CN1543071A - 多信道光耦合器 - Google Patents

Abstract

输入侧是由输入信号耦合电路和单个的光发射元件构成的，该输入信号耦合电路对在各个信道上的输入信号进行时分处理，以形成一个单个的合并信号，该光发射元件将这样的信号传送到输出侧；输出侧是由单个的光接收元件、放大器电路和输出信号分离电路构成的，该光接收元件接收来自输入侧光发射元件上的时分信号，该放大器电路对接收到的时分信号进行放大，以便得到稳定的电平，该输出信号分离电路对所放大的时分信号进行译码，并将其输出到各个信道中。

Description

多信道光耦合器

本申请要求于2003年4月11日在日本提交的专利申请第2003-107939号的优先权，其内容在此整体被包含作为参考。

技术领域

本专利涉及多信道光耦合器(multichannel photocoupler)、光控闸流管-耦合器(photothyristor-coupler)和/或光控三端双向晶闸管-耦合器型(phototriac-coupler-type)的光耦合器，在这这些器件中，光发射元件和光接收元件是光学耦合的。

背景技术

目前，已提出了装有光接收元件的多信道光耦合器，其中，所述光接收元件在从光发射元件接收到光时导通(turn ON)(例如，参见日本专利申请公开Kokai第S58-168284号(1983)和日本专利申请公开Kokai第H4-72812号(1992))。

作为常规的多信道光耦合器的一个例子，图11示出了一个4信道光电晶体管型的光耦合器的等效电路。

该光耦合器在其输入侧上具有光发射元件1a到1d，在其输出侧上有光电晶体管元件2a到2d，在接收来自光发射元件1a到1d上的光时，所述光电晶体管元件导通(turn ON)。在该光耦合器上，当使得电流流经在其输入侧上的发射元件1a到1d时，光发射元件1a到1d就会发光；在接收光时，可使电流能够流过在其输出侧上的光电晶体管元件2a到2d。

对于这种常规的光耦合器，存在一个问题，就是要求光发射元件和光接收元件在数量上和信道数量成正比，这导致整个电路部件数量的增加、光耦合器封装尺寸的增加、管脚数量的增加和成本的增加。此外，还存在这样的问题，就是在把这样的光耦合器安装到电子设备等的电路板上时，要求有更大的表面区。

为了解决这些问题，构思出本发明，其目的是提供一种多信道光耦合器，该多信道光耦合器满足如下需要：在常规的多信道光耦合器中，光发射元件和光接收元件的数量与信道的数量一样多，并且允许减少整个电路元件的数量、减少管脚的数量、和减少光耦合器封装尺寸，从而将光发射元件和光接收元件合并到一个单个的元件之中。

发明内容

为了解决上述和/或其它问题，根据本发明的一个或多个实施例的多信道光耦合器是这样的：输入侧由作为时分装置的输入信号耦合电路和单个光发射元件构成，该输入信号耦合电路对在各个信道上的输入信号进行时分处理，以便形成一个单个的合并信号，该光发射元件将这样的信号发送给输出侧；输出侧由单个的光接收元件和作为输出信号分离装置的输出信号分离电路构成，该光接收元件接收来自输入侧光发射元件上的时分信号，该输出信号分离电路对这些信号进行译码，并将它们输出到各个信道中。

此外，这样的光耦合器还可以包括同步装置，以便在将各个信道上的信号从输入侧传送到输出侧时，通过使用规定的时钟使这些信号同步。这样的同步装置可有利于时分信号的编码和译码。而且，在用规定的时钟对各个信道上的信号进行时分处理的情况下，输入侧上的同步装置能够在第一信道的信号前产生起始位；并且在输出侧上的同步装置可以具有检测起始位的功能。这样，在对各个信道上的输入信号状态进行时分处理的地方，就能防止由于噪声等的影响而丢失信息位。

在这样的情况下，在将时钟同步信号从输入侧传送到输出侧的一个方法中，通过使用时钟信号传送光发射元件和光接收元件来完成信号的传送，这些元件是与信号传送光发射元件和光接收元件分开的。

此外，在另一种方法中，信号传送光发射元件和光接收元件也用作传送时钟同步信号的装置，时钟同步信号是与在各个信道上的信号同时被传送。在这种情况下，可以使用这样的方法，在该方法中，在输入侧上，将时钟同步信号和在各个信道上的、从输入侧传送到输出侧上的信号传送到输出侧上，以便改变通过光发射元件使光强度有所差别；在输出侧上，将由光接收元件接收的、具有光强度中的差的信号分解成为在各个信道上的信号和时钟同步信号。

