第六章 發(fā)光器件與光電耦合器件

1、第6章 發(fā)光器件與光電耦合器件 通常人們把物體向外發(fā)射出可見光的現(xiàn)象稱為發(fā)光。但對(duì)光電技術(shù)領(lǐng)域來說，光輻射還包括紅外、紫外等不可見波段的輻射。發(fā)光常分為由物體溫度高于絕對(duì)零度而產(chǎn)生物體熱輻射和物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)的輻射。前者被稱為熱輻射，后者稱為激發(fā)輻射，激發(fā)輻射的光源常被稱為冷光源。按激發(fā)的方式可將冷光源分為光致發(fā)光、化學(xué)發(fā)光、摩擦發(fā)光、陰極射線致發(fā)光、電致發(fā)光等。 本章主要介紹目前已得到廣泛應(yīng)用的注入式半導(dǎo)體發(fā)光器件及光電耦合器件。 LEDLED的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史 1965年世界上的第一只商用化LED誕生，用鍺制成，單價(jià)45美元，為紅光LED，發(fā)光效率0.1 lm/w 1968

2、年利用半導(dǎo)體攙雜工藝使GaAsP材料的LED的發(fā)光效率達(dá)到1 lm/w, 并且能夠發(fā)出紅光、橙光和黃光 1971年出現(xiàn)GaP材料的綠光LED，發(fā)光效率也達(dá)到1 lm/wLED（Lighting Emitting Diode）LEDLED的發(fā)展歷史的發(fā)展歷史 80年代，重大技術(shù)突破，開發(fā)出AlGaAs材料的LED，發(fā)光效率達(dá)到 10 lm/w 1990年到2001年，AlInGaP的高亮度LED成熟，發(fā)光效率達(dá)到 4050 lm/w 1990年基于SiC材料的藍(lán)光LED出現(xiàn)，發(fā)光效率為0.04 lm/w 90年代中期出現(xiàn)以藍(lán)寶石為襯底的GaN藍(lán)光LED，到目前仍然為該技術(shù)白光LED光譜實(shí)驗(yàn)中測得

3、的熒光燈譜線混合光譜實(shí)驗(yàn)中測得的熒光燈譜線混合光譜6.1 發(fā)光二極管的基本工作原理與特性 1907年首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體二極管在正向偏置的情況下發(fā)光。70年代末，人們開始用發(fā)光二極管作為數(shù)碼顯示器和圖像顯示器。進(jìn)十年來，發(fā)光二極管的發(fā)光效率及發(fā)光光譜都有了很大的提高，用發(fā)光二極管作光源有許多優(yōu)點(diǎn)，例如：體積小、重量輕，便于集成；工作電壓低、耗電小、驅(qū)動(dòng)簡便，便于計(jì)算機(jī)控制；既有單色性好的單色發(fā)光二極管，又有發(fā)白光的發(fā)光二極管 。6.1.1 發(fā)光二極管的發(fā)光機(jī)理 發(fā)光二極管（即LED）是一種注入電致發(fā)光器件，它由P型和 N型半導(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機(jī)理常分為PN結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光兩種。 1、 P

4、N結(jié)注入發(fā)光 PN結(jié)處于平衡時(shí)，存在一定的勢(shì)壘區(qū)，其能帶如圖6-1 所示。當(dāng)加正偏壓時(shí)，PN結(jié)區(qū)勢(shì)壘降低，從擴(kuò)散區(qū)注入的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，并主要發(fā)生在p區(qū)。 2、異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光 為了提高載流子注入效率，可以采用異質(zhì)結(jié)。圖2-13（a）表示理想的異質(zhì)結(jié)能帶圖。由于p區(qū)和n區(qū)的禁帶寬度不相等，當(dāng)加上正向電壓時(shí)小區(qū)的勢(shì)壘降低，兩區(qū)的價(jià)帶幾乎相同，空穴就不斷向n區(qū)擴(kuò)散。 對(duì)n區(qū)電子，勢(shì)壘仍然較高，不能注入p區(qū)。這樣，禁帶寬的p區(qū)成為注入源，禁帶窄的n區(qū)成為載流子復(fù)合發(fā)光的發(fā)光區(qū)（圖2-13（b）。例如，禁帶寬EG2=1.32eV 的p-GaAs與禁帶寬EG10.7eV的n-GaSb組成異

