效率隨工作電流的繼續(xù)增加

12、而降低。圖而降低。圖6-8表示發(fā)紅光的表示發(fā)紅光的GaP發(fā)光發(fā)光二極管內(nèi)量子效率二極管內(nèi)量子效率in的相對值與電流的相對值與電流密度密度J及溫度及溫度T間的關(guān)系。隨著發(fā)光管電間的關(guān)系。隨著發(fā)光管電流密度的增加，流密度的增加，pn結(jié)的溫度升高，將導結(jié)的溫度升高，將導致熱擴散，使發(fā)光效率降低。致熱擴散，使發(fā)光效率降低。 因此，最大工作電流密度應(yīng)低于最大發(fā)射效率的電流密度值。若發(fā)因此，最大工作電流密度應(yīng)低于最大發(fā)射效率的電流密度值。若發(fā)光二極管的最大容許功耗為光二極管的最大容許功耗為Pmax，則發(fā)光管最大容許的工作電流為，則發(fā)光管最大容許的工作電流為 dddfffdfrPrrIUUrII24)()(

13、max2max（6-4） 式中，式中，rd為發(fā)光二極管的動態(tài)內(nèi)阻；為發(fā)光二極管的動態(tài)內(nèi)阻；If、Uf均為發(fā)光二極管在較小均為發(fā)光二極管在較小工作電流時的電流和正向壓降。工作電流時的電流和正向壓降。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l5. 伏安特性 發(fā)光二極管的伏安特性如圖6-9所示，它與普通二極管的伏安特性大致相同。電壓小于開啟點的電壓值時無電流，電壓一超過開啟點就顯示出歐姆導通特性。這時正向電流與電壓的關(guān)系為 iioexp(eV/mkT) (6-5) 式中，m為復合因子。在較寬禁帶的半導體中，當電流i0.1mA時，通過結(jié)內(nèi)深能級進行復合的空間復合電流起支配作用，這時m2。電流增大后，擴散電流占優(yōu)勢時

14、，m1。因而實際測得的m值大小可以標志器件發(fā)光特性的好壞。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l6. 壽命 發(fā)光二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時所經(jīng)歷的時間。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于lA/cm2時，一般可達106h，最長可達109h。隨著工作時間的加長，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老化的快慢與工作電流密度有關(guān)。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。 7. 響應(yīng)時間 在快速顯示時，標志器件對信息反應(yīng)速度的物理量叫響應(yīng)時間，即指器件啟亮(上升)與熄滅(衰減)時間的延遲。實驗證明，二極管的上升時間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。它的響應(yīng)時間一般是很短的，如GaAs1-xPx僅為幾個ns，Ga

15、P約為100ns。在用脈沖電流驅(qū)動二極管時，脈沖的間隔和占空因數(shù)必須在器件響應(yīng)時間所許可的范圍內(nèi)。 發(fā)光器件與光電耦合器課件 發(fā)光二極管工作需要施加正向偏置電壓，以提供驅(qū)動電流。典型的驅(qū)動電路如圖6-10所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過調(diào)節(jié)三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的場合，需要對LED進行調(diào)制，則調(diào)制信號通過電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號所調(diào)制。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l6.2.1 數(shù)字、文字及圖像顯示 l6.2.2 指示、照明 l6.2.3 光電開關(guān)、報警、遙控、耦合 l6.2.4 光源 思考題與習題思考題與習題6 6.1 為什么

16、說發(fā)光二極管的發(fā)光區(qū)在PN結(jié)的P區(qū)？這與電子、孔穴的遷移率有關(guān)嗎？6.2 為什么發(fā)光二極管必須在正向電壓作用下才能發(fā)光？反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？ 發(fā)光器件與光電耦合器課件l6.4.1 光電耦合器件的結(jié)構(gòu)與電路符號 將發(fā)光器件與光電接收器件組合成一體，制成具有信號傳輸功能的器件稱為光電耦合器件。光電耦合器件的發(fā)光件常用LED發(fā)光二極管、LD半導體激光器和微形鎢絲燈等。光電接收器件常用光電二極管、光電三極管、光電池及光敏電阻等。由于光電耦合器件的發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。因此，在實際應(yīng)用中它具有許多特點，成為重要的器件。 用來制造光電耦合器件的發(fā)光元件與光電接收元件的種類

