CN211656113U

CN211656113U - 一种可以消除密勒电容影响的快速光电耦合器

Info

Publication number: CN211656113U
Application number: CN202020503573.7U
Authority: CN
Inventors: 崔建国; 宁永香; 崔建峰; 崔燚; 李光序
Original assignee: Shanxi Institute of Technology
Current assignee: Shanxi Institute of Technology
Priority date: 2020-04-09
Filing date: 2020-04-09
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2030-04-09

Abstract

本实用新型公开了一种可以消除密勒电容影响的快速光电耦合器，其包括光耦输入电路、晶体管光电耦合器电路、射极跟随器电路、射极跟随器基极偏压产生电路、偏压稳定电路、负载电阻R_L电路，输入信号通过所述光耦输入电路电阻R_V进入所述晶体管光电耦合器电路,所述射极跟随器电路由晶体管T₂构成，所述晶体管光电耦合器电路TIL111的内部晶体管T₁的集电极连接晶体管T₂的发射极，12V电源依次通过电阻R1、R2连接工作地构成所述射极跟随器基极偏压产生电路，电阻R1、R2的连接点与晶体管T2的基极相连，电容电解C1构成所述偏压稳定电路，通过调节T2的基极偏压，使光电管的集电极电位保持恒定，从而消除了密勒效应。

Description

一种可以消除密勒电容影响的快速光电耦合器

技术领域

本实用新型涉及一种通过消除密勒电容从而实现快速光电耦合器的技术，普通光电耦合器由于存在密勒电容，故极易受密勒效应影响，造成数据传输的时效性较差，将光耦的光电三极管集成在一个级联电路中，导致光电管集电极具有稳定的直流电位，光电管电压放大倍数几乎为零，密勒电容被消除，光耦的工作频率加快。

背景技术

光电耦合器亦称光耦合器、光隔离器以及光电隔离器，简称光耦,它是以光（含可见光、红外线等）作为媒介来传输电信号的一组装置，其功能是平时让输入电路及输出电路之间隔离，在需要时可以使电信号通过隔离层的传送方式,这样就使得光信号（发射端）和电信号（接收端）互不干扰，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。

晶体管输出型光耦是最常见的光电耦合器，其输入端分为直流信号或交流信号控制型，输出端都是晶体管（单体或达林顿，后者具有更高的电流传输比），这种类型的光耦凭借其价格低和通用性特点广泛使用于各种应用。

晶体管输出光耦的特点是：大电流传输比（CTR）、高耐压、低输入电流，因为这类光耦的光电接收器使用的是光敏三极管，所以缺点也是明显的：传输速度较慢，时序延时较大。晶体管型光电耦合器传输速度比较慢的原因，本质上是由于晶体管（包括场效应管）内部密勒电容的存在，密勒效应使得等效输入电容增大，导致频率特性降低。

理论上说，只要减少密勒电容的值，密勒效应的影响即可减小，晶体管的工作频率即可升高。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠、能快速提升普通晶体管光电耦合器工作频率的设备。

为实现上述目的，本实用新型提供一种可以消除密勒电容影响的快速光电耦合器，其特征在于：所述快速光电耦合器包括光耦输入电路、晶体管光电耦合器电路、射极跟随器电路、射极跟随器基极偏压产生电路、偏压稳定电路、负载电阻R_L电路；所述光耦输入电路由电阻R_V构成，输入信号通过电阻R_V进入所述晶体管光电耦合器电路TIL111,所述射极跟随器电路由晶体管T₂构成，所述晶体管光电耦合器电路TIL111的内部晶体管T₁的集电极连接晶体管T₂的发射极，12V电源通过所述负载电阻R_L电路连接晶体管T₂的集电极，12V电源依次通过电阻R1、R2连接工作地构成所述射极跟随器基极偏压产生电路，电阻R1、R2的连接点与晶体管T2的基极相连，电容电解C1构成所述偏压稳定电路，电容C1的负极接地、正极连接晶体管T2的基极。

附图说明

附图1、附图2、附图3用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1 是本实用新型设计通过减少密勒电容实现晶体管型光电耦合器快速工作的电气原理图。附图2是晶体管的输出伏安特性曲线。附图3是普通光耦与快速光耦高速数据传输时时效性比较图。

具体实施方式

1 密勒电容和密勒效应

电容与频率是离不开的，电容与频率有这样的关系：大容量的电容对高频的响应很差对低频的响应却好，而小容量的电容对低频的响应很差而对高频的响应却非常好。

密勒效应的产生

密勒电容就是跨接在放大器件或者电路的输出端与输入端之间的电容，密勒电容对于器件或者电路的频率特性的影响就称为密勒效应。

密勒效应是通过放大输入电容来起作用的，即密勒电容C可以使得器件或者电路的等效输入电容增大（1+A_V）倍，其中Av 即电路的电压增益。因此很小的密勒电容即可造成电路器件或者电路的频率特性大大降低。