5、質(zhì)結(jié)后，p-GaAs的空穴注入n-GaAs區(qū)復(fù)合發(fā)光。 由于n區(qū)所發(fā)射的光子能量hv比EG2 小得多，它進(jìn)入p區(qū)不會(huì)引起本征吸收而直接透射出去。6.1.2 基本結(jié)構(gòu) 1、面發(fā)光二極管 圖6-3所示為波長0.80.9m的雙異質(zhì)結(jié)GaAsAIGaAs面發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它的有源發(fā)光區(qū)是圓形平面，直徑約為50m，厚度小于2.5m。一段光纖(尾纖)穿過襯底上的小圓孔與有源發(fā)光區(qū)平面正垂直接入，周圍用粘合材料加固，用以接收有源發(fā)光區(qū)平面射出的光，光從尾纖輸出。有源發(fā)光區(qū)光束的水平、垂直發(fā)散角均為120。2. 邊發(fā)光二極管 圖6-4所示為波長1.3m的雙異質(zhì)結(jié)InGaAsPInP邊發(fā)光型LED的結(jié)構(gòu)。它

6、的核心部分是一個(gè)N型AIGaAs有源層，及其兩邊的P型AIGaAs和N型AIGaAs導(dǎo)光層(限制層)。導(dǎo)光層的折射率比有源層低，比周圍其他材料的折射率高，從而構(gòu)成以有源層為芯層的光波導(dǎo)，有源層產(chǎn)生的光輻射從其端面射出。為了和光纖的纖芯尺寸相配合，有源層射出光的端面寬度通常為5070m，長度為100150m。邊發(fā)光LED的方向性比面發(fā)光器件要好，其發(fā)散角水平方向?yàn)?535，垂直方向?yàn)?20。 6.1.3 LED的特性參數(shù) 1、發(fā)光光譜和發(fā)光效率 LED的發(fā)光光譜指LED發(fā)出光的相對(duì)強(qiáng)度(或能量)隨波長(或頻率)變化的分布曲線。它直接決定著發(fā)光二極管的發(fā)光顏色，并影響它的發(fā)光效率。發(fā)射光譜的形成由

7、材料的種類、性質(zhì)以及發(fā)光中心的結(jié)構(gòu)決定的，而與器件的幾何形狀和封裝方式無關(guān)。描述光譜分布的兩個(gè)主要參量是它的峰值波長和發(fā)光強(qiáng)度的半寬度。對(duì)于輻射躍遷所發(fā)射的光子，其波長與躍遷前后的能量差E之間的關(guān)系為hcE。復(fù)合躍遷前后的能量差大體就是材料的禁帶寬Eg。因此，峰值波長由材料的禁帶寬度決定。 例如GsAs的峰值波長出現(xiàn)在1.1eV，比室溫下的禁帶寬度少0.3eV。圖6-5給出了GaAs0.6Po.4 和GaP的發(fā)射光譜。當(dāng)GaAs1xPx中的x值不同時(shí)，峰值波長在620680nm之間變化，譜線半寬度大致為 2030nm。GaP發(fā)紅光的峰值波長在700nm附近，半寬度大約為100nm。峰值光子的能

8、量還與溫度有關(guān)，它隨溫度的增加而減少。在結(jié)溫上升時(shí)，譜帶波長以0.20.3nm/的比例向長波方向移動(dòng)。 發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸入電能之比表示發(fā)光效率，單位lm/W；也有人把光強(qiáng)度與注入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為cdA（坎/安）。GaAs紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率由輸出輻射功率與輸入電功率的百分比表示。 發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率與外部量子效率決定。內(nèi)部量子效率在平衡時(shí)，電子-空穴對(duì)的激發(fā)率等于非平衡載流子的復(fù)合率（包括輻射復(fù)合和無輻射復(fù)合），而復(fù)合率又分別決定于載流子壽命r和rn，其中輻射復(fù)合率與1/r成正比，無輻射復(fù)合率為1/rn，內(nèi)部量子效率為 ieoinnn（6-1） 式中，neo為每秒