而且，根据本发明的一个或多个实施例的多信道光耦合器的输入侧是由单个的光发射元件和作为电平耦合装置的输入信号耦合电路构成的，该光发射元件将信号传送到输出侧，该输入信号耦合电路对各个信道上的输入信号进行电平耦合，以便改变在光发射元件上的光强度，并将此光强度信号传送给输出侧；多信道光耦合器的输出侧是由单个的光接收元件和输出信号分离电路构成的，该光接收元件接收来自光发射元件上的、被给予光强度变化的信号，而输出信号分离电路对这样的信号进行译码并将这些信号输出到各个信道中。

在这样的情况下，可以设想，在光发射元件上光强度在时间上的变化，可使使传送到输出侧的光信号偏离初始值，并阻止将相同的光信号分离到规定的各个信道中。因此，可以采用这样的一种结构，在此结构中，在输入侧上装有分离的光接收元件，用于监控在光发射元件上的光强度，在光发射元件上光强度在时间上的变化被反馈到电平耦合装置中，以便使得由光发射元件产生的光强度总是能够被准确地分离到各个信道上的信号之中。

附图说明

图1是表示与根据本发明的多信道光耦合器相关的4信道光耦合器的第一

实施例的等效电路。

图2是表示根据本发明的多信道光耦合器的第二实施例的等效电路。

图3是表示根据本发明的4信道光耦合器的第五实施例的等效电路。

图4是表示根据本发明的4信道光耦合器的第六实施例的等效电路。

图5是表示根据本发明的输出信号分离电路中的输出级的一个工作实例的等效电路。

图6是表示根据本发明的输出信号分离电路中的输出级的另一工作实例的等效电路。

图7是表示根据本发明的输出信号分离电路中的输出级的再一工作实例的等效电路。

图8是表示根据本发明的多信道光耦合器中的一个运作实例中的运作的时序图。

图9是表示根据本发明的多信道光耦合器中的另一运作实例中的运作的时序图。

图10是表示用于说明在根据本发明的多信道光耦合器中的另一运作实例的光发射元件→光接收元件信号电平表的说明图。

图11是表示常规多信道光耦合器的一个例子的等效电路。

具体实施方式

下面将参照附图来说明本发明的实施例。

实施例1

图1是表示根据本发明的4信道光耦合器的第一实施例的等效电路。

在根据该第一实施例的光耦合器中，光耦合器的输入侧由输入信号耦合电路3和单个的光发射元件4构成，其中，所述输入信号耦合电路3对各个信道上的输入信号进行时分处理，以便形成一个单个的合并信号(a singleconsolidated signal)，所述光发射元件4将这样的信号传送到输出侧；光耦合器的输出侧由单个的光接收元件5、放大器电路6和输出信号分离电路7构成，其中，所述光接收元件5接收来自输入侧的光发射元件4上的时分信号，所述放大器电路6对所接收的时分信号执行放大处理，以便得到恒定电平，所述输出信号分离电路7对所放大的时分信号进行译码，并将这些信号输出到各个信道上。

作为采用以这样的方式构成的光耦合器的结果，输入侧上的四个信道的输入端子“1ch输入”到“4ch输入”上的各个信道中的输入信号状态在输入信号耦合电路3上被时分处理，以便被合并到一个单一的信号(时分信号)中，其中所述信号在代表下一级的光发射元件4上被转变成光信号，然后该信号被发送至输出侧。而且，在输出侧的光接收元件5上接收该时分信号；在代表下一级的放大器电路6上放大该信号，以便得到稳定电平；然后，该时分信号在输出信号分离电路7上被译码，并且被分离到输出信号的四个信道中，其中，所述输出信号是被输出到与相应的各个信道的输出端子“1ch输入”到“4ch输入”上的。

实施例2

图2是一个4信道光耦合器的等效电路，表示根据本发明的多信道光耦合器的第二实施例，所述4信道光耦合器上装有用于执行相对于规定的时钟信号CK的同步的装置。

与上述第一实施例中的光耦合器相比，该第二实施例的光耦合器在输入侧上装有与信号传送光发射元件(signal-transfer light-emitting element)4不同的单个的时钟信号传送光发射元件(clock-signal-transfer light-emitting element)8；在该光耦合器的输出侧上，装有与信号传送光接收元件(signal-transferlight-receiving element)5不同的单个的时钟信号传送光接收元件(singleclock-signal-transfer light-receiving element)9。由于本实施例的结构在其它的方面与第一实施例相同，所以对相同的部件采用了相同的附图标记。