17、都很多，因而它具有多種類型和多種封裝形式。本節(jié)僅介紹幾種常見的結(jié)構(gòu)。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l1. 光電耦合器件的結(jié)構(gòu) 光電耦合器件的基本結(jié)構(gòu)如圖6-28所示，圖6-28（a）為發(fā)光器件（發(fā)光二極管）與光電接收器件（光電二極管或光電三極管等）被封裝在黑色樹脂外殼內(nèi)構(gòu)成光電耦合器件。圖6-28（b）者將發(fā)光器件與光電器件封裝在金屬管殼內(nèi)構(gòu)成的光電耦合器件。使發(fā)光器件與光電接收器件靠得很近，但不接觸。 發(fā)光器件與光電耦合器課件 光電耦合器件的電路符光電耦合器件的電路符號如圖號如圖6-29所示，圖中的發(fā)光所示，圖中的發(fā)光二極管泛指一切發(fā)光器件，圖二極管泛指一切發(fā)光器件，圖中的光電二極管也泛指一切光

18、中的光電二極管也泛指一切光電接收器件。電接收器件。 圖圖6-30所示為幾種不同封所示為幾種不同封裝的光電耦合器，圖中（裝的光電耦合器，圖中（a）、）、（b）、（）、（c）分別為三種不同）分別為三種不同安裝方式光電發(fā)射器件與光電安裝方式光電發(fā)射器件與光電接收器件分別安裝器件的兩臂接收器件分別安裝器件的兩臂上，分離尺寸一般在上，分離尺寸一般在412mm，分開的目的是要檢測兩臂間是分開的目的是要檢測兩臂間是否存在物體，以及物體的運動否存在物體，以及物體的運動速度等參數(shù)。這中封裝的器件速度等參數(shù)。這中封裝的器件常被稱為光電開關(guān)。常被稱為光電開關(guān)。 發(fā)光器件與光電耦合器課件圖中（d）反光型光電耦合器，L

19、ED和光電二極管封裝在一個殼體內(nèi)，兩者發(fā)射光軸同接收光軸夾一銳角，LED發(fā)出的光被測物體反射，并被光電二極管接收，構(gòu)成反光型光電耦合器。圖中（e）為另一種反光型光電耦合器，LED和光電二極管平行封裝在一個殼體內(nèi)，LED發(fā)出的光可以在較遠的位置上放置的器件反射到光電二極管的光敏面上。顯然，這種反光型光電耦合器要比成銳角的耦合器作用距離遠。圖中（f）DIP封裝形式的光電耦合器件。這種封裝形式的器件有多種，可將幾組光電耦合器封裝在一片DIP中，用作多路信號隔離傳輸。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l3. 光電耦合器件的特點 具有電隔離的功能 它的輸入、輸出信號間完全沒有電路的聯(lián)系，所以輸入和輸出回路的電子

20、零位可以任意選擇。絕緣電阻高達1010l012，擊穿電壓高達10025kV，耦合電容小于1PF。 信號傳輸方式 信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。適用于模擬信號和數(shù)字信號。 具有抗干擾和噪聲的能力 它作為繼電器和變壓器使用時，可以使線路板上看不到磁性元件。它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。 發(fā)光器件與光電耦合器課件 響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快 即具有耦合特性又具有隔離特性即具有耦合特性又具有隔離特性 它能很容易地把不同電位的兩組電路互連起來，圓滿地完成電平匹配、電平轉(zhuǎn)移等功能； 一般可達微秒數(shù)量級，甚至納秒數(shù)量級。它可傳輸?shù)男盘栴l率在直流至10MHz之間。 實用性強實用性強 具有一

21、般固體器件的可靠性，體積小(一般66mm)，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在55+l00之間。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l6.4.2 光電耦合器件的特性參數(shù) 光電耦合器件的主要特性為隔離特性與傳輸特性。1.傳輸特性 光電耦合器件的傳輸特性就是輸入與輸出間的特性，它用下列幾個性能參數(shù)來描述。（1）電流傳輸比 在直流工作狀態(tài)下，光電耦合器件的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的注入電流IF之比定義為光電耦合器件的電流傳輸比，用表示。如圖6-31所示為光電耦合器件的輸出特性曲線，在其中部取一工作點Q，它所對應(yīng)的發(fā)光電流為 IFQ，對應(yīng)的集電極電流為ICQ，發(fā)光器件與光電耦合器