9、發(fā)射出的光子數(shù),ni為每秒注入到器件的電子數(shù),r是輻射復(fù)合的載流子壽命,rn是無輻射復(fù)合的載流子壽命。由式中可以看出，只有rnr，才能獲得有效的光子發(fā)射。 必須指出，輻射復(fù)合發(fā)光的光子并不是全部都能離開晶體向外發(fā)射。光子通過半導(dǎo)體有一部分被吸收，有一部分到達(dá)界面后因高折射率（折射系統(tǒng)的折射系數(shù)約為34）產(chǎn)生全反射而返回晶體內(nèi)部后被吸收，只有一部分發(fā)射出去。因此，將單位時(shí)間發(fā)射到外部的光子數(shù)nex除以單位時(shí)間內(nèi)注入到器件的電子-空穴對(duì)數(shù)nin定義為外部量子效率ex，即inexnnex(6-2) 對(duì) GaAs這類直接帶隙半導(dǎo)體，in可接近100。但ex很小，如CaPZn-O紅光發(fā)射效率ev很小，最

10、高為15；發(fā)綠光的GaPN的ev約為0.7；對(duì)發(fā)紅光的 GaAs0.6P0.4，其ex約為0.4；對(duì)發(fā)紅外光的In0.32Ga0.68PTe，Zn的ev約為 0.1。 2、時(shí)間響應(yīng)特性與溫度特性 提高外部量子效率的措施有三條：用比空氣折射率高的透明物質(zhì)如環(huán)氧樹脂（n2 =1.55）涂敷在發(fā)光二極管上；把晶體表面加工成半球形；用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對(duì)光吸收。 發(fā)光二極管的時(shí)間響應(yīng)快，短于1s，比人眼的時(shí)間響應(yīng)要快得多，但用作光信號(hào)傳遞時(shí)，響應(yīng)時(shí)間又顯得太長。發(fā)光二極管的響應(yīng)時(shí)間取決于注入載流子非發(fā)光復(fù)合的壽命和發(fā)光能級(jí)上躍遷的幾率。 不同材料制得的LED響應(yīng)時(shí)間各不相同；如GaAs

11、、GaAsP、GaAlAs其響應(yīng)時(shí)間10-9S，GaP為10-7 S。因此它們可用在10100MHZ高頻系統(tǒng)當(dāng)光線以近法線入射時(shí)，反射比和透射比分別為：如普通玻璃，反射比大約為4%透射比大約為70.2%，n2改為樹脂（1.5），透射比則為84.9%通常發(fā)光二極管的發(fā)光效率均隨溫度上升而下降。圖6-6 表示GaP（綠色）、GaP（紅色）、GaAsP三種發(fā)光二極管的相對(duì)光亮度Le,r與溫度t的關(guān)系曲線。 3、發(fā)光亮度與電流的關(guān)系 發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L是單位面積發(fā)光強(qiáng)度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)生在P區(qū)的情況下，發(fā)光亮度L與電子擴(kuò)散電流idn之間的關(guān)系為 ReiLdn(6-3) 式中，是載流子輻射復(fù)合壽

12、命R和非輻射復(fù)合壽命NR的函數(shù) 如圖6-7所示為GaAslxPx、GalxAlxAs和GaP(綠色)發(fā)光二極管的發(fā)光亮度與電流密度的關(guān)系曲線。這些LED的亮度與電流密度近似成線性關(guān)系，且在很大范圍內(nèi)不易飽和。4、最大工作電流 在低工作電流下，發(fā)光二極管發(fā)光效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增加到一定值時(shí)，發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨工作電流的繼續(xù)增加而降低。圖6-8表示發(fā)紅光的GaP發(fā)光二極管內(nèi)量子效率in的相對(duì)值與電流密度J及溫度T間的關(guān)系。隨著發(fā)光管電流密度的增加，pn結(jié)的溫度升高，將導(dǎo)致熱擴(kuò)散，使發(fā)光效率降低。 因此，最大工作電流密度應(yīng)低于最大發(fā)射效率的電流密度值。若發(fā)光二極管的最

