CN210274027U - 一种光耦合器 - Google Patents
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Abstract
一种光耦合器，包括由发光二极管和光敏三极管构成的光检测电路，还包括：电流放大电路，配置成对光检测电路的输出电流进行放大，其中，电流放大电路包括用于泄放自身关断恢复电流的电流泄放通路。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电器件领域。更具体地，涉及一种光耦合器。
背景技术
光耦合器亦称光电耦合器，它是以光为媒介来传输电信号的器件。光耦合器应用在电信号传输过程中需要进行隔离的领域，这种隔离技术由于其击穿电压高，抗干扰能力强以及可靠性高一直以来在信号隔离传输方面广泛采用。
光耦合器就其传输信号的速度来说，可分为普通光耦合器与高速光耦合器，普通光耦合器一般在信号频率小于100KHZ在范围内使用性能最佳，频率大于1MHZ的电路一般使用高速耦合器，目前高速耦合器由于其芯片内部结构的复杂造成工艺成本高，价格比普通光耦合器高几倍甚至十几倍，然而应用电路对信号传输速率以及成本控制要求越来越高，尤其对于信号频率在几百HZ量级的应用环境中，成本限制了高速光耦合器的应用。
但就普通光耦合器的结构，见图1所示的现有技术的普通光耦合器的应用电路等效电路图，光敏三极管直接与负载连接。由于这种普通光耦合器自身存在分布电容，光敏三极管内部存在电容Cbe和Cce，负载电阻的阻值对于光耦有着较大的影响，如果负载电阻太小，输出电压摆幅受到限制。如果负载电阻太大，由于电容的存在，因此光电耦合器的频率特性越差，传播延时也越长。当光敏三极管由截止状态进入饱和状态时，光电流经过放大，处于饱和状态的光敏三极管中的电流比较大。光信号消失后，从饱和状态逐渐进入截止状态，由于饱和状态存储的少数载流子比较多，存储电荷的抽取较慢，造成从饱和态转变为截止态需要较长时间，随着频率的提高，如果信号脉宽时间小于晶体管中存储电荷的抽取时间时，输出信号失真。
综上，需要提供一种能够改善普通光耦合器的高传输信号下的输出信号失真问题又具有成本优势的光耦合器。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种光耦合器，包括由发光二极管和光敏三极管构成的光检测电路，还包括：电流放大电路，配置成对光检测电路的输出电流进行放大，其中，电流放大电路包括用于泄放自身关断恢复电流的电流泄放通路。
优选地，电流放大电路包括第一端、第二端和第三端，第一端与光检测电路连接以使光检测电路的输出电流流经电流放大电路，第二端作为光耦合器的输出端，第三端作为偏置电位连接端，在第一端与第三端之间连接的电阻器作为电流泄放通路。
优选地，电流放大电路包括NPN晶体管，NPN晶体管的基极作为第一端、集电极作为第二端、发射极作为第三端，其中，NPN晶体管的基极与光敏三极管的发射极连接。
优选地，电流放大电路包括PNP晶体管，PNP晶体管的基极作为第一端、发射极作为第二端、集电极作为第三端，其中，PNP晶体管的基极与光敏三极管的集电极连接。
优选地，当流经光检测电路的输出电流变化范围为3mA-20mA时，电阻器的阻值范围设置为200Ω-1000Ω。
优选地，NPN晶体管为高速开关管。
优选地，PNP晶体管为高速开关管。
本实用新型的有益效果如下：
本实用新型所述技术方案提供了一种能够改善普通光耦合器的高传输信号下的输出信号失真问题又具有成本优势的光耦合器。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出现有技术中普通光耦合器的应用电路等效原理图；
图2示出根据本申请一个实施例的光耦合器应用等效电路原理图；以及
图3示出根据本申请另一实施例的光耦合器应用等效电路原理图；
图4示出根据本申请实施例的光耦合器中的三极管芯片的概略布局图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。
应理解，说明书中所述的序数词第一、第二等只是为了描述的清楚，而不是为了限制元件、部件或组件等的顺序，即，描述为第一元件、部件和组件以及第二元件、部件或组件也可以表述为第二元件、部件和组件以及第一元件、部件或组件。
