DE69421884T2 - Linearer bidirektionaler Optokoppler - Google Patents
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Kommunikationen über Fernsprechleitungen. Insbesondere richtet sich die Erfindung auf Koppelvorrichtungen für Fernsprech-Anschlußleitungen. Die Erfindung betrifft den Zweirichtungskoppler der in US-A-5466944 beschriebenen Art.
- Gegenwärtig werden in Modems zum Ankoppeln ihrer Schaltungen an Fernsprechleitungen Niederfrequenz-/Datenübertrager eingesetzt. Ein solcher Übertrager ist häufig groß und teuer. Bei einigen Anwendungen wie beispielsweise den gegenwärtig beliebten Notebook-Rechnern ist ein sperriger Leitungsübertrager höchst unerwünscht. Ein Leitungsübertrager bietet jedoch eine große Bandbreitenleistung, die für den modernen Betrieb notwendig ist.
- Es wäre daher wünschenswert, eine Alternative für den herkömmlichen Leitungsübertrager bereitzustellen, ohne Frequenzleistung aufzugeben. Im Idealfall würde er kleiner und billiger herzustellen sein.
- In der Schrift EP-A-0174073 ist eine integrierte optische und elektrische Schaltungsvorrichtung beschrieben, bei der in einem Substrat einer integrierten Halbleiterschaltung ein lichtemittierendes Halbleiter-Bauelement ausgebildet wird. Das lichtemittierende Bauelement emittiert ein Lichtsignal, das durch das Halbleitersubstrat transmittiert. Ein lichterfassendes Halbleiterbauelement reagiert auf das Lichtsignal, um eine entsprechende Schaltungseinheit in einen gemeinsamen Empfangszustand zu versetzen. In der Schrift EP-A-0084621 ist ein Signalwandler- Halbleiterbauelement beschrieben, bei dem Fotonenkopplung verwendet wird. In einem ersten Gebiet eines monolithischen Halbleiterbauelements mit direktem Bandabstand wird ein elektrisches Eingangssignal in Fotonen umgewandelt. Die Fotonen werden in einem zweiten Gebiet des Bauelements in ein elektrisches Ausgangssignal zurückgewandelt. In der Schrift PAJ von JP-A-5767907 ist ein fotoelektrischer Wandelverbinder mit einem Paar optischer Sender, einem Paar optischer Empfänger, einem optischen Verzweigungsfilter und einem faseroptischen Kabel beschrieben. In der Schrift US-A-5140152 ist ein optoelektronisches Halbleiterbauelement beschrieben, das Vollduplex- Datenkommunikation über eine einzige optische Faser bereitstellt. Das Halbleiterbauelement umfaßt einen unitären lichtemittierenden P-N-Teil und einen N-I-P- Fotodiodenteil.
- Die oben erwähnten Probleme werden durch die in den Ansprüchen umrissene vorliegende Erfindung gelöst.
- Ein umfassenderes/Verständnis der vorliegenden Erfindung sowie andere Aufgaben und hier nicht aufgezählte Vorteile derselben werden bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen offenbar. Es zeigen:
- Fig. 1 ein Schaltschema eines linearen Zweirichtungs-Halbduplex-Optokopplers;
- Fig. 2 ein Schaltschema einer Anwendung mit dem linearen Zweirichtungs-Halbduplex-Optokoppler der Fig. 1;
- Fig. 3 ein Schaltschema einer weiteren Ausführungsform eines linearen Zweirichtungs- Halbduplex-Optokopplers;
- Fig. 4 ein Schaltschema einer weiteren Anwendung mit dem linearen Zweirichtungs-Halbduplex- Optokoppler;
- Fig. 5 ein Schaltschema eines nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebauten linearen Zweirichtungs-Vollduplex-Optokopplers;
- Fig. 6 ein Schaltschema einer Anwendung mit dem linearen Zweirichtungs-Vollduplex-Optokoppler der Fig. 5.