13、大容許功耗為Pmax，則發(fā)光管最大容許的工作電流為 dddfffdfrPrrIUUrII24)()(max2max（6-4） 式中，rd為發(fā)光二極管的動(dòng)態(tài)內(nèi)阻；If、Uf均為發(fā)光二極管在較小工作電流時(shí)的電流和正向壓降。 5、伏安特性 發(fā)光二極管的伏安特性如圖6-9所示，它與普通二極管的伏安特性大致相同。電壓小于開啟點(diǎn)的電壓值時(shí)無電流，電壓一超過開啟點(diǎn)就顯示出歐姆導(dǎo)通特性。這時(shí)正向電流與電壓的關(guān)系為 iioexp(U/mkT) (6-5) 式中，m為復(fù)合因子。在較寬禁帶的半導(dǎo)體中，當(dāng)電流i0.1mA時(shí)，通過結(jié)內(nèi)深能級(jí)進(jìn)行復(fù)合的空間復(fù)合電流起支配作用，這時(shí)m2。電流增大后，擴(kuò)散電流占優(yōu)勢(shì)時(shí)，m1。

14、因而實(shí)際測得的m值大小可以標(biāo)志器件發(fā)光特性的好壞。 6、壽命 發(fā)光二極管的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于lA/cm2時(shí)，一般可達(dá)106h，最長可達(dá)109h。隨著工作時(shí)間的加長，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老化的快慢與工作電流密度有關(guān)。隨著電流密度的加大，老化變快，壽命變短。 7、響應(yīng)時(shí)間 在快速顯示時(shí)，標(biāo)志器件對(duì)信息反應(yīng)速度的物理量叫響應(yīng)時(shí)間，即指器件啟亮(上升)與熄滅(衰減)時(shí)間的延遲。實(shí)驗(yàn)證明，二極管的上升時(shí)間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。它的響應(yīng)時(shí)間一般是很短的，如GaAs1-xPx僅為幾個(gè)ns，GaP約為100ns。在用脈沖電流驅(qū)動(dòng)二極

15、管時(shí)，脈沖的間隔和占空因數(shù)必須在器件響應(yīng)時(shí)間所許可的范圍內(nèi)。 6.1.4 驅(qū)動(dòng)電路 發(fā)光二極管工作需要施加正向偏置電壓，以提供驅(qū)動(dòng)電流。典型的驅(qū)動(dòng)電路如圖6-10所示，將LED接入到晶體三極管的集電極，通過調(diào)節(jié)三極管基極偏置電壓，可獲得需求的輻射光功率。在光通信中以LED為光源的場合，需要對(duì)LED進(jìn)行調(diào)制，則調(diào)制信號(hào)通過電容耦合到基極，輸出光功率則被電信號(hào)所調(diào)制。 6.2 發(fā)光二極管的應(yīng)用 6.2.1 數(shù)字、文字及圖像顯示 6.2.2 指示、照明 6.2.3 光電開關(guān)、報(bào)警、遙控、耦合 6.2.4 光源 靜態(tài)顯示方式靜態(tài)顯示方式動(dòng)態(tài)顯示方式動(dòng)態(tài)顯示方式藍(lán)、綠、白光LED室外大LED全彩色屏幕L

