RU102442U1

RU102442U1 - OPTOPAR WITH COMPONENT DARLINGTON TRANSISTOR

Info

Publication number: RU102442U1
Application number: RU2010142081/08U
Authority: RU
Inventors: Владимир Семенович Федосов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Протон" (ОАО "Протон")
Priority date: 2010-10-13
Filing date: 2010-10-13
Publication date: 2011-02-27

Abstract

Оптопара с составным транзистором Дарлингтона, характеризующаяся тем, что имеет входные цепи, соединенный с ними светодиод, оптически связанный с двумя последовательно соединенными фотодиодами, анод крайнего из которых соединен с базой первого транзистора, а катод крайнего из которых соединен с эмиттером первого транзистора, база второго транзистора соединена с эмиттером первого транзистора, коллекторы первого и второго транзистора соединены вместе, эмиттер второго транзистора и коллекторы первого и второго транзисторов соединены с выходными цепями оптопары. An optocoupler with a composite Darlington transistor, characterized in that it has input circuits, an LED connected to them, optically coupled to two series-connected photodiodes, the anode of which is connected to the base of the first transistor, and the cathode of which is connected to the emitter of the first transistor, the base of the second the transistor is connected to the emitter of the first transistor, the collectors of the first and second transistors are connected together, the emitter of the second transistor and the collectors of the first and second transistors are connected to optocoupler output circuits.

Description

Полезная модель относится к электронной технике и может быть использована для передачи информации и коммутации сигналов в электронной аппаратуреThe utility model relates to electronic equipment and can be used to transmit information and switch signals in electronic equipment

Известна оптопара с составным транзистором Дарлингтона, состоящая из входных цепей, соединенных с ними светодиода, оптически связанного с ним составного фототранзистора, имеющего в качестве усилительного элемента составной транзистор Дарлингтона, а в качестве фоточувствительного элемента фотодиод на основе перехода коллектор-база биполярного транзистора (Vishay Semiconductor GmBH, Optocouplers Databook, 2004, стр.627). Недостатком данной конструкции является низкое быстродействие оптопары из-за паразитного влияния емкости фотодиода (эффект Миллера).A known optical coupler with a Darlington composite transistor, consisting of input circuits, an LED connected to them, a composite phototransistor optically coupled to it, having a Darlington composite transistor as an amplifying element, and as a photosensitive element, a photodiode based on a collector-base bipolar transistor junction (Vishay Semiconductor GmBH, Optocouplers Databook, 2004, p. 627). The disadvantage of this design is the low speed of the optocoupler due to the parasitic effect of the capacitance of the photodiode (Miller effect).

Цель настоящей полезной модели - увеличение быстродействия оптопары с составным транзистором Дарлингтона.The purpose of this utility model is to increase the speed of an optocoupler with a Darlington composite transistor.

Указанная цель достигается тем, что в оптопаре с составным транзистором Дарлингтона, состоящей из входных цепей, соединенных с ними светодиода, составного транзистора Дарлингтона, коллектор и эмиттер которого соединены с выходными цепями, фоточувствительный элемент выполнен в виде двух последовательно соединенных фотодиодов, которые подключены между базой и эмиттером первого транзистора составного транзистора Дарлингтона.This goal is achieved by the fact that in an optocoupler with a composite Darlington transistor, consisting of input circuits connected to them by an LED, a composite Darlington transistor, the collector and emitter of which are connected to the output circuits, the photosensitive element is made in the form of two series-connected photodiodes that are connected between the base and an emitter of a first Darlington composite transistor transistor.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является увеличение быстродействия оптопары с составным транзистором Дарлингтона за счет исключения паразитной емкости фотодиода между коллектором и базой первого транзистора составного транзистора Дарлингтона.The technical result provided by the given set of features is to increase the speed of an optocoupler with a Darlington composite transistor by eliminating the parasitic capacitance of the photodiode between the collector and the base of the first transistor of the Darlington composite transistor.

Конструкция поясняется Фиг.1, на которой изображена электрическая схема предлагаемой оптопары с составным транзистором Дарлингтона. Оптопара содержит входные цепи 1, светодиод 2, оптически связанный с двумя фотодиодами 3, анод крайнего из которых соединен с базой первого транзистора 4, катод крайнего из которых соединен с эмиттером первого транзистора 4, база второго транзистора 5 соединена с эмиттером первого транзистора 4, коллекторы транзисторов 4 и 5 соединены вместе, эмиттер второго транзистора 5 и коллекторы обоих транзисторов соединены с выходными цепями 6.The design is illustrated in figure 1, which shows the electrical diagram of the proposed optocoupler with a composite Darlington transistor. The optocoupler contains input circuits 1, an LED 2, optically coupled to two photodiodes 3, the anode of the last of which is connected to the emitter of the first transistor 4, the cathode of the last of which is connected to the emitter of the first transistor 4, the base of the second transistor 5 is connected to the emitter of the first transistor 4, collectors transistors 4 and 5 are connected together, the emitter of the second transistor 5 and the collectors of both transistors are connected to the output circuits 6.