- Die hier beschriebenen Bauelemente basieren teilweise auf der Technik, die in der im Siemens Optoelectronics Data Book 1993, Seiten 5-115 bis 5-122 und Seiten 11-177 bis 11-193 besprochenen IL30-Familie von linearen Aluminium-Gallium-Arsenid- (AlGaAs-)Optokopplern von Siemens® zur Anwendung kommt. Selbstverständlich können andere Bauelemente benutzt werden. Auch könnten die Koppler mit anderen Arten elektromagnetischer Strahlung wie beispielsweise Ultraviolettlicht benutzt werden.
- Ein linearer Zweirichtungs-Halbduplex- Optokoppler 10 ist im Schaltschema der Fig. 1 dargestellt. Er ist in einem Dual-in-line-Gehäuse (DIP - dual in-line package) 12 mit acht Anschlüssen enthalten, aber es kann eine beliebige geeignete Verpackungsanordnung bzw. ein beliebiges geeignetes Bauelement benutzt werden. Der Optokoppler 10 umfaßt vier Bauelemente: einen ersten Emitter 20, einen zweiten Emitter 22, einen ersten Fotodetektor 24 und einen zweiten Fotodetektor 26. Zum leichteren Verständnis der Arbeitsweise der Fotodetektoren 24, 26 in den hier besprochenen Bauelementen sind sie als kombinierte Diode und Stromquelle gezeichnet, wobei die Richtung des Stromflusses angezeigt ist. Diese Vereinbarung wird in der gesamten vorliegenden Beschreibung befolgt.
- Der erste Emitter 20 ist an DIP-Anschlüsse 1 und 2 angeschlossen, der zweite Emitter 22 ist an DIP- Anschlüsse 7 und 8 angeschlossen, der erste Fotodetektor 24 ist an DIP-Anschlüsse 3 und 4 angeschlossen und der zweite Fotodetektor 26 ist an DIP-Anschlüsse 5 und 6 angeschlossen. Die Lichtstrahlung aus dem ersten und zweiten Emitter 20 und 22 durchläuft einen gemeinsamen optischen Hohlraum 30. Der optische Hohlraum kann ein beliebiges geeignetes lichtleitendes Mittel sein.
- In Fig. 2 ist eine Schaltung mit dem linearen Zweirichtungs-Halbduplex-Optokoppler 10 dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist nur der Sendeteil der Schaltung dargestellt; für die Empfangsfunktion würde es selbstverständlich zusätzliche Bauteile geben. In dieser Schaltung ist die Versorgungsspannung 32 an DIP-Anschlüsse 2 und 7 angeschlossen, um Vorwärtsvorspannung für den ersten und zweiten Emitter 20 und 22 bereitzustellen, und die DIP-Anschlüsse 4 und 5 sind mit Erde 34 verbunden.
- Ein erster Differenzverstärker IC1 40 mit einem nichtinvertierenden Eingang 42, einem invertierenden Eingang 44 und einem Ausgang 46 ist von seinem Ausgang 46 über einen Lastwiderstand 48 an den DTP-Anschluß 1 des Kopplers 10 angeschlossen. In ähnlicher Weise ist ein zweiter Differenzverstärker IC2 60 mit einem nichtinvertierenden Eingang 62, einem invertierenden Eingang 64 und einem Ausgang 66 von seinem Ausgang 66 über einen Lastwiderstand 68 an den DIP-Anschluß 8 des Kopplers 10 angeschlossen. Die nichtinvertierenden Eingänge 42, 62 der Verstärker IC1 40 bzw. IC2 60 sind mit Erde 34 verbunden. Des weiteren sind die Fotodetektoren 24, 26 an DIP-Anschlüssen 3 und 6 mit den invertierenden Eingängen 44 bzw. 64 der Differenzverstärker 40, 60 verbunden.
- Ein erster Signaleingang 70 ist über einen Koppelwiderstand 72 an den invertierenden Eingang 44 des ersten Differenzverstärkers IC1 40 angekoppelt. In ähnlicher Weise ist ein zweiter Signaleingang 80 über einen Koppelwiderstand 82 an den invertierenden Eingang 64 des zweiten Differenzverstärkers IC2 60 angekoppelt.