16、ED交通信號(hào)燈城市建筑裝飾燈光工程花旗銀行大廈白光LED射燈白光白光LED (LED (1998年發(fā)白光的LED開發(fā)成功) 固體冷光源，效率高，綠色環(huán)保 壽命長，可以達(dá)到10萬小時(shí)（連續(xù)10年） 低電壓工作 是照明領(lǐng)域的又一次革命 基于藍(lán)光LED，通過熒光粉激發(fā)出黃光，組合成為白光 通過紅、綠、藍(lán)三種LED組合成為白光 基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光美國國家半導(dǎo)體照明計(jì)劃 從2000年起國家投資5億美元 到2010年 55%的白熾燈和熒光燈被半導(dǎo)體燈取代 每年節(jié)電達(dá)350億美元 2015年形成每年500億美元的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)市場日本21世紀(jì)照明計(jì)劃 投入資金50億日元 到2007

17、年 30%的白熾燈被置換為半導(dǎo)體照明燈存在的問題 價(jià)格過高 發(fā)光效率還不夠高 性價(jià)比低 還不到民眾普及的時(shí)刻 半導(dǎo)體照明的壽命實(shí)際上還涉及多方面的問題，與理論壽命有差距6.4 光電耦合器件 6.4.1、光電耦合器件的結(jié)構(gòu)與電路符號(hào) 將發(fā)光器件與光電接收器件組合成一體，制成具有信號(hào)傳輸功能的器件稱為光電耦合器件。光電耦合器件的發(fā)光件常用LED發(fā)光二極管、LD半導(dǎo)體激光器和微形鎢絲燈等。光電接收器件常用光電二極管、光電三極管、光電池及光敏電阻等。由于光電耦合器件的發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。因此，在實(shí)際應(yīng)用中它具有許多特點(diǎn)，成為重要的器件。 用來制造光電耦合器件的發(fā)光元件與光電接

18、收元件的種類都很多，因而它具有多種類型和多種封裝形式。本節(jié)僅介紹幾種常見的結(jié)構(gòu)。 1、光電耦合器件的結(jié)構(gòu) 光電耦合器件的基本結(jié)構(gòu)如圖6-28所示，圖6-28（a）為發(fā)光器件（發(fā)光二極管）與光電接收器件（光電二極管或光電三極管等）被封裝在黑色樹脂外殼內(nèi)構(gòu)成光電耦合器件。圖6-28（b）者將發(fā)光器件與光電器件封裝在金屬管殼內(nèi)構(gòu)成的光電耦合器件。使發(fā)光器件與光電接收器件靠得很近，但不接觸。 光電耦合器件的電路符號(hào)如圖6-29所示，圖中的發(fā)光二極管泛指一切發(fā)光器件，圖中的光電二極管也泛指一切光電接收器件。 圖6-30所示為幾種不同封裝的光電耦合器，圖中（a）、（b）、（c）分別為三種不同安裝方式光電發(fā)

19、射器件與光電接收器件分別安裝器件的兩臂上，分離尺寸一般在412mm，分開的目的是要檢測兩臂間是否存在物體，以及物體的運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)。這中封裝的器件常被稱為光電開關(guān)。 圖中（d）反光型光電耦合器，LED和光電二極管封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，兩者發(fā)射光軸同接收光軸夾一銳角，LED發(fā)出的光被測物體反射，并被光電二極管接收，構(gòu)成反光型光電耦合器。圖中（e）為另一種反光型光電耦合器，LED和光電二極管平行封裝在一個(gè)殼體內(nèi)，LED發(fā)出的光可以在較遠(yuǎn)的位置上放置的器件反射到光電二極管的光敏面上。顯然，這種反光型光電耦合器要比成銳角的耦合器作用距離遠(yuǎn)。圖中（f）DIP封裝形式的光電耦合器件。這種封裝形式的器件有多種，

20、可將幾組光電耦合器封裝在一片DIP中，用作多路信號(hào)隔離傳輸。 2、 光電耦合器件的特點(diǎn) 具有電隔離的功能 它的輸入、輸出信號(hào)間完全沒有電路的聯(lián)系，所以輸入和輸出回路的電子零位可以任意選擇。絕緣電阻高達(dá)1010l012，擊穿電壓高達(dá)10025kV，耦合電容小于1PF。 信號(hào)傳輸方式 信號(hào)傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。適用于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。 具有抗干擾和噪聲的能力 它作為繼電器和變壓器使用時(shí)，可以使線路板上看不到磁性元件。它不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。 響應(yīng)速度快 即具有耦合特性又具有隔離特性 它能很容易地把不同電位的兩組電路互連起來，圓滿地完成電平匹配、電平轉(zhuǎn)移等功能；