简单说来：对于电子管而言，屏极与栅极之间的电容；对于晶体管而言，集电极与基极之间的电容即集电结电容的势垒电容；对于场效应管而言，漏极与栅极之间的电容，这些电容皆属于密勒电容。

这些管子作共发射极模式或共源极模式放大电路时，由于输出端电压与输入端电压相位相反，使得该电容（如集电结电容）的充电、放电电流增大，从器件或电路端输入端看进去，好像该电容增大了（1+A_V）倍，这些现象都属于密勒效应。

将上述内容总结一下，对于共射极放大电路来说，密勒效应的本质是由于基极电位与集电极输出电位相位反相造成的,从而使加在集电结电容C_BC间的电压扩大了（1+A_V）倍，导致流过这个结电容的电流变得很大，相当于集电结阻抗变得很小，使得基极输入信号几乎直接流到集电极输出端，这时的共射放大电路不具放大作用；但发射结两端电压不存在反相，所以也就没有密勒效应，共基极放大电路由于信号是从射极输入、集电极输出，输入电压与输出电压不存在反相关系，所以也就没有密勒效应。

密勒电容的消除

可以采用平衡法（或叫中和法）等技术来适当地减弱密勒电容的影响，平衡法即是在电路的输出端与输入端之间并联连接一个所谓中和电容，并且让该中和电容上的电压与密勒电容上的电压相位相反，使得通过中和电容的电流恰恰与通过密勒电容的电流方向相反，以达到相互抵消的目的。

所以，为了有效地抑制密勒效应，应该要求中和电容与密勒电容正好完全匹配，但现实情况是，由于作为密勒电容的晶体管输出电容往往与电压有关，所以中和电容和密勒电容很难完全实现匹配，因此需要进行多种改进。

通过减少密勒电容实现晶体管型光电耦合器快速工作的电气原理

光电耦合器一般由三部分组成：光电发射端、光电接收端、输出端信号放大及整形、驱动变换电路等，其基本工作原理可以这样描述：输入的电信号驱动光发射源（包括各种波长的LED发光二极管或激光），被隔离的另外一端由光探测器（光敏电阻、光芒二极管、光敏三极管等）接收而产生电流，再经过进一步放大后输出，完成了“电—>光—>电”的转换，最终起到输入、输出、隔离的作用。

市场上常见的光电耦合器，其光电接收端通常由光敏三极管构成，该光敏三极管的工作模式皆属于共发射极结构，所以如上文所言，这种普通共发射极接法的光电耦合器，虽然它有发射机和接收机间具有极好隔离性的优点，但其光电晶体管的输出用于数据通信时总嫌速度太慢，正是密勒电容造成的密勒效应所致。

在保持光耦隔离性好这个优点的基础上，为了改变光耦频率特性差的缺点、从而实现高速通信，可以设想将光电接收三极管的集电极维持恒定电位，从而可以使共发射极工作的光电三极管的密勒电容（基极—集电极电容）不起作用，消除了密勒效应的影响，实现了晶体管型光耦的快速工作，能够实现晶体管型光电耦合器快速工作的的电气工作原理如图1所示。

从图1可以看到，快速光电耦合器整体上看相当于一个级联放大电路，即原光耦的输出已经改变为级联放大电路输出，级联放大电路包括光耦输入电路、晶体管光电耦合器电路、射极跟随器电路、射极跟随器基极偏压产生电路、偏压稳定电路、负载电路等。

在图1的级联放大电路中，原光电三极管T₁已经集成在此级联放大电路中，总体观察级联放大电路，光电管T₁为共射极放大模式、故存在密勒效应，晶体管T₂为共基极模式不存在密勒效应，电路信号从T₂的集电极输出，故理论上说级联放大电路存在密勒效应。

晶体管的动态电阻

光电管T₁既然为共发射极工作模式，那么T₁的输出伏安特性曲线一定也如下图2所示。

图2中横轴u _CE为光电管T₁的集电极—发射极之间的压降，i _C为T₁的集电极电流，场效应管的输出伏安特性曲线也如图2相似，故双极型晶体管（三极管）和场效应晶体管的输出伏安特性曲线基本上是水平的，即输出电流i _C基本上不随电压u _CE而变化，因此光电管T₁可看成是一种恒流源。

同时水平的特性曲线也表明光电管T₁的输出交流电阻（即动态电阻）近似为无穷大。实际上，由于Early效应（对于BJT，双极性管）、或者由于沟道长度调制效应等（对于FET，场效应管）的影响，其输出伏安特性曲线并不完全水平，但动态电阻必定是很大的。

