CN105262548A - 光接收电路 - Google Patents

Abstract

一种光接收电路，由4个运算放大器、8个匹配电阻、输出三极管、辅助三极管和光电二极管组成；前述元件按本发明方案连接后，分别形成一条主线路和一条辅助线路，主线路用于控制输出三极管的开启/关断，辅助线路用于对输出三极管基极上存储的电荷进行快速泄放；本发明的有益技术效果是：提出了一种新结构的光接收电路，该光接收电路具有低传输延迟时间的性能，同时，该光接收电路还能通过第二反相放大器来减小两个电压控制信号之间的延迟差异，从而使光接收电路的输出波形得到优化。

Description

光接收电路

技术领域

本发明涉及一种光电隔离技术，尤其涉及一种光接收电路。

背景技术

光电耦合器作为一种十分常用的光电隔离器件，被广泛应用于电源控制与稳压系统、CAN和I²C总线通信、过程控制和电机驱动等领域。

光电耦合器的基本原理为：控制模块产生控制电流信号，控制电流信号驱动发光二极管产生光信号，光信号照射到光接收电路中的光电二极管上后，光电二极管在光信号的激励下产生光生电流，然后通过特定电路将光生电流转换为电压控制信号并传输到受控模块。

在总线通信领域，为了提高数据传输速率，要求光电耦合器的输出信号具有较小的传输延迟。图1示出了一种现有的能降低传输延迟时间的光接收电路，该电路利用运放Amp07与电阻R13构成的跨阻放大器，在X点产生电压信号V，利用电容C1产生位移电流C1*dV/dt，上述位移电流与光生电流在Y点叠加，并通过运放Amp05与电阻R9构成的跨阻放大器在Z点产生控制电压信号，由于位移电流和光电流的叠加，降低了Z点电压的上升/下降时间，从而起到降低传输延迟时间的效果。但是，图1所示的光接收电路对传输延迟时间的改善效果并不大，其原因如下：图1中光接收电路的信号延迟主要由三部分构成：其一，运放Amp05与电阻R9构成的跨阻放大器产生的信号延迟，其二，电阻R10、R11和运放Amp06构成的反相放大器产生的信号延迟，其三，电阻R12、输出三极管Q和上拉电阻RL构成的输出级产生的信号延迟；由于光接收电路需具备一定的扇出能力，通常在设计时采用大尺寸的输出三极管，导致输出三极管基区载流子存储效应变得很严重，使得输出级关断产生的延迟在总的传输延迟时间中所占比例最大，所以，尽管图1的光接收电路能够在一定程度上降低输出级之前线路的传输延迟时间，但是其对整个光接收电路的传输延迟时间的改善并不显著。

为了改善光接收电路的传输延迟时间，本领域技术人员还提出了图2的光接收电路结构，图中所示的光接收电路，利用了F点的电压来控制辅助三极管Q4的开启与关断，从而达到辅助关断输出三极管Q3的目的，但该光接收电路仍存在如下问题：1）在高速数据传输时，要求输入跨阻放大器采用低的跨阻值来获得大的带宽，使得F点的电压摆幅较小，特别地，在单片集成的光接收电路中，集成的光电二极管的灵敏度远低于单管，这进一步降低了F点的电压摆幅，导致辅助三极管Q4无法关断；2）从F点到输出三极管Q3基极的信号与从F点到辅助三极管Q4基极的信号存在显著的时间延迟，如图3所示，该时间延迟使得辅助三极管Q4提前开启，从而导致输出三极管Q3提前关断，影响光接收电路的输出波形。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种光接收电路，其结构为：所述光接收电路由4个运算放大器、8个匹配电阻、输出三极管、辅助三极管和光电二极管组成；

第一运算放大器的输入端与光电二极管的阳极连接，第一运算放大器的输出端与第二匹配电阻的一端连接，第二匹配电阻的另一端与第二运算放大器的输入端连接，第二运算放大器的输出端与第四匹配电阻的一端连接，第四匹配电阻的另一端与输出三极管的基极连接；输出三极管的集电极开路，输出三极管的发射极接地；

第一匹配电阻的两端分别与第一运算放大器的输入端和输出端连接，第一匹配电阻和第一运算放大器形成第一跨阻放大器；第三匹配电阻的两端分别与第二运算放大器的输入端和输出端连接，第二匹配电阻、第三匹配电阻和第二运算放大器形成第一反相放大器；

光电二极管的阴极与第三运算放大器的输入端连接，第三运算放大器的输出端与第七匹配电阻的一端连接，第七匹配电阻的另一端与第四运算放大器的输入端连接，第四运算放大器的输出端与第六匹配电阻的一端连接，第六匹配电阻的另一端与辅助三极管的基极连接，辅助三极管的发射极接地，辅助三极管的集电极与输出三极管的基极连接；

第五匹配电阻的两端分别与第三运算放大器的输入端和输出端连接，第五匹配电阻和第三运算放大器形成第二跨阻放大器；第八匹配电阻的两端分别与第四运算放大器的输入端和输出端连接，第七匹配电阻、第八匹配电阻和第四运算放大器形成第二反相放大器；