21、 一般可達(dá)微秒數(shù)量級(jí)，甚至納秒數(shù)量級(jí)。它可傳輸?shù)男盘?hào)頻率在直流至10MHz之間。 實(shí)用性強(qiáng) 具有一般固體器件的可靠性，體積小(一般66mm)，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在55+l00之間。 6.4.2、光電耦合器件的特性參數(shù) 光電耦合器件的主要特性為傳輸特性與隔離特性。1、傳輸特性 光電耦合器件的傳輸特性就是輸入與輸出間的特性，它用下列幾個(gè)性能參數(shù)來描述。（1）電流傳輸比 在直流工作狀態(tài)下，光電耦合器件的集電極電流Ic與發(fā)光二極管的注入電流IF之比定義為光電耦合器件的電流傳輸比，用表示。如圖6-31所示為光電耦合器件的輸出特性曲線，在其中部取一工作點(diǎn)Q，它所

22、對(duì)應(yīng)的發(fā)光電流為 IFQ，對(duì)應(yīng)的集電極電流為ICQ， 因此該點(diǎn)的電流傳輸比為Q=ICQ/ IFQ100% （6-19）如果工作點(diǎn)選在靠近截止區(qū)的Q1點(diǎn)時(shí)，雖然發(fā)光電流IF變化了IF，但相應(yīng)的IC1，變化量卻很小。這樣，值很明顯地要變小。同理，當(dāng)工作點(diǎn)選在接近飽和區(qū)Q3點(diǎn)時(shí)，值也要變小。這說明工作點(diǎn)選擇在輸出特性的不同位置時(shí)，就具有不同的值。 因此，在傳送小信號(hào)時(shí)，用直流傳輸比是不恰當(dāng)?shù)?，而?yīng)當(dāng)用所選工作點(diǎn)Q處的小信號(hào)電流傳輸比來計(jì)算。這種以微小變量定義的傳輸比稱為交流電流傳輸比。用來表示。即=Ic/IF100% (6-20) 對(duì)于輸出特性線性度做得比較好的光電耦合器件，值很接近值。在一般的線性

23、狀態(tài)使用中，都盡可能地把工作點(diǎn)設(shè)計(jì)在線性工作區(qū)；對(duì)于開關(guān)使用狀態(tài)，由于不關(guān)心交流與直流電流傳輸比的差別，而且在實(shí)際使用中直流傳輸比又便于測量，因此通常都采用直流電流傳輸比。光電耦合器件的電流傳輸比與三極管的電流放大倍數(shù)都是輸出與輸入電流之比值，但有本質(zhì)的差別。光電耦合器件內(nèi)的輸入電流使發(fā)光二極管發(fā)光，光電耦合器件的輸出電流是光電接收器件（光電二極管或光電三極管）接收到的光產(chǎn)生的光電流，可用IF表示，其中與發(fā)光二極管的發(fā)光效率、光敏三極管的增益及二者之間距離等參數(shù)有關(guān)的系數(shù)，通常稱為光激發(fā)效率。 圖6-32所示為光電耦合器件的電流傳輸比隨發(fā)光電流IF的變化曲線。在IF較小時(shí)，耦合器件的光電接收器