下面将参照图8所示的时序图来详细说明具有上述结构的4信道光耦合器的运作。

首先，时钟信号CK(图8(a))执行输入和输出时钟同步，该时钟信号由图2所示的时钟信号传送光发射元件8和时钟信号传送光接收元件9从输入侧传送到输出侧。

然后，输入信号耦合电路3使用时钟信号CK的各上升沿“1”到“4”来检测在输入端上的四个信道的输入端子“1ch输入”到“4ch输入”的各个信道上的输入信号的状态(图8(b)到图8(e))，时分信号A是按照图8(f)中在“光发射元件→光接收元件信号1”上显示的波形样式，根据当时在每个信道输入终端上的电平是“L”还是“H”来产生的。

也就是说，对于在间隔T1期间中、时钟信号CK上的各上升沿“1”到“4”，由于在“1ch输入”上的电平是“H”，而在剩下的“2ch输入”到“4ch输入”上的电平是“L”，如同图中在A1处所表明的那样，在此间隔期间的时分信号将是“ S”，它用作为时钟信号上的起始位(下面将要说明)并且位于一个序列的前面，在该序列中，仅仅“1ch输入”(相当于时钟信号CK上的“1”)上的电平为“H”，而其余的“2ch输入”到“4ch输入”上的电平是“L”。

而且，对于时间间隔T2期间的、时钟信号上的各上升沿“1”到“4”，由于在“1ch输入”和“2ch输入”上的电平是“H”，而在剩下的“3ch输入”到“4ch输入”上的电平是“L”，如同图中在A2处所表明的那样，在此时间间隔期间的时分信号将是“S”，它用作为时钟信号上的起始位并且位于一个序列的前面，在该序列中，在“1ch输入”(相当于时钟信号CK上的“1”)和“2ch输入”(相当于时钟信号CK上的“2”)上的电平为“H”，而其余的“3ch输入”到“4ch输入”上的电平是“L”。

省略进一步的说明，在各个时间间隔T3到T5期间，以类似的方式产生时分信号上的A3到A5，。

将这样的时分信号A从光发射元件4传送到光接收元件5，四信道的时分输入信号在输出信号分离电路7上被译码(图8(g)到图8(j))并且被输出到各个输出端子“1ch输入”到“4ch输入”。

实施例3

下面，说明根据本发明的多信道光耦合器的第三实施例。

在该第三实施例中的电路结构与图2所示的电路结构相同。不同之处在于，与上述的第二实施例的运作相比，使用“S”来执行信号传送以便在对各个信道上的输入信号状态进行时分处理的地方，防止由于噪声等的影响而丢失信息位，其中“S”作为起始位，设置在第一信道信号前面的时钟信号上，在图8的时序图中也示出了这一点。

实施例4

下面，说明根据本发明的多信道光耦合器的第四实施例。

在该第四实施例中，如同第三实施例中的情况那样，将时钟信号从输入侧传送到输出侧，但是，与上述的第三实施例的不同之处在于，信号传送光发射元件4和光接收元件5也用作将时钟信号CK从输入侧传送到输出侧的装置。相应地，尽管在该第四实施例中的电路结构的本身与图1所示的电路结构相同，但是，在输入信号耦合电路3上的处理不同于对应于图1的上述第一实施例中的操作。

更具体地说，如同在图8的时序图中的(k)部分“光发射元件→光接收元件信号2”上所示的那样，与各个信道的信号的同时、通过高信号电平的时钟信号CK的叠加来产生一个信号，该信号被从光发射元件4传送到光接收元件5。而且，该信号在放大器电路6上被放大成稳定电平之后，在输出信号分离电路7上被分离成时钟信号CK和时分信号，四个信道上的时分输入信号被译码(图8中(g)到(j))，并且被输出到各个输出端子“1ch输入”到“4ch输入”。

实施例5

图3是表示根据本发明的4信道光耦合器的第五实施例的等效电路。

在根据第五实施例的光耦合器中，输入侧由单个的光发射元件4和输入信号耦合电路3构成，其中，所述光发射元件4将信号传送到输出侧，所述输入信号耦合电路3执行关于各个信道上的输入信号的电平耦合，以便在光发射元件4中引起光强度的变化，并使得这些变化被传送到输出侧；输出侧由单个的光接收元件5、放大器电路6和输出信号分离电路7组成，其中所述光接收元件5接收来自光发射元件4上的、具有光强度变化的信号，所述放大器电路6执行对所接收的电平耦合信号的放大，以便得到稳定电平，所述输出信号分离电路7对已放大的电平耦合信号进行译码，并将此信号输出到各个信道中。