- Der Weg vom ersten Fotodetektor 24 (Anschluß 3) zum invertierenden Eingang 44 des ersten Differenzverstärkers 40 schließt einen Regelkreis für den ersten Emitter 20. Zusätzlich dazu, daß die Lichtstrahlung auf den zweiten Fotodetektor 26 zur Übertragung des ersten Eingangssignals 70 auftrifft, wird ein Teil der Lichtstrahlung auch durch den ersten Fotodetektor 24 empfangen, und die sich ergebende Ausgabe wird zum ersten Differenzverstärker 40 zurückgeführt. Regelschleifen, die auch in den unten beschriebenen Schaltungen eingesetzt werden, werden ausführlicher im Siemens Optoelectronics Data Book 1993 besprochen.
- In Fig. 3 ist ein weiterer linearer Zweirichtungs-Halbduplex-Optokoppler dargestellt. Der hier gezeigte Halbduplex-Optokoppler 100 ist in einem Dual-in-line-Gehäuse mit sechs Anschlüssen DIP 102 enthalten. Wie der Optokoppler 10 der Fig. 1 umfaßt auch dieser Koppler 100 vier Bauelemente: einen ersten Emitter 120, einen zweiten Emitter 122, einen ersten Fotodetektor 124 und einen zweiten Fotodetektor 126. Benachbarte Bauelemente teilen sich hier einen DIP- Anschluß.
- Der erste Emitter 120 ist an DIP-Anschlüsse 1 und 2 angeschlossen; der zweite Emitter 122 ist an DIP- Rnschlüsse 4 und 5 angeschlossen; der erste Fotodetektor 124 ist an DIP-Anschlüsse 2 und 3 angeschlossen und der zweite Fotodetektor 126 ist an DIP-Anschlüsse 5 und 6 angeschlossen. Die Lichtstrahlung vom ersten und zweiten Emitter 120 und 122 durchläuft einen gemeinsamen optischen Hohlraum 130. Der optische Hohlraum 130 kann wiederum aus einem beliebigen geeigneten lichtleitenden Mittel bestehen.
- In Fig. 4 ist eine Schaltung mit dem linearen Zweirichtungs-Halbduplex-Optokoppler 100 der Fig. 3 dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung ist wiederum nur der Sendeteil der Schaltung dargestellt. In dieser Schaltung sind DIP-Anschlüsse 2 und 5 mit Erde 134 verbunden.
- Ein erster Differenzverstärker IC1 140 mit einem nichtinvertierenden Eingang 142, einem invertierenden Eingang 144 und einem Ausgang 146 ist von seinem Ausgang 146 über einen Lastwiderstand 148 mit dem DIP-Anschluß 1 des Kopplers 100 verbunden. In ähnlicher Weise ist ein zweiter Differenzverstärker IC2 160 mit einem nichtinvertierenden Eingang 162, einem invertierenden Eingang 164 und einem Ausgang 166 von seinem Ausgang 166 über einen Lastwiderstand 168 mit dem DIP-Anschluß 4 des Kopplers 100 verbunden. Die nichtinvertierenden Eingänge 142, 162 der Verstärker IC1 140 bzw. IC2 160 sind mit Erde 134 verbunden. Auch sind die Fotodetektoren 124, 126 an DIP-Anschlüssen 3 und 6 mit den invertierenden Eingängen 144 bzw. 164 der Differenzverstärker 140, 160 verbunden.
- Ein erster Signaleingang 170 ist über einen Koppelwiderstand 172 an den invertierenden Eingang 144 des ersten Differenzverstärkers 140 angekoppelt. In ähnlicher Weise ist ein zweiter Signaleingang 180 über einen Koppelwiderstand 182 an den invertierenden Eingang 164 des zweiten Differenzverstärkers 160 angekoppelt.
- Man beachte, daß durch Verwendung eines kombinierten Emitters und Detektors im Halbduplex- Koppler der Fig. 3 anstelle des ersten und zweiten Emitters 120, 122 und des ersten und zweiten Fotodetektors 124, 126 das erforderliche Zusammenbauverfahren und die Gesamtkosten verringert werden können.