24、件處于截止區(qū)，因此值較??；當(dāng)IF變大后，光電接收器件處于線性工作狀態(tài)，值將隨IF增加，而后，IF再增大，反而會(huì)變小，因?yàn)榘l(fā)光二極管發(fā)出的光不總與電流成正比。圖6-33是隨環(huán)境溫度的變化曲線。 (2) 輸入與輸出間的寄生電容CFC 這是輸入與輸出端之間的寄生電容。當(dāng)CFC變大時(shí)，會(huì)使光電耦合器件的工作頻率下降，也能使其共模抑制比CMRR下降，故后面的系統(tǒng)噪音容易反饋到前面系統(tǒng)中。對(duì)于一般的光電耦合器件，其CFC僅僅為幾個(gè)pF，一般在中頻范圍內(nèi)都不會(huì)影響電路的正常工作，但在高頻電路中就要予以重視了。(3) 最高工作頻率fm 頻率特性分別取決于發(fā)光器件與光電接收器件的頻率特性，由發(fā)光二極管與光電二極

25、管組成的光電耦合器件的頻率響應(yīng)最高，最高工作頻率fm接近于10MHz，其他組合的頻率響應(yīng)相應(yīng)降低。 圖6-35示出了一個(gè)光電耦合器件的頻率曲線。圖中RC為光電耦合器的負(fù)載電阻，顯然，最高工作頻率fm與負(fù)載電阻值有關(guān)。減小負(fù)載電阻會(huì)使光電耦合器件的最高工作頻率fM增高。 （4）脈沖上升時(shí)間tr和 下降時(shí)間tf 光電耦合器在脈沖電壓信號(hào)的作用下的時(shí)間響應(yīng)特性用輸出端的上升時(shí)間tr和下降時(shí)間tf描述。如圖6-36所示為典型光電耦合器件的脈沖響應(yīng)特性曲線。 2、隔離特性 (1) 輸入與輸出間隔離電壓BVCFO 光電耦合器的輸入（發(fā)光器件）與輸出（光電接收器件）的隔離特性可用它們之間的隔離電壓BVCFO

26、來描述。一般低壓使用時(shí)隔離特性都能滿足要求，在高壓使用時(shí)，隔離電壓成為重要的參數(shù)。已經(jīng)可以制造出用于高壓隔離應(yīng)用的耐壓高達(dá)幾千伏或上萬伏的光電耦合器件。 (2)輸入與輸出間的絕緣電阻RFC 光電耦合器隔離特性另一種描述方式是絕緣電阻。光電耦合器的隔離電阻一般在109 1013之間。它與耐壓密切相關(guān)。 3、光電耦合器件的抗干擾特性 (1)光電耦合器件抗干擾強(qiáng)的原因 光電耦合器件的輸入阻抗很低，一般為101k；而干擾源的內(nèi)阻很大，為103106。按分壓比計(jì)算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲變得很小。 由于干擾噪聲源的內(nèi)阻很大，干擾電壓供出的能量卻很小，只能形成很弱的電流。而發(fā)光二極管只有在

27、通過一定的電流時(shí)才能發(fā)光。因此，被它抑制掉。 光電耦合器件的輸入、輸出是用光耦合的，且被密封在管殼內(nèi)，不會(huì)受到外界光的干擾。 光電耦合器件的輸入、輸出間寄生電容很小(為0.5 2pF)，絕緣電阻大(為10111013)，因而輸出系統(tǒng)的各種干擾噪音很難通過光電耦合器件反饋到輸入系統(tǒng)。 (2)光電耦合器件抑制干擾噪聲電平的估算 在向光電耦合器輸送信息(例如矩形脈沖信號(hào))的同時(shí)，不可避免地進(jìn)入干擾信號(hào)。這些干擾信號(hào)由系統(tǒng)自身產(chǎn)生的干擾、電源脈動(dòng)干擾、外界電火花干擾以及繼電器釋放所產(chǎn)生的反電勢(shì)的泄放干擾等。干擾信號(hào)包含各種白噪聲和各種頻率的尖脈沖，其中以繼電器等電磁電器的開關(guān)干擾最為嚴(yán)重。這些干擾信號(hào)