下面结合图2和图3描述本申请提供的光耦合器10(当不区分时，图1和图2中的光耦合器10-1和10-2称为光耦合器10)的结构原理。
本申请提供的光耦合器10包括光检测电路和电流放大电路101，其中光检测电路由发光二极管D1和光敏三极管PT1构成。根据本申请的实施例，光检测电路可以是普通光耦元件。如图1所示，在根据本申请实施例的光耦合器10中，电流放大电路101对光检测电路的输出电流进行放大。其中，在电流放大电路101中设置有电流泄放通路，其用于泄放自身的关断恢复电流。
电流放大电路101为三端电路，包括与光敏三极管PT1连接以使光检测电路的输出流经电流放大电路101的第一端、作为光耦合器10的输出端的第二端，以及连接外接偏置电位的第三端。本领域技术人员应理解，尽管在本申请的实施例中示出了电流放大电路101包括一个三极管T1的形式，但其在本申请的实施例中的作用在于放大电流，具体形式包括并不限于此，根据实际需要其他起到电流放大电路的元件以及元件的组合包含在上述三端电路中也是可以的。
为了更清楚地示例本申请的光耦合器的结构与原理，下面仍参照图2和图3中的应用电路进行描述。如图2和图3所示，对光检测电路的输出电流进行放大的电流放大电路中包括三极管T1，根据本申请实施例，三极管T1的导电类型既可以是NPN型也可以是PNP型。根据三极管T1的导电类型的不同，电流放大电路101的第一端与光检测电路中具体的连接关系不同，将在下文进行详细描述。
如图2的实施例中将电流放大电路101-1中起放大作用的元件实现为一个NPN型三极管T1-1时，具体电流放大电路中的三个端子，分别对应于三极管T1-1的三个电极，也就是三极管T1-1的基极对应于电流放大电路101-1的第一端，三极管T1-1的集电极对应于电流放大电路101-1的第二端，三极管T1-1的发射极对应于电流放大电路101-1的第三端。根据NPN三极管的特性，为了实现对光检测电路的输出电流的放大功能，三极管T1-1的基极与光检测电路中的光敏三极管PT1的发射极连接。作为电流泄放通路，优选地可以使用电阻R连接在第一端和第三端之间。
在图2中也示出了该光耦合器10在应用电路中的连接关系。具体地，用作偏置电位连接端的第三端接地，以光检测电路中的普通发光二极管D的引脚作为光耦合器10的输入端，光敏三极管PT1的集电极外接高电平，电流放大电路101-1的第三端接地。光检测电路的光电晶体管激发的光电流经过自身的放大输入到三极管T1-1的基极，该电流能够迅速打开三极管T1-1，使其进入过饱和状态，由于三极管T1-1处于过饱和状态，其关断的过程中需要电阻R形成的放电通道将集电结储存的过量电荷释放，关断时间会被明显缩短，从而与普通光耦合器相比，缩短了光耦合器中存储电荷的抽取时间，从而提高了保证令输出信号不产生失真的输入信号频率。
优选地，此处三极管T1-1可以为高速开关管，当三极管T1-1为高速开关管时，利用高速开关管的高速开关特性拉动前级光检测电路。具体地，经过前级光检测电路检测并放大的较小的光电流能够迅速使高速开关管T1-1从截止区进入饱和区，而并不要求前级光电管深度饱和，这样整体电路的打开时间更明显地减小。当电路关断时，关键的是使高速开关管T1-1从深度饱和进入到截止状态，这里主要利用高速开管较相比光电管较快的退饱和能力以及结合在高速开关管T1-1基极与发射极接入电阻过程电流泄放通道来完成，从而更进一步提高保证令输出信号不产生失真的输入信号频率。
优选地，电阻R放电通道的存在，使得改善了三极管T的关断时间的同时也会影响打开时间。具体地，电阻在关断时提供放电通道导的同时也会在打开时损失部分光电管输出电流，在使用阻值较小的电阻时，不管是打开还是关断该通道的电荷泄放能力增强，为提高打开时间，应提高光电管输出电流，反之如果使用阻值较大的电阻，则减小光电管输出电流。因此，进一步优化地，在本申请的光耦合器10中，进一步令光检测电路输出的电流与电阻R1的阻值之间进行优化搭配。具体地，当光检测电路的输出电流在3mA-20mA范围变化时，电阻R的阻值可以限定在200Ω-1000Ω的范围内。通过该设置，可以在提高光耦合器10的工作频率。