所述光电二极管用于接收外部光激励；第一跨阻放大器和第一反相放大器所在的线路记为主电路，第二跨阻放大器和第二反相放大器所在的线路记为辅助线路；光接收电路通过主电路控制输出三极管的开启和关断，光接收电路通过辅助线路控制辅助三极管的开启和关断；输出三极管开启时，辅助三极管处于关断状态；输出三极管关断时，辅助三极管处于开启状态；

辅助三极管能够在输出三极管关断时，将输出三极管基极上存储的电荷快速泄放掉，从而加速输出三极管的关断，缩减光接收电路的传输延迟。

本发明的原理是：基于现有理论可知，当三极管导通时，三极管基区存在载流子存储效应，使得三极管的关断时间远大于开启时间，光接收电路的输出晶体管需要驱动较大的负载，典型的负载电容值为15pF，使得输出晶体管需采用大尺寸的三极管，从而加重了基区载流子存储效应，增加了关断时间，导致光接收电路的传输延迟时间增长；现有技术中，虽然引入了辅助三极管对输出三极管进行辅助关断，但受限于电路结构，在高速数据传输应用中，辅助三极管将无法关断，严重时将使得输出三极管无法正常开启，导致光接收电路功能失效；另外，现有技术中，显著的时间延迟将影响光接收电路的输出波形；而采用本发明方案后，由第七匹配电阻、第八匹配电阻和第四运算放大器构成的第二反相放大器对原来摆幅较小的开关控制信号进行了放大，从而保证了辅助三极管的正常开启与关断，同时，第二反相放大器还引入了时间延迟，减小了主电路和辅助电路两者间控制信号的延迟差异，从而降低了时间延迟对光接收电路输出波形的影响，具体来说，本发明是这样实现前述目的的：

光电二极管接收到发光二极管发出的光信号后，产生从阴极到阳极的光生电流，一方面，光生电流通过主电路上的第一跨阻放大器，在W点产生第一电压控制信号，第一电压控制信号被第一反相放大器放大，放大倍数为：-R3/R2，放大后的第一电压控制信号加载在输出三极管的基极，用于控制输出三极管的开启与关断；另一方面，光生电流通过辅助电路上的第二跨阻放大器，在M点产生第二电压控制信号，第二电压控制信号被第二反相放大器放大，放大倍数为：-R8/R7，放大后的第二控制电压信号加载在辅助三极管的基极，用于控制辅助三极管的开启与关断；当输出三极管的基极控制信号为开启时，辅助三极管处于关断状态，输出三极管正常开启，当输出三极管的基极控制信号为关断时，辅助三极管处于开启状态，泄放输出三极管的基极存储电荷，从而加速了输出三极管的关断，第四匹配电阻和第六匹配电阻用于基极限流。相比于图1所示结构，本发明的传输延迟时间更小，相比于图2所示结构，本发明除了具备更小的传输延迟时间外，还可以保证输出三极管的工作稳定性，以及对光接收电路的输出波形起到优化作用。

本领域技术人员应该清楚，在具体应用时，还需为光接收电路连接上拉电阻。

另外，在具体应用时，本领域技术人员既可以将所述光接收电路设计为单片集成式结构，也可以将光电二极管与其余部分设置为相互独立的结构。

本发明的有益技术效果是：提出了一种新结构的光接收电路，该光接收电路具有低传输延迟时间的性能，同时，该光接收电路还能通过第二反相放大器来减小两个电压控制信号之间的延迟差异，从而使光接收电路的输出波形得到优化。

附图说明

图1、现有的光接收电路结构示意图一；

图2、现有的光接收电路结构示意图二；

图3、图2结构中控制信号延迟时间示意图；

图4、本发明的光接收电路结构示意图；

图4中各个标记所对应的名称分别为：第一运算放大器Amp01、第二运算放大器Amp02、第三运算放大器Amp03、第四运算放大器Amp04、输出三极管Q1、辅助三极管Q2、光电二极管G、发光二极管LED、上拉电阻RL、第一匹配电阻R1、第二匹配电阻R2、第三匹配电阻R3、第四匹配电阻R4、第五匹配电阻R5、第六匹配电阻R6、第七匹配电阻R7、第八匹配电阻R8。

具体实施方式

一种光接收电路，其结构为：所述光接收电路由4个运算放大器、8个匹配电阻、输出三极管Q1、辅助三极管Q2和光电二极管G组成；

第一运算放大器Amp01的输入端与光电二极管G的阳极连接，第一运算放大器Amp01的输出端与第二匹配电阻R2的一端连接，第二匹配电阻R2的另一端与第二运算放大器Amp02的输入端连接，第二运算放大器Amp01的输出端与第四匹配电阻R4的一端连接，第四匹配电阻R4的另一端与输出三极管Q1的基极连接；输出三极管Q1的集电极开路，输出三极管Q1的发射极接地；