元器件的伏安特性曲线越是平坦，其交流电导就越小，交流电导（动态电导）的倒数也就是交流电阻，或称为动态电阻也就越大。

射极跟随器电路实现光电管T₁集电极电位恒定

上文提到，只要能实现光电三极管T₁的集电极电位保持恒定，即可实现T₁的密勒效应被消除，故需要分析由晶体管T₂及外围电路组成的共基极放大器，其能否保证T₁的集电极电位恒定。

光电管T₁的动态输出电阻近似无穷大，此动态电阻作为晶体管T₂的发射极电阻；电阻R₁、R₂组成的分压器电路为T₂的基极提供偏置电压，如果晶体管T₂的基极电流I _B2可以忽略不计，对于T₂的分析会简单很多。

只要晶体管T₂的参数选取满足I _R2＞＞I _B2，那么I _R1≈I _R2，其中I _R1为通过电阻R₁的电流，I _R2为通过电阻R₂的电流。这时B点（电阻R₁、R₂的交点，见图1）的电位

上式表明T₂基极电位几乎仅决定于电阻R₁、R₂对V _CC分压，而与环境温度无关，即当温度变化时U _B基本不变。

但上式的成立是有条件的，即当T₂的发射极电阻

，即

时，上面求T₂基极电位的公式才成立，相关原理参见模拟电子技术相应章节，这里不再赘述。其中R _e2为T₂的发射极电阻，也就是光电管T₁的输出动态电阻；R_b2=R₁// R₂；Β为T₂的直流电流放大倍数。

由图1可知，T₂所用型号为BC547B，其Β处于200~400之间；T₂的发射极电阻就是光电管T₁的动态电阻，几乎无穷大；按照如图1所示参数，R_b2=6.5//1=0.82kΩ。

故以上求U _B的公式成立。

由求U _B公式可以算出，分压器R₁、R₂使晶体管T₂的基极电位稳定偏置在1.5V，电容器C₁的作用是确保电流出现快速波动时，使该基极偏压基本稳定不变，晶体管T₂的发射结电压保持0.8V不变。

通过观察T₁、T₂的连接方式，站在T₂的角度看，实际上可以将T₂看作一个射极跟随器电路，这样就很清楚，光电管T₁的集电极总能保持一恒定（直流）电压，那么光电管T₁电路的电压放大倍数A_V≈0，这样就使光电管T₁的密勒电容（集电结电容）不起作用。

所以以上级联电路之所以工作速度较快的原因在于，由于光电管集电极电压能保持恒定，故可以不考虑晶体管内部密勒电容的影响，结果光电管的工作速度可以变得很快，如图3所示，图中显示出在30kHz数据传输时两种电路的波形比较，上面波形是采用传统普通电路的，下面波形是级联放大电路，即采用快速光电耦合器，说明快速光电耦合器的时效性确实加快许多。

注意事项

该快速光电耦合器有一个缺点，就是它的输出信号电平不能下降到0,但最佳电平可为1，TTL集成电路就具有这种特性，只不过TTL的工作电压是使用12V。

该电路基本上可以工作于5V电源，只需适当改变R₁阻值，使用CMOS集成电路当然更好些。

当实验验证此电路时，注意不要超过光电耦合器TIL111（图1所示）中发光管的最大工作电流100mA,这可以由降压电阻R_V来保证，R_V可由下式计算：

式中输入信号电压U _in单位为伏特，发光管电流I _LED单位为安培。

总结以上内容，共射极放大电路由于密勒电容的存在，导致晶体管型光电耦合器频率特性较差，但共基极放大电路不存在密勒电容，频率特性很好；将共基极放大电路作为光电管的负载，这时的共基极放大电路可以当作射极跟随器应用，通过调节共基极放大电路的基极偏压，使光电管的集电极电位保持恒定，从而消除了密勒效应。

Claims

1.一种可以消除密勒电容影响的快速光电耦合器，其特征在于：所述快速光电耦合器

包括光耦输入电路、晶体管光电耦合器电路、射极跟随器电路、射极跟随器基极偏压产生电路、偏压稳定电路、负载电阻R_L电路；所述光耦输入电路由电阻R_V构成，输入信号通过电阻R_V进入所述晶体管光电耦合器电路TIL111,所述射极跟随器电路由晶体管T₂构成，所述晶体管光电耦合器电路TIL111的内部晶体管T₁的集电极连接晶体管T₂的发射极，12V电源通过所述负载电阻R_L电路连接晶体管T₂的集电极，12V电源依次通过电阻R1、R2连接工作地构成所述射极跟随器基极偏压产生电路，电阻R1、R2的连接点与晶体管T2的基极相连，电容电解C1构成所述偏压稳定电路，电容C1的负极接地、正极连接晶体管T2的基极。