CN107947782B - 一种提高光耦传输特性的电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光耦应用电路技术领域，尤其涉及一种提高光耦传输特性的电路，包括跟随光耦输出值的浮动阈值电路和比较器，光耦的输出端与比较器的正极输入端或比较器的负极输入端相连，跟随光耦输出值的浮动阈值电路的输出端与相对应的比较器的负极输入端或比较器的正极输入端相连，光耦输出信号从最高或最低电平开始变化到总幅度的某比例值的电平值作为跟随光耦输出值的浮动阈值，当光耦输出信号大于跟随光耦输出值的浮动阈值时，比较器电平输出端翻转，从而输出相应的高低电平。本发明提高了光耦的传输特性，使光偶传输的速率大大提高，降低了产品成本，最重要的是大大提高了使用光耦产品的可靠性和稳定性。

Description

一种提高光耦传输特性的电路
技术领域
本发明涉及光耦应用电路技术领域，尤其涉及一种提高光耦传输特性的电路。
背景技术
光耦合器(opticalcoupler，英文缩写为OC)亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。普通光耦由于其成本低廉、品种多、生产厂家多等因素，在信号传输和隔离的电路及产品中得到了广泛应用。
图1为光耦的典型应用电路，图2为图1的输入和输出波形图，但是在应用时，由于光耦本身固有的特性导致其传输特性较差，尤其是在当传输频率达到10KHz时，在设备的整个温度范围中已经不能正常传输，如果再用来传输不同占空比的信号，比如PWM信号、通讯信号，传输影响就更大了。在上述的应用场合，光耦会大大的影响整个系统的可靠性和性能指标，即使使用高速光耦，这些问题也不可避免。图3为环境温度为25℃下内部发光管电流为2mA下输出响应时间与负载电阻关系曲线图，从图2和图3可以看出：
1)光耦输出的高低电平值不一定是电源Vcc或地，实际输出的高低电平值还跟负载电阻有关；
2)负载电阻越小，响应时间越短；
3)内部发光管关闭时输出幅度变化到约10％时的时间ts比到幅度变化90％时间tf要小得多，tf是ts的15倍左右，且不与幅度变化成正比。同时，ts本身就比较小；
4)内部发光管导通时幅度变化约10％时的时间td比到幅度变化90％时间tr要小。但与ts、tf的差值相比较，td、tr相差不大，也就是说，内部发光管导通和关闭导致输出上升沿和下降沿时时间差别比较大，又都不与输出幅度成比例；
5)输出通常都以固定值作为高低电平的判定阈值，那么就造成输出高低电平的时间与输入相比较发生较大变化，使得整体的性能指标大大下降。
以上是基于环境温度为25℃下内部发光管电流约为2mA下单个光耦特性，对于在整个光耦的使用温度范围内，以及在不同个体之间电流传输比(Current Transfer ratio)会变化很大，不仅导致上升沿和下降沿时间发生较大变化，而且输出的幅度及高低电平值也会发生较大的变化。另外从图2可以看出，当低电平值VL高于阈值电平时接收端便认为是没有脉冲信号了。这样就会给整体的性能带来更大的影响。虽然用高速光偶或特殊光耦，在这些问题上会稍微好一些，但仍不能较好的解决这些问题，同时成本也会增加很多。
发明内容
本发明提供了一种可以提高光耦传输特性的电路，该电路使得光耦产品更加可靠和稳定，同时可以降低成本。
为了实现本发明的目的，所采用的技术方案是：一种提高光耦传输特性的电路，包括跟随光耦输出值的浮动阈值电路和比较器，跟随光耦输出值的浮动阈值电路的输出端和比较器的一输入端相连，比较器的另一输入端直接连接在光耦输出端上，光耦输出信号从最高或最低电平开始变化到总幅度的某比例值的电平值作为跟随光耦输出值的浮动阈值，当光耦输出信号大于跟随光耦输出值的浮动阈值时，比较器电平输出端翻转，从而输出相应的高低电平。
作为本发明的优化方案，某比例值的范围是0.1％-40％。
作为本发明的优化方案，跟随光耦输出值的浮动阈值电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R4、第二电阻R5、第三电阻R6和电容C1，第一二极管D1的正极和第二二极管D2的正极均与光耦的输出端相连，第一电阻R4的一端和电容C1的一端均与第二二极管D2的负极相连，电容C1的另一端接地，第二电阻R5的一端与第一电阻R4的另一端相连，第二电阻R5的另一端接地，第三电阻R6的一端与第一二极管D1的负极相连，第三电阻R6的另一端与第二电阻R5的一端相连，比较器的正极输入端与第三电阻R6的一端相连，比较器的负极输入端与第三电阻R6的另一端相连。
作为本发明的优化方案，跟随光耦输出值的浮动阈值电路还包括第四电阻R7，第四电阻R7的一端与第三电阻R6的另一端相连，第四电阻R7的另一端接供电电源。
本发明具有积极的效果：1)本发明采用跟随光耦输出值的浮动阈值电路使得不论光耦的输出变化幅度有多大，跟随光耦输出值的浮动阈值电路始终将光耦输出总幅度的较小的比例值(比如10％以内)作为判定的阈值，不论温度如何变化及不同个体的光耦之间，其电流传输比(Current Transfer ratio)会变化如何大，阈值随光耦的输出大小是浮动的，自适应的，不会造成输出高低电平的时间与输入发生较大的变化，不会降低光耦的性能指标，提高了光耦产品的可靠性和稳定性；
2)本发明通过采用跟随光耦输出值的浮动阈值电路使得光耦的延时时间只有典型应用电路上升沿或下降沿时间的几十分之一以下，与输入信号相比较，由于延时时间较少，由此带来的误差也减小，提高了脉冲时间传输的精度，提高了光耦的频率传输特性；