22、課件 因此該點的電流傳輸比為Q=ICQ/ IFQ100% （6-19）如果工作點選在靠近截止區(qū)的Q1點時，雖然發(fā)光電流IF變化了IF，但相應(yīng)的IC1，變化量卻很小。這樣，值很明顯地要變小。同理，當工作點選在接近飽和區(qū)Q3點時，值也要變小。這說明工作點選擇在輸出特性的不同位置時，就具有不同的值。 因此，在傳送小信號時，用直流傳輸比是不恰當?shù)?，而?yīng)當用所選工作點Q處的小信號電流傳輸比來計算。這種以微小變量定義的傳輸比稱為交流電流傳輸比。發(fā)光器件與光電耦合器課件用來表示。即=Ic/IF100% (6-20) 對于輸出特性線性度做得比較好的光電耦合器件，值很接近值。在一般的線性狀態(tài)使用中，都盡可能地把

23、工作點設(shè)計在線性工作區(qū)；對于開關(guān)使用狀態(tài)，由于不關(guān)心交流與直流電流傳輸比的差別，而且在實際使用中直流傳輸比又便于測量，因此通常都采用直流電流傳輸比。 光電耦合器件的電流傳輸比與三極管的電流放大倍數(shù)都是輸出與輸入電流之比值，但有本質(zhì)的差別。光電耦合器件內(nèi)的輸入電流使發(fā)光二極管發(fā)光，光電耦合器件的輸出電流是光電接收器件（光電二極管或光電三極管）接收到的光產(chǎn)生的光電流，可用IF表示，其中與發(fā)光二極管的發(fā)光效率、光敏三極管的增益及二者之間距離等參數(shù)有關(guān)的系數(shù)，通常稱為光激發(fā)效率。 發(fā)光器件與光電耦合器課件圖6-32所示為光電耦合器件的電流傳輸比隨發(fā)光電流IF的變化曲線。在IF較小時，耦合器件的光電接收

24、器件處于截止區(qū)，因此值較??；當IF變大后，光電接收器件處于線性工作狀態(tài)，值將隨IF增加，而后，IF再增大，反而會變小，因為發(fā)光二極管發(fā)出的光不總與電流成正比。圖6-33是隨環(huán)境溫度的變化曲線。 發(fā)光器件與光電耦合器課件 (2) 輸入與輸出間的寄生電容CFC 這是輸入與輸出端之間的寄生電容。當CFC變大時，會使光電耦合器件的工作頻率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后面的系統(tǒng)噪音容易反饋到前面系統(tǒng)中。對于一般的光電耦合器件，其CFC僅僅為幾個pF，一般在中頻范圍內(nèi)都不會影響電路的正常工作，但在高頻電路中就要予以重視了。(3) 最高工作頻率fm 頻率特性分別取決于發(fā)光器件與光電接收器件的頻率

25、特性，由發(fā)光二極管與光電二極管組成的光電耦合器件的頻率響應(yīng)最高，最高工作頻率fm接近于10MHz，其他組合的頻率響應(yīng)相應(yīng)降低。 發(fā)光器件與光電耦合器課件圖6-35示出了一個光電耦合器件的頻率曲線。圖中RC為光電耦合器的負載電阻，顯然，最高工作頻率fm與負載電阻值有關(guān)。減小負載電阻會使光電耦合器件的最高工作頻率fM增高。 （4）脈沖上升時間tr和 下降時間tf 光電耦合器在脈沖電壓信號的作用下的時間響應(yīng)特性用輸出端的上升時間tr和下降時間tf描述。如圖6-36所示為典型光電耦合器件的脈沖響應(yīng)特性曲線。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l2.2.隔離特性隔離特性 (1) 輸入與輸出間隔離電壓BVCFO 光

26、電耦合器的輸入（發(fā)光器件）與輸出（光電接收器件）的隔離特性可用它們之間的隔離電壓BVCFO來描素。一般低壓使用時隔離特性都能滿足要求，在高壓使用時，隔離電壓成為重要的參數(shù)。已經(jīng)可以制造出用于高壓隔離應(yīng)用的耐壓高達幾千伏或上萬伏的光電耦合器件。 (2)輸入與輸出間的絕緣電阻RFC 光電耦合器隔離特性另一種描述方式是絕緣電阻。光電耦合器的隔離電阻一般在109 1013之間。它與耐壓密切相關(guān)，它與的關(guān)系和耐壓與的關(guān)系一樣。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l3.光電耦合器件的抗干擾特性 (1)光電耦合器件抗干擾強的原因光電耦合器件抗干擾強的原因 光電耦合器件的輸入阻抗很低，一般為光電耦合器件的輸入阻抗很低，