进一步参照本申请实施例，如图3的实施例中将电流放大电路101-2中起放大作用的元件实现为一个PNP型三极管T1-2时，具体电流放大电路中的三个端子，分别对应于三极管T1-2的三个电极，也就是三极管T1-2的基极对应于电流放大电路101-2的第一端，三极管T1-2的发射极对应于电流放大电路101-2的第二端，三极管T1-2的集电极对应于电流放大电路101-2的第三端。根据PNP三极管的特性，为了实现对光检测电路的输出电流的放大功能，三极管T1-2的基极与光检测电路中的光敏三极管PT1的集电极连接。作为电流泄放通路，优选地可以使用电阻R连接在第一端和第三端之间。
在图3中也示出了该光耦合器10-2在应用电路中的连接关系。具体地，用作偏置电位连接端的第三端接高电平VCC，以光检测电路中的普通发光二极管D的引脚作为光耦合器10-2的输入端。光检测电路的光电晶体管激发的光电流在电流放大电路101-2的回路中能够迅速打开三极管T1-2，使其进入过饱和状态，由于三极管T1-2处于过饱和状态，其关断的过程中需要电阻R形成的放电通道将集电结储存的过量电荷释放，关断时间会被明显缩短，从而与普通光耦合器相比，缩短了光耦合器中存储电荷的抽取时间，从而提高了保证令输出信号不产生失真的输入信号频率。
同样优选地，此处三极管T1-2可以为高速开关管，与NPN型三极管时相似的理由，利用高速开管较相比光电管较快的退饱和能力以及结合在高速开关管T1-2基极与发射极接入电阻过程电流泄放通道来完成，从而更进一步提高保证令输出信号不产生失真的输入信号频率。
同样地优选地，电阻R放电通道的存在，使得改善了三极管T的关断时间的同时也会影响打开时间。可以进一步令光检测电路输出的电流与电阻R1的阻值之间进行优化搭配。具体地，当光检测电路的输出电流在3mA-20mA范围变化时，电阻R的阻值可以限定在200Ω-1000Ω的范围内。通过该设置，可以在提高光耦合器10的工作频率。
图4示出了根据本申请的电流放大电路101的概略布局图。在同一导电类型的衬底上形成三极管T1区域和电阻区域。
在本申请中，当使用高速开关管时，优选地，在同一导电类型的衬底上形成高速开关管区域和薄膜电阻区域。上述高速开关晶体管区域包括衬底31、低浓度掺杂区域32以及在低浓度掺杂区域32中扩散形成的高浓度掺杂区域33。上述薄膜电阻区域34由多晶硅淀积形成，通过铝连接低浓度掺杂区域31和高浓度掺杂区域32。可见，通过本申请提供的光耦合器，电路内部结构简单，工艺不复杂，能够以相对低的成本实现对相对高的工作频率。
显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种光耦合器，包括由发光二极管和光敏三极管构成的光检测电路，其特征在于，还包括：电流放大电路，配置成对所述光检测电路的输出电流进行放大，
其中，所述电流放大电路包括用于泄放自身关断恢复电流的电流泄放通路。
2.如权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，所述电流放大电路包括第一端、第二端和第三端，所述第一端与所述光检测电路连接以使所述光检测电路的输出电流流经所述电流放大电路，所述第二端作为所述光耦合器的输出端，所述第三端作为偏置电位连接端，在所述第一端与所述第三端之间连接的电阻器作为所述电流泄放通路。
3.如权利要求2所述的光耦合器，其特征在于，所述电流放大电路包括NPN晶体管，所述NPN晶体管的基极作为所述第一端、集电极作为所述第二端、发射极作为所述第三端，其中，所述NPN晶体管的基极与所述光敏三极管的发射极连接。
4.如权利要求2所述的光耦合器，其特征在于，所述电流放大电路包括PNP晶体管，所述PNP晶体管的基极作为所述第一端、发射极作为所述第二端、集电极作为所述第三端，其中，所述PNP晶体管的基极与所述光敏三极管的集电极连接。
5.如权利要求2至4中任意一项所述的光耦合器，其特征在于，当所述流经所述光检测电路的输出电流变化范围为3mA-20mA时，所述电阻器的阻值范围设置为200Ω-1000Ω。
6.如权利要求3所述的光耦合器，其特征在于，所述NPN晶体管为高速开关管。
7.如权利要求3所述的光耦合器，其特征在于，PNP晶体管为高速开关管。
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