28、的波形如圖6-37（a）所示。設(shè)每個(gè)干擾脈沖寬度為1s，重復(fù)頻率為500kHz。經(jīng)過傅立葉變換，得到含有各種頻率的序列余弦函數(shù) U(t)=A/2+ (2 A/) cos2Ft (2 A/3) cos23Ft+ (2 A/5) cos25Ft (6-21) 由上式可以看出，其的直流分量為 ，交流分量的幅度隨頻率的升高逐級(jí)減弱。 2A可以用一次分量來近似地表示整個(gè)的交流分量 而不會(huì)帶來太大的誤差。 Uf(t)= 2 A/ cos2Ft (6-22) 如圖6-38所示，繼電器開關(guān)干擾常由繞組與接觸點(diǎn)間的寄生電容Cs竄入光電耦合器件的輸入端。圖6-38(b)所示為它的交流等效電路。 設(shè)繼電器繞組與接觸

29、點(diǎn)間的寄生電容Cs為2pF，則等效內(nèi)阻Zo為 )(10212160FCsZ(6-23) 設(shè)使光電耦合的最小輸入電流為1mA，發(fā)光二極管的正向壓降為1V，故，等效輸入阻抗Z=lk。顯然，ZZ。在該回路內(nèi)，當(dāng)瞬時(shí)電流達(dá)到1mA時(shí)，干擾源的基波幅值為 )V(1021)(3ftU(6-24) 根據(jù)式（6-22），可求出使光電耦合器工作的最小電壓脈沖的幅值為 Umin=250V 在實(shí)際應(yīng)用中，繼電器工作在30V以下，繼電器開關(guān)引起的干擾脈沖絕不可能高于250V ，因此，不會(huì)干擾耦合器6.5 光電耦合器件的應(yīng)用 6.5.1、用于電平轉(zhuǎn)換 工業(yè)控制系統(tǒng)所用集成電路的電源電壓和信號(hào)脈沖的幅度常不盡相同，如TT

30、L的電源為5V，HTL為12V，PMOS為22V，CMOS則為520V。如果在系統(tǒng)中必須采用二種集成電路芯片，就必需對(duì)電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便邏輯控制的實(shí)現(xiàn)。 圖6-39所示為利用光電耦合器件實(shí)現(xiàn)PMOS電路的電平與TTL電路電平的轉(zhuǎn)換電路。光電耦合器件不但使前后兩種不同電平的脈沖信號(hào)耦合起來而且使輸入與輸出電路完全隔離。 6.5.2 用于邏輯門電路 利用光電耦合器件可以構(gòu)成各種邏輯電路，圖6-40所示為兩個(gè)光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端Ui1和Ui2同時(shí)輸入高電平1，則兩個(gè)發(fā)光二極管GD1和GD2都發(fā)光，兩個(gè)光敏三極管TD1和TD2都導(dǎo)通，輸出端就呈現(xiàn)高電平“1”。若輸入端Ui1或Ui2中

31、有一個(gè)為低電平“0”，則輸出光電三極管中必有一個(gè)不導(dǎo)通，使得輸出信號(hào)為“0”，故為與門邏輯電路，Uo= Ui1 Ui2。 光電耦合器件還可以構(gòu)成與非、或、或非、異或等邏輯電路。 acdb 圖6-41所示典型應(yīng)用電路中左側(cè)的輸入電路電源為13.5V的HTL邏輯電路，中間的中央運(yùn)算器、處理器等電路為+5V電源，后邊的輸出部分依然為抗干擾特性高的HTL電路。 將這些電源與邏輯電平不同的部分耦合起來需要采用光電耦合器。 輸入信號(hào)經(jīng)光電耦合器送至中央運(yùn)算、處理部分的TTL電路，TTL電路的輸出又通過光電耦合器送到抗干擾能力高的HTL電路，光電耦合器成了TTL和HTL兩種電路的媒介6.5.36.5.3、隔離方面的應(yīng)用、隔離方面的應(yīng)用 有時(shí)為隔離干擾，或者為使高壓電路與低壓信號(hào)分開，可采用光電耦合器。圖6-41所示電路中表明了光電耦合器件的又一個(gè)重要的功能，即隔離功能。在電子計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備相連的情況下，會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)噪聲、接地回路噪聲等問題。為了使