Работа оптопары с составным транзистором Дарлингтона поясняется Фиг.2, на которой изображена оптопара с подключенным к коллектору составного транзистора нагрузочным сопротивлением Rн, источником напряжения Епит. Емкость перехода коллектор-база условно обозначена как Скб, источники фототока фотодиодов обозначены как Iф.The operation of the optocoupler with a composite Darlington transistor is illustrated in Fig.2, which shows an optocoupler with a load resistance Rн connected to the collector of a composite transistor, a voltage source Epit. The collector-base junction capacitance is conventionally designated as SCB, the photocurrent photodiode sources are indicated as If.

При подаче электрического сигнала на светодиод 2 он начинает излучать инфракрасный свет, который падает на фотодиоды 3, генерируя в них фототек. Этот фототек начинает заряжать собственную емкость фотодиодов вместе с диффузионной емкостью перехода база-эмиттер. Через определенное время, которое определяется временем заряда указанных емкостей до уровня напряжения отпирания транзистора 4, фототек начинает поступать в базу транзистора 4, вызывая пропорциональное увеличение коллекторного тока. Коллекторный ток транзистора 4 начинает поступать в базу транзистора 5, что вызывает увеличение его коллекторного тока. Потенциал коллектора составного транзистора Дарлингтона снижается, при этом через емкость коллектор-база Скб за счет емкостного тока часть тока базы отбирается, вызывая замедление включения. Это замедление определяется постоянной времени, пропорциональной емкости Скб перехода коллектор-база транзистора 4.When an electric signal is applied to LED 2, it begins to emit infrared light, which incident on photodiodes 3, generating a photo library in them. This photo library starts charging its own photodiode capacitance together with the diffusion capacitance of the base-emitter junction. After a certain time, which is determined by the charge time of the indicated capacitors to the unlock voltage level of transistor 4, the photocurrent begins to flow into the base of transistor 4, causing a proportional increase in the collector current. The collector current of the transistor 4 begins to flow into the base of the transistor 5, which causes an increase in its collector current. The collector potential of the Darlington composite transistor decreases, while part of the base current is taken through the collector-base SCB due to the capacitive current, causing a delay in switching on. This deceleration is determined by a time constant proportional to the capacitance Skb of the collector-base junction of transistor 4.

При выключении светодиода 1 пара фотодиодов 2 перестает генерировать фототек, ток в базу транзистора 4 перестает поступать и транзистор 4 начинает запираться, так же начинает запираться транзистор 5, при этом потенциал коллектора составного транзистора Дарлингтона начинает увеличиваться. В базу транзистора 4 через емкость Скб начинает поступать емкостной ток, замедляя выключение транзистора 4 и составного транзистора Дарлингтона в целом. Величина замедления определяется постоянной времени, пропорциональной емкости Скб перехода коллектор-база транзистора 4. Поскольку емкость перехода коллектор-база транзистора 4 существенно меньше, чем емкость коллектор-база с подключенной к нему емкостью фотодиода, динамические характеристики предлагаемой конструкции так же имеют существенно лучшие значения, чем в конструкции прототипа.When the LED 1 is turned off, the pair of photodiodes 2 ceases to generate a photo library, the current to the base of transistor 4 ceases to flow and transistor 4 starts to lock, transistor 5 also starts to lock, while the collector potential of a composite Darlington transistor begins to increase. A capacitive current begins to flow into the base of transistor 4 through the capacitance of the SCB, slowing down the turn-off of transistor 4 and the Darlington composite transistor as a whole. The magnitude of the deceleration is determined by the time constant proportional to the capacitance Skb of the collector-base of the transistor 4. Since the capacitance of the collector-base of the transistor 4 is significantly less than the collector-base capacity with the photodiode capacitance connected to it, the dynamic characteristics of the proposed design also have significantly better values, than in the prototype design.