27、一般為101k；而干擾源；而干擾源的內(nèi)阻很大，為的內(nèi)阻很大，為103106。按分壓比計算，能夠饋送到光電耦合。按分壓比計算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲變得很小。器件輸入端的干擾噪聲變得很小。 由于干擾噪聲源的內(nèi)阻很大，干擾電壓供出的能量卻很小，由于干擾噪聲源的內(nèi)阻很大，干擾電壓供出的能量卻很小，只能形成很弱的電流。而發(fā)光二極管只有在通過一定的電流時才只能形成很弱的電流。而發(fā)光二極管只有在通過一定的電流時才能發(fā)光。因此，被它抑制掉。能發(fā)光。因此，被它抑制掉。 光電耦合器件的輸入、輸出是用光耦合的，且被密封在管光電耦合器件的輸入、輸出是用光耦合的，且被密封在管殼內(nèi)，不會受到外界光的干擾

28、。殼內(nèi)，不會受到外界光的干擾。 光電耦合器件的輸入光電耦合器件的輸入、輸出間寄生電容很小輸出間寄生電容很小(為為0.5 2pF)，絕緣電阻大絕緣電阻大(為為10111013)，因而輸出系統(tǒng)的各種干擾噪音很難通，因而輸出系統(tǒng)的各種干擾噪音很難通過光電耦合器件反饋到輸入系統(tǒng)。過光電耦合器件反饋到輸入系統(tǒng)。 發(fā)光器件與光電耦合器課件(2)光電耦合器件抑制干擾噪聲電平的估算 在向光電耦合器輸送信息(例如矩形脈沖信號)的同時，不可避免地進入干擾信號。這些干擾信號由系統(tǒng)自身產(chǎn)生的干擾、電源脈動干擾、外界電火花干擾以及繼電器釋放所產(chǎn)生的反電勢的泄放干擾等。干擾信號包含各種白噪聲和各種頻率的尖脈沖，其中以繼電

29、器等電磁電器的開關(guān)干擾最為嚴重。這些干擾信號的波形如圖6-37（a）所示。設(shè)每個干擾脈沖寬度為1s，重復頻率為500kHz。經(jīng)過傅立葉變換，得到含有各種頻率的序列余弦函數(shù) 發(fā)光器件與光電耦合器課件 U(t)=A/2+ (2 A/) cos2Ft (2 A/3) cos23Ft+ (2 A/5) cos25Ft (6-21) 由上式可以看出，其的直流分量為 ，交流分量的幅度隨頻率的升高逐級減弱。 2A可以用一次分量來近似地表示整個的交流分量 而不會帶來太大的誤差。 Uf(t)= 2 A/ cos2Ft (6-22) 如圖6-38所示，繼電器開關(guān)干擾常由繞組與接觸點間的寄生電容Cs竄入光電耦合器件

30、的輸入端。圖6-38(b)所示為它的交流等效電路。 發(fā)光器件與光電耦合器課件設(shè)繼電器繞組與接觸點間的寄生電容Cs為2pF，則等效內(nèi)阻Zo為 )(10212160FCsZ(6-23) 設(shè)使光電耦合的最小輸入電流為1mA，發(fā)光二極管的正向壓降為1V，故，等效輸入阻抗Z=lk。顯然，ZZ。在該回路內(nèi)，當瞬時電流達到1mA時，干擾源的基波幅值為 )V(1021)(3ftU(6-24) 根據(jù)式（6-22），可求出使光電耦合器工作的最小電壓脈沖的幅值為 Umin=250V 在實際應(yīng)用中，繼電器工作在30V以下，繼電器開關(guān)引起的干擾脈沖絕不可能高于250V ，因此，不會干擾耦合器。發(fā)光器件與光電耦合器課件

31、6.5.1 用于電平轉(zhuǎn)換 工業(yè)控制系統(tǒng)所用集成電路的電源電壓和信號脈沖的幅度常不盡相同，如TTL的電源為5V，HTL為12V，PMOS為22V，CMOS則為520V。如果在系統(tǒng)中必須采用二種集成電路芯片，就必需對電平進行轉(zhuǎn)換，以便邏輯控制的實現(xiàn)。 圖6-39所示為利用光電耦合器件實現(xiàn)PMOS電路的電平與TTL電路電平的轉(zhuǎn)換電路。光電耦合器件不但使前后兩種不同電平的脈沖信號耦合起來而且使輸入與輸出電路完全隔離。 發(fā)光器件與光電耦合器課件l6.5.2 用于邏輯門電路 利用光電耦合器件可以構(gòu)成各種邏輯電路，圖6-40所示為兩個光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端Ui1和Ui2同時輸入高電平1，則兩個發(fā)光二極管GD1和GD2