3)本发明不仅大大提高了光耦的传输性能，而且可以使光耦的性能达到或超过高速光耦的性能。由于高速光耦单价至少是普通光耦五倍的以上，通过此发明，可以大大降低成本。如果将此发明应用在高速光耦上，同样可使高速光耦的传输性能大大提高。如果将此发明应用到光耦或光传输的集成电路上，也可以大大提高集成电路的性能、附加值和性价比。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是光耦的典型应用电路图；
图2是图1的输入和输出波形图；
图3是图1在环境温度为25℃下内部发光管电流为2mA下输出响应时间与负载电阻关系曲线图；
图4是本发明的电路框图；
图5是图4各采集点的波形图；
图6是本发明具体实施例的电路图；
图7是图6各采集点的波形图。
具体实施方式
如图4所示，本发明公开了一种提高光耦传输特性的电路，包括跟随光耦输出值的浮动阈值电路和比较器，光偶的输出端与比较器的正极输入端或比较器的负极输入端相连，跟随光耦输出值的浮动阈值电路的输出端与相对应的比较器的负极输入端或比较器的正极输入端相连，光耦输出信号从最高或最低电平开始变化到总幅度的某比例值的电平值作为跟随光耦输出值的浮动阈值，当光耦输出信号大于跟随光耦输出值的浮动阈值时，比较器电平输出端翻转，从而输出相应的高低电平。
某比例值的范围是0.1％-40％，在此范围内该比例值的范围越小越好。
实现时，将负载电阻取较小的值，同时，不论光耦U1的输出幅度有多大，跟随光耦输出值的浮动阈值电路始终将光耦U1输出总幅度的较小比例值(比如10％以内)(即图5中的下降沿浮动阈值Vd和上升沿浮动阈值Vu的值)作为比较器U2判定的阈值，即光耦输出信号从最高或最低电平开始，变化到总幅度的10％以下时跟随光耦输出值的浮动阈值电路输出相应的电平。不论温度如何变化及不同个体的光耦之间，其电流传输比(Current Transferratio)会变化如何大，阈值是随幅度大小浮动的，自适应的。
由此可见，由于延时时间只有典型应用电路上升沿或下降沿时间的1/10以下，与输入信号相比较，由于延时时间的大大减少，由此带来的误差就大大减小，从而大大提高了脉冲时间传输的精度，也即大大提高了光耦的传输特性。
如图6所示，跟随光耦输出值的浮动阈值电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R4、第二电阻R5、第三电阻R6和电容C1，第一二极管D1的正极和第二二极管D2的正极均与光耦的输出端相连，第一电阻R4的一端和电容C1的一端均与第二二极管D2的负极相连，电容C1的另一端接地，第二电阻R5的一端与第一电阻R4的另一端相连，第二电阻R5的另一端接地，第三电阻R6的一端与第一二极管D1的负极相连，第三电阻R6的另一端与第二电阻R5的一端相连，比较器的正极输入端与第三电阻R6的一端相连，比较器的负极输入端与第三电阻R6的另一端相连。
跟随光耦输出值的浮动阈值电路还包括第四电阻R7，第四电阻R7的一端与第三电阻R6的另一端相连，第四电阻R7的另一端接供电电源。
如图7所示，相对于传输信号来讲第一电阻R4和电容C1的时间常数很大，第一二极管D1、电容C1就相当于峰值保持电路，Vout0的信号波形最大值与Vout1的最大值基本相同，且信号幅度基本不变。Vout1处的信号波形也就是光耦U3输出的波形。R7阻值较大，为分析方便，暂忽略。第一电阻R4、第二电阻R5和第三电阻R6构成加法电路将Vout0和Vout1合成，再通过电容C1进行适当的延时便得到Vout2，Vout2的值为比较器U4的阈值。由此可见，得到的Vout2是浮动的，其阈值的比例也是固定的，是本发明的具体实现。
第四电阻R7的作用是当Vin无信号时，使Vout2有一较小的值使得Vout2比Vout1大，从而Vout被强制输出低电平。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种提高光耦传输特性的电路，其特征在于：包括跟随光耦输出值的浮动阈值电路和比较器，光耦的输出端与比较器的正极输入端或比较器的负极输入端相连，跟随光耦输出值的浮动阈值电路的输出端与相对应的比较器的负极输入端或比较器的正极输入端相连，光耦输出信号从最高或最低电平开始变化到总幅度的某比例值的电平值作为跟随光耦输出值的浮动阈值，当光耦输出信号大于跟随光耦输出值的浮动阈值时，比较器电平输出端翻转，从而输出相应的高低电平；
所述跟随光耦输出值的浮动阈值电路包括第一二极管D1、第二二极管D2、第一电阻R4、第二电阻R5、第三电阻R6和电容C1，第一二极管D1的正极和第二二极管D2的正极均与光耦的输出端相连，第一电阻R4的一端和电容C1的一端均与第二二极管D2的负极相连，电容C1的另一端接地，第二电阻R5的一端与第一电阻R4的另一端相连，第二电阻R5的另一端接地，第三电阻R6的一端与第一二极管D1的负极相连，第三电阻R6的另一端与第二电阻R5的一端相连，比较器的正极输入端与第三电阻R6的一端相连，比较器的负极输入端与第三电阻R6的另一端相连。
2.根据权利要求1所述的一种提高光耦传输特性的电路，其特征在于：所述某比例值的范围是0.1％-40％。
3.根据权利要求1所述的一种提高光耦传输特性的电路，其特征在于：所述跟随光耦输出值的浮动阈值电路还包括第四电阻R7，第四电阻R7的一端与第三电阻R6的另一端相连，第四电阻R7的另一端接供电电源。
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