作为采用以这样的方式构成的光耦合器，根据在输入信号耦合电路3上的光强度的变化，对输入端上的四个信道的输入端子“1ch输入”到“4ch输入”上的各个信道上的输入信号状态进行电平耦合处理，以便将它们合并到一个单个的信号(电平耦合信号)中，所述信号在代表下一级的光发射元件4上被转变成光信号，并且该信号被发送到输出侧。而且，在输出侧的光接收元件5上接收该电平耦合信号；在代表下一级的放大器电路6上放大整个信号以使其成为具有稳定电平的信号；然后，在输出信号分离电路7上对电平耦合信号中的光强度的变化进行译码处理并将其分离到输出信号的四个通道中，该输出信号是输出到与各个通道相应的输出终端“1ch输出”到“4ch输出”中的。

下面，参照图9所示的时序图以及图10所示的“光发射元件→光接收元件信号电平表”，来详细说明具有上述结构的四通道光耦合器的运作。

首先，如图10的“光发射元件→光接收元件信号电平表”所示，信号电平被分成为从“0”到“15”的16个类，输入侧上的四个信道的输入端子“1ch输入”到“4ch输入”的各个通道上的输入信号的状态(图9(a)到(d))被分配给各个电平。而且，在输入信号耦合电路3上，按照图9(e)中在“光发射元件→光接收元件信号电平”上示出的波形样式，并根据信号电平来进行电平耦合。将该电平耦合信号从光发射元件4传送到光接收元件5，四个信道上的电平耦合输入信号在输出信号分离电路7上被译码(图9(f)到(i))并且被输出到输出端子“1ch输出”到“4ch输出”。

实施例6

图4是表示根据本发明的4信道光耦合器的第六实施例的等效电路。

与上述的、图3所示的第五实施例中的光耦合器相比，在第六实施例中的光耦合器的输入侧上装有分离的光接收元件10，用以监控光发射元件4上的光强度。也就是说，由于可以想到，在输入侧的光发射元件4上光强度中的在时间上的变化，可以导致传送到输出侧上的光信号偏离其初始值并阻止将规定的光信号分离到各个信道中；在该第六实施例的输入侧上装有分离的光接收元件10，用于监控光发射元件4上的光强度，并将光发射元件4上光强度随时间的变化反馈回输入信号耦合电路3中，以便能够校正由光发射元件4产生的光强度，从而准确地执行分离处理始终是可能的，以便在各个信道上产生信号。

图5到图7示出了在上述的各个实施例中、在输出信号分离电路7内，输出级的各种工作实例的等效电路。

在图5的结构中，输出级包括晶体管元件。晶体管输出的采用允许在下一级中连接高通用性电路。

在图6的结构中，输出级包括闸流晶体管元件。闸流晶体管输出的采用允许在下一级中连接在交流电源等上工作的电路。

在图7的结构中，输出级包括三端双向可控硅开关元件(traic)。就像在上述的工作实例中的情况那样，三端双向可控硅开关输出的采用允许在下一级中连接在交流电源等上工作的电路。而且，三端双向可控硅开关输出的采用允许双向操作。

此外，根据本发明一个或多个实施例的多信道光耦合器可被用在SSR(固态继电器)或使用相同的或类似元件的电子设备中。

如上所述，根据本发明一个或多个实施例的多信道光耦合器使得能够通过使用输入信号耦合电路和输出信号分离电路将光发射元件和/或光接收元件合并到单个的元件中，使得能够极大地减少总的电路部件数。进而还可以减少光耦合器封装的尺寸和/或封装所用的管脚的数量，并使得可能获得更加便宜的光耦合器。此外，在将这样的光耦合器安装到电子设备等的电路板上时，还可能减少所需要的表面区，并允许高密度的安装。

在不脱离本发明的精神和基本特征的情况下，除了在此所提出的实施例之外，还可以以各种各样的形式来具体实施本发明。因此，上述的实施例和工作实例仅仅是说明性的，并非只能按限定的样式来构建。如同在权利要求中所表明的那样，本发明的范围在任何方面都不受本说明书内容的限制，此外，在与权利要求等效范围内的任何修正和更改都应属于本发明的范围。