- Bei Verwendung einiger der Grundlagen der oben beschriebenen Halbduplex-Koppler kann ein Vollduplex- Koppler bereitgestellt werden, der eine effektive höhere Datenübertragungsrate bietet. Gleichzeitige Kommunikation ist möglich, wenn die Lichtstrahlungen auf unterschiedlichen Wellenlängen liegen. Dies kann durch Verwendung vom optischen Wellenlängen-Multiplex erreicht werden.
- Obwohl beim optischen Wellenlängen-Multiplex zwei unterschiedliche Lichtwellenlängen gleichzeitig im selben optischen Hohlraum vorliegen, stören sie einander nicht an ihren entsprechenden Detektoren, da die Fotodetektoren als wellenlängenselektive Filter fungieren. Durch Verwendung eines LED-Emitters als Detektor ist eine bessere Trennschärfe möglich, da die LED-Empfindlichkeit ihrem Emissionsspektrum genau entspricht. Man kann beispielsweise bei Verwendung von grünen LED, die Licht mit 560 nm erzeugen, einen optischen Abstand von 20dB mit 940 nm Infrarotstrahlung im selben optischen Hohlraum erreichen.
- In Fig. 5 ist ein nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgebauter Zweirichtungs- Vollduplex-Koppler 200 dargestellt. Das Bauelement ist in einem Dual-in-line-Gehäuse mit acht Anschlüssen DIP 202 dargestellt. Der Koppler 200 umfaßt sechs Bauelemente: erster und zweiter Emitter 220, 222 und erster, zweiter, dritter und vierter Fotodetektor 224, 226, 228, 230.
- Der erste Emitter 220 ist an DIP-Anschlüsse 1 und 3 angeschlossen; der zweite Emitter 222 ist an DIP- Anschlüsse 5 und 7 angeschlossen; der erste Fotodetektor 224 ist an DIP-Anschlüsse 2 und 3 angeschlossen; der zweite Fotodetektor 226 ist an DIP- Anschlüsse 3 und 4 angeschlossen; der dritte Fotodetektor 228 ist an DIP-Anschlüsse 6 und 7 angeschlossen und der vierte Fotodetektor 230 ist an DIP-Anschlüsse 7 und 8 angeschlossen. Die Lichtstrahlung vom ersten und zweiten Emitter 220 und 222 durchläuft einen gemeinsamen optischen Hohlraum 232, der aus einem beliebigen geeigneten lichtleitenden Mittel bestehen kann.
- In der Schaltung der Fig. 5 weisen der erste Emitter 220 und der erste und vierte Fotodetektor 224 bzw. 230 eine Wellenlänge auf; der zweite Emitter 222 und der zweite und dritte Fotodetektor 226 bzw. 228 weisen eine zweite Wellenlänge auf. Beispielsweise könnte eine der Wellenlängen 940 nm und die andere 560 nm betragen.
- In Fig. 6 ist eine Schaltung mit dem linearen Zweirichtungs-Vollduplex-Optokoppler 200 der Fig. 5 dargestellt. In dieser Schaltung sind DIP-Anschlüsse 3 und 7 mit Erde 234 verbunden.
- Ein erster Differenzverstärker IC1 240 mit einem nichtinvertierenden Eingang 242, einem invertierenden Eingang 244 und einem Ausgang 246 ist von seinem Ausgang 246 über einen Lastwiderstand 248 mit DIP-Anschluß 1 des Kopplers 200 verbunden. Der invertierende Eingang 244 ist auch mit DIP-Anschluß 2 des Kopplers 200 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang 242 des ersten Differenzverstärkers IC1 240 ist mit Erde 234 verbunden. Ein erster Signaleingang 270 ist über einen Koppelwiderstand 272 an den invertierenden Eingang 244 des ersten Differenzverstärkers 140 angekoppelt.