第一匹配电阻R1的两端分别与第一运算放大器Amp01的输入端和输出端连接，第一匹配电阻R1和第一运算放大器Amp01形成第一跨阻放大器；第三匹配电阻R3的两端分别与第二运算放大器Amp02的输入端和输出端连接，第二匹配电阻R2、第三匹配电阻R3和第二运算放大器Amp02形成第一反相放大器；

光电二极管G的阴极与第三运算放大器Amp03的输入端连接，第三运算放大器Amp03的输出端与第七匹配电阻R7的一端连接，第七匹配电阻R7的另一端与第四运算放大器Amp04的输入端连接，第四运算放大器Amp04的输出端与第六匹配电阻R6的一端连接，第六匹配电阻R6的另一端与辅助三极管Q2的基极连接，辅助三极管Q2的发射极接地，辅助三极管Q2的集电极与输出三极管Q1的基极连接；

第五匹配电阻R5的两端分别与第三运算放大器Amp03的输入端和输出端连接，第五匹配电阻R5和第三运算放大器Amp03形成第二跨阻放大器；第八匹配电阻R8的两端分别与第四运算放大器Amp04的输入端和输出端连接，第七匹配电阻R7、第八匹配电阻R8和第四运算放大器Amp04形成第二反相放大器；

所述光电二极管G用于接收外部光激励；第一跨阻放大器和第一反相放大器所在的线路记为主电路，第二跨阻放大器和第二反相放大器所在的线路记为辅助线路；光接收电路通过主电路控制输出三极管Q1的开启和关断，光接收电路通过辅助线路控制辅助三极管Q2的开启和关断；输出三极管Q1开启时，辅助三极管Q2处于关断状态；输出三极管Q1关断时，辅助三极管Q2处于开启状态；

辅助三极管Q2能够在输出三极管Q1关断时，将输出三极管Q1基极上存储的电荷快速泄放掉，从而加速输出三极管Q1的关断，缩减光接收电路的传输延迟。

进一步地，所述光接收电路，或者，为单片集成式结构，或者，将光电二极管G与其余部分设置为独立结构。

Claims (2)

1.一种光接收电路，其特征在于：所述光接收电路由4个运算放大器、8个匹配电阻、输出三极管（Q1）、辅助三极管（Q2）和光电二极管（G）组成；

第一运算放大器（Amp01）的输入端与光电二极管（G）的阳极连接，第一运算放大器（Amp01）的输出端与第二匹配电阻（R2）的一端连接，第二匹配电阻（R2）的另一端与第二运算放大器（Amp02）的输入端连接，第二运算放大器（Amp02）的输出端与第四匹配电阻（R4）的一端连接，第四匹配电阻（R4）的另一端与输出三极管（Q1）的基极连接；输出三极管（Q1）的集电极开路，输出三极管（Q1）的发射极接地；

第一匹配电阻（R1）的两端分别与第一运算放大器（Amp01）的输入端和输出端连接，第一匹配电阻（R1）和第一运算放大器（Amp01）形成第一跨阻放大器；第三匹配电阻（R3）的两端分别与第二运算放大器（Amp02）的输入端和输出端连接，第二匹配电阻（R2）、第三匹配电阻（R3）和第二运算放大器（Amp02）形成第一反相放大器；

光电二极管（G）的阴极与第三运算放大器（Amp03）的输入端连接，第三运算放大器（Amp03）的输出端与第七匹配电阻（R7）的一端连接，第七匹配电阻（R7）的另一端与第四运算放大器（Amp04）的输入端连接，第四运算放大器（Amp04）的输出端与第六匹配电阻（R6）的一端连接，第六匹配电阻（R6）的另一端与辅助三极管（Q2）的基极连接，辅助三极管（Q2）的发射极接地，辅助三极管（Q2）的集电极与输出三极管（Q1）的基极连接；

第五匹配电阻（R5）的两端分别与第三运算放大器（Amp03）的输入端和输出端连接，第五匹配电阻（R5）和第三运算放大器（Amp03）形成第二跨阻放大器；第八匹配电阻（R8）的两端分别与第四运算放大器（Amp04）的输入端和输出端连接，第七匹配电阻（R7）、第八匹配电阻（R8）和第四运算放大器（Amp04）形成第二反相放大器；

所述光电二极管（G）用于接收外部光激励；第一跨阻放大器和第一反相放大器所在的线路记为主电路，第二跨阻放大器和第二反相放大器所在的线路记为辅助线路；光接收电路通过主电路控制输出三极管（Q1）的开启和关断，光接收电路通过辅助线路控制辅助三极管（Q2）的开启和关断；输出三极管（Q1）开启时，辅助三极管（Q2）处于关断状态；输出三极管（Q1）关断时，辅助三极管（Q2）处于开启状态；

辅助三极管（Q2）能够在输出三极管（Q1）关断时，将输出三极管（Q1）基极上存储的电荷快速泄放掉，从而加速输出三极管（Q1）的关断，缩减光接收电路的传输延迟。

2.根据权利要求1所述的光接收电路，其特征在于：所述光接收电路，或者，为单片集成式结构，或者，将光电二极管（G）与其余部分设置为独立结构。