Определим сравнительный выигрыш по быстродействию предлагаемой полезной модели и прототипа. Типичная емкость фотодиода размером 1×1 мм составляет 100 пФ. Емкость перехода коллектор-база составляет 2 пФ. Суммарная паразитная емкость коллектор-база прототипа, таким образом, составляет 102 пФ, паразитная емкость коллектор-база предлагаемой полезной модели составляет 2 пФ. Сравнивая эти величины можно прийти к выводу, что время нарастания выходного сигнала предлагаемого изобретения меньше чем у прототипа примерно в 50 раз, что является существенным выигрышем.We determine the comparative gain in speed of the proposed utility model and prototype. A typical 1 × 1 mm photodiode capacitance is 100 pF. The collector-base junction capacitance is 2 pF. The total stray capacitance of the collector-base of the prototype, thus, is 102 pF, the stray capacitance of the collector-base of the proposed utility model is 2 pF. Comparing these values, we can conclude that the rise time of the output signal of the present invention is less than that of the prototype by about 50 times, which is a significant gain.

В предлагаемой полезной модели возможно использование фотодиодов с количеством больше двух. Если фотодиоды и транзистор реализуются в одном кристалле, то эффективность такой конструкции будет снижена, так как при увеличении количества фотодиодов суммарный фототок пропорционально будет уменьшен. При использовании одного фотодиода фототок не будет протекать в базу из-за равенства величины потенциальных барьеров фотодиода и перехода база-эмиттер. Таким образом, оптимальным количеством является два фотодиода.In the proposed utility model, it is possible to use photodiodes with an amount of more than two. If the photodiodes and the transistor are implemented in one crystal, then the efficiency of such a design will be reduced, since with an increase in the number of photodiodes the total photocurrent will be proportionally reduced. When using a single photodiode, the photocurrent will not flow into the base due to the equality of the potential barriers of the photodiode and the base-emitter transition. Thus, the optimal amount is two photodiodes.

Транзисторы 4, 5 и фотодиоды 2 могут быть реализованы в одном кристалле, изготовленном по микроэлектронной технологии с полной диэлектрической изоляцией элементов.Transistors 4, 5 and photodiodes 2 can be implemented in a single chip, manufactured by microelectronic technology with full dielectric isolation of the elements.

На Фиг.3 изображена конструкция прототипа.Figure 3 shows the design of the prototype.

На Фиг.4 изображена примерная конструкция кристалла содержащего вышеописанные транзистор и два фотодиода. Кристалл выполнен по технологии с полной диэлектрической изоляцией между элементами. Кристалл содержит p-области 7 и 10 фотодиодов, n-области 8 и 9 фотодиодов, n-область 15 коллектора составного транзистора Дарлингтона, p-область 14 базы первого транзистора, n-область 13 эмиттера первого транзистора, p-область 17 базы второго транзистора, n-область 16 эмиттера второго транзистора, контактную площадку 18 коллектора составного транзистора Дарлингтона, контактную площадку 12 эмиттера составного транзистора Дарлингтона, соединительную металлизацию 13.Figure 4 shows an exemplary crystal design containing the above-described transistor and two photodiodes. The crystal is made using technology with full dielectric isolation between the elements. The crystal contains p-regions of 7 and 10 photodiodes, n-regions of 8 and 9 photodiodes, n-region 15 of the collector of a Darlington composite transistor, p-region 14 of the base of the first transistor, n-region 13 of the emitter of the first transistor, p-region 17 of the base of the second transistor , the n-region 16 of the emitter of the second transistor, the contact pad 18 of the collector of the composite Darlington transistor, the contact pad 12 of the emitter of the composite transistor Darlington, connecting metallization 13.

На Фиг.5 изображено поперечное сечение кристалла содержащего вышеописанные транзисторы и два фотодиода. Цифрами обозначены: 19 - несущая пластина, 20 - диэлектрический слой, 21 - диэлектрический слой между n-областями фотодиодов.Figure 5 shows a cross section of a crystal containing the above transistors and two photodiodes. The numbers indicate: 19 - the carrier plate, 20 - the dielectric layer, 21 - the dielectric layer between the n-regions of the photodiodes.

Claims

An optocoupler with a composite Darlington transistor, characterized in that it has input circuits, an LED connected to them, optically coupled to two photodiodes connected in series, the anode of the last of which is connected to the base of the first transistor, and the cathode of the last of which is connected to the emitter of the first transistor, the base of the second the transistor is connected to the emitter of the first transistor, the collectors of the first and second transistors are connected together, the emitter of the second transistor and the collectors of the first and second transistors are connected to optocoupler output circuits.