高速光耦合器及其開(kāi)關(guān)特性H11LxM、H11NxM

介紹

在光耦合器的歷史上，標準光晶體管與施密特觸發(fā)器輸出光耦合器的數據速度比較是顯而易見(jiàn)的。H11LxM和H11NxM 光耦合器提供了巨大的速度和獲得的改進(jìn)。H11NxM贏(yíng)得了高速比賽，因為它使用了高速和高效的砷化鋁鎵LED源。

這已經(jīng)證明，當以速度、增益和工業(yè)接口為標準時(shí)， H11LxM系列提供了最好的價(jià)值。H11LxM光耦合器使用低電流砷化鎵IR（950 nm）LED作為源，并使用雙極硅放大器作為接收器。這種光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是其界面級轉換的通用性。H11LxM設備可在3V至16 V的電源電壓范圍內工作。在電源電壓為5V的情況下，可達到最佳性能?？梢允褂檬┟芴赜|發(fā)檢測放大器和開(kāi)放集電器輸出。典型的輸出轉換時(shí)間小于50 ns。施密特觸發(fā)器架構還可以在監測緩慢變化的LED電流時(shí)最小化輸出抖動(dòng)。

H11LxM家族成員被分成三個(gè)LED電流閾值箱。H11L1M保持了最敏感的位置，提供了一個(gè)等于或小于1.6 mA的閾值。緊隨其后的是閾值為5 mA的H11L3M，最后是高閾值光耦合器H11L2M，需要10 mA或更多的LED電流來(lái)保證輸出處于低狀態(tài)。這些閾值規格作為指南。所有部件將在低于“最大” 值的電流下切換。但是，建議設備的電流大于“最大”值。10%的“保護帶”補償了短期的溫度和長(cháng)期的LED降解效應。

圖1 開(kāi)關(guān)測試電路和波形

H11LxM家族的光耦器比標準的光晶體管光耦快得多。這種改進(jìn)的速度性能是可能的，給定了多級放大器和施密特觸發(fā)器輸出。該族具有典型的1兆波特的數據能力。這里的關(guān)鍵問(wèn)題是這個(gè)典型的術(shù)語(yǔ)。這意味著(zhù)種群中的許多部分， 但不是所有部分，都能夠支持1μs的通信位時(shí)間。這里的定義是比特時(shí)間和波特率或信號率有1比1的關(guān)系。因此，具有2μs周期的50%工作因子的方波由1μs位次的1010模式組成。在特定的LED操作條件下，H11LxM家族的三個(gè)成員都可以成功地通信1 MBaud的數據速率。

通過(guò)管理峰值LED驅動(dòng)電流來(lái)實(shí)現最佳開(kāi)關(guān)。邏輯開(kāi)關(guān)定時(shí)通常表示為給通過(guò)LED的電流過(guò)渡的輸出過(guò)渡的時(shí)間延遲。切換規范通常是指從輸出從高狀態(tài)切換到低狀態(tài)的傳播延遲，tPHL，并從低狀態(tài)延遲到高狀態(tài)，t普拉.開(kāi)關(guān)測試電路和波形如圖2所示。

表1顯示了在使用10%至25%的LED電流保護帶操作時(shí)，每個(gè)靈敏度箱的典型性能。試驗條件為V抄送= 5 V, RL= 270測試數據采用101010格式的2μs ON和2μs OFF。脈沖寬度失真百分比是基于2μs位時(shí)間。

數據傳播延遲和脈沖寬度失真（PWD）與數據格式有關(guān)。這是由于LED的載波壽命和輸出放大器的存儲時(shí)間。tPHL是與峰值電流有關(guān)的，峰值電流越大，過(guò)渡時(shí)間越快。H11LxM 系列是一個(gè)線(xiàn)性放大器，通常被驅動(dòng)到飽和。這個(gè)飽和的放大器被連接到一個(gè)控制輸出晶體管的施密特觸發(fā)電路上。隨著(zhù)LED電流的增加，放大器被進(jìn)一步驅動(dòng)到飽和。這種超速導致電路中發(fā)現的bjt的基極結中有過(guò)量的存儲電荷。為了關(guān)閉放大器，必須消散多余的基電荷?？紤]到集成電路中的有限電阻，存儲的電荷越多意味著(zhù)關(guān)斷功率越低。上表中的數據說(shuō)明了LED驅動(dòng)和PWD的數據處理。

典型的H11L3M能夠支持一個(gè)1 MBaud串行數據時(shí)鐘，如果一個(gè)人愿意調整，或調整峰值LED電流。下面的圖2顯示了一個(gè)典型的H11L3M，其LED峰值電流為3 mA。

圖2.3 mA峰值LED電流的切換性能

注意，tPHL= 839 ns, t普拉=824 ns， PWD= 