- Ein zweiter Differenzverstärker IC2 260 weist einen nichtinvertierenden Eingang 262, einen invertierenden Eingang 264 und einen Ausgang 266 auf. Der nichtinvertierende Eingang 262 des zweiten Differenzverstärkers 260 ist mit DIP-Anschluß 3 des Kopplers 200 und Erde 234 verbunden; der invertierende Eingang 262 ist mit DIP-Anschluß 4 des Kopplers 200 verbunden. Ein Rückkopplungswiderstand ist vom Ausgang 266 mit dem invertierenden Eingang 264 des Verstärkers 260 verbunden. Der erste Signalausgang 280 des Kopplers 200 ist dem Ausgang 266 des zweiten Differenzverstärkers 260 entnommen.
- Ein dritter Differenzverstärker IC3 340 mit einem nichtinvertierenden Eingang 342, einem invertierenden Eingang 344 und einem Ausgang 346 ist von seinem Ausgang 346 über einen Lastwiderstand 348 mit dem DIP-Anschluß 5 des Kopplers 200 verbunden. Der nichtinvertierende Eingang 342 des dritten Differenzverstärkers IC3 340 ist mit Erde 234 verbunden. Ein zweiter Signaleingang 370 ist über einen Koppelwiderstand 372 an den invertierenden Eingang 344 des dritten Differenzverstärkers 140 angekoppelt. Der invertierende Eingang 344 ist auch mit dem DIP-Anschluß 6 des Kopplers 200 verbunden.
- Ein vierter Differenzverstärker IC4 360 weist einen nichtinvertierenden Eingang 362, einen invertierenden Eingang 364 und einen Ausgang 366 auf. Der nichtinvertierende Eingang 362 des vierten Differenzverstärkers 360 ist mit DIP-Anschluß 7 des Kopplers 200 und Erde 234 verbunden; der invertierende Eingang 362 ist mit DIP-Anschluß 4 des Kopplers 200 verbunden. Ein Rückkopplungswiderstand ist vom Ausgang 366 mit dem invertierenden Eingang 364 des Verstärkers 360 verbunden. Der zweite Signalausgang 380 des Kopplers 200 ist am Ausgang 366 des vierten Differenzverstärkers 360 entnommen.
- Obwohl nach unserer Überzeugung die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden ist, wird der Fachmann erkennen, daß andere und weitere Veränderungen durchgeführt werden können, und es ist unsere Absicht, alle derartigen Ausführungsformen, die in den wahren Rahmen der Erfindung fallen, zu beanspruchen. Beispielsweise ist es möglich, daß mehr als zwei Emitter und entsprechende Fotodetektoren existieren, wodurch zusätzliche Kanäle bereitgestellt werden.
Claims (2)
1. Optokoppler (10) für gleichzeitige
Kommunikation mit mindestens ersten und zweiten
optischen Emittern und mindestens ersten und zweiten
Detektoren, dadurch gekennzeichnet, daß
der erste (20) und zweite (22) optische Emitter
zum Emittieren von Lichtstrahlung in einem einzigen
gemeinsamen Gehäuse mit einem lichtleitenden Mittel
angeordnet sind, wobei der erste Emitter Lichtstrahlung
einer ersten Wellenlänge erzeugt und der zweite Emitter
Lichtstrahlung einer zweiten Wellenlänge erzeugt; und
der erste (24) und zweite (26) optische
Detektor zur Erfassung von Lichtstrahlung in dem
lichtleitenden Mittel angeordnet sind, wobei der erste
Detektor als wellenlängenselektives Filter fungiert,
das Lichtstrahlung mit der zweiten Wellenlänge
selektiert und Lichtstrahlung mit der ersten
Wellenlänge ausfiltert, wobei der zweite Detektor als
wellenlängenselektives Filter fungiert, das
Lichtstrahlung mit der ersten Wellenlänge selektiert
und Lichtstrahlung mit der zweiten Wellenlänge
ausfiltert, wobei der erste Detektor auf vom zweiten
Emitter emittierte Lichtstrahlung reagiert und der
zweite Detektor auf vom ersten Emitter emittierte
Lichtstrahlung reagiert.
2. Optokoppler nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kommunikation zweiseitig
gerichtet ist.
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