Claims (11)

1、一种多信道光耦合器，包括：

在一个或多个输入侧中，具有：一个或多个时分装置，用于对在一个或多个相应信道上的一个或多个输入信号进行时分处理的；和

光发射元件，用于将至少一个时分信号传送到一个或多个输出侧；

在一个或多个输出侧中，具有：光接收元件，用于从光发射元件上接收至少一个时分信号；

一个或多个输出信号分离装置，用于对至少一个时分信号进行译码，并将所述信号输出到各信道或多个信道中的至少一个信道上。

2、如权利要求1所述的多信道光耦合器还包括：

一个或多个同步装置，如果将在各信道或多个信道中的至少一个信道上的一个或多个信号从一个或多个输入侧传送到一个或多个输出侧，则通过使用一个或多个规定的时钟信号使所述信号同步。

3、如权利要求2所述的多信道光耦合器，其中：

在至少一个输入侧的至少一个同步装置，如果通过使用一个或多个规定的时钟，对各信道或多个信道中的至少一个信道上的一个或多个输入信号进行时分处理，则在一个或多个第一信道上的一个或多个信号前产生一个或多个起始位；

在至少一个输入侧上的至少一个同步装置具有检测至少一个起始位的功能。

4、如权利要求2所述的多信道光耦合器，作为将一个或多个时钟同步信号从一个或多个输入侧传送到一个或多个输出侧的一个或多个装置，包括：

在至少一个输入侧上，具有：与用于传送一个或多个信号的所述光发射元件不同的时钟信号传送光发射元件；

在至少一个输出侧上，具有：与用于传送一个或多个信号的所述光接收元件不同的时钟信号传送光接收元件。

5、如权利要求2所述的多信道光耦合器，作为将一个或多个时钟同步信号从一个或多个输入侧传送到一个或多个输出侧的一个或多个装置，包括：

通过使用传送一个或多个信号的所述光接收元件和所述光发射元件，同时传送在各信道或多个信道中的至少一个信道上的一个或多个信号以及一个或多个时钟同步信号。

6、如权利要求5所述的多信道光耦合器，作为区分一个或多个时钟同步信号以及在各信道或多个信道中的至少一个信道上的一个或多个信号的一个或多个装置，包括一个或多个装置：

在至少一个输入侧上：用于改变在所述光发射元件上流动的一个或多个电流，以便将一个或多个差给予在各信道或多个信道中的至少一个信道上的、并被传送到至少一个输出侧的一个或多个信号以及一个或多个时钟同步信号中的一个或多个光强度，并将这些信号传送到至少一个输出侧；

在至少一个输出侧上，用于将在光接收元件上所接收的并具有在一个或多个光强度中的一个或多个差的一个或多个信号，分离为在各信道或多个信道中的至少一个信道上的一个或多个信号以及一个或多个时钟同步信号。

7、一种多信道光耦合器，包括：

在一个或多个输入侧上，具有：光发射元件，用于将一个或多个信号传送到至少一个输出侧；

一个或多个电平耦合装置，用于对在各信道或多个信道中的至少一个信道上的一个或多个输入信号进行电平耦合，以便在所述光发射元件上对一个或多个光强度给予一个或多个变化，并将所述信号传送到至少一个输出侧；

在一个或多个输入侧上，具有：光接收元件，用于接收一个或多个由光发射元件产生的、在一个或多个光强度中被给予一个或多个变化的信号；

一个或多个输出信号分离装置，用于对至少一个信号译码，并将这些信号输出到各信道或多个信道中的至少一个信道上。

8、如权利要求7所述的多信道光耦合器还包括：

一个或多个监控器光接收元件，安装在至少一个所述输入侧上；

其中将在所述光发射元件上的、一个或多个光强度中，在时间上的一个或多个变化被反馈给至少一个所述电平耦合装置；

9、如权利要求1到8的任何一项所述的多信道光耦合器，其中：

在各信道或多个信道中的至少一个信道上的一个或多个输出级包括一个或多个晶体管元件。

10、如权利要求1到8的任何一项所述的多信道光耦合器，其中：

在各信道或多个信道中的至少一个信道上的一个或多个输出级包括一个或多个晶体闸流管元件。

11、如权利要求1到8的任何一项所述的多信道光耦合器，其中：

在各信道或多个信道中的至少一个信道上的一个或多个输出级包括一个或多个三端双向可控硅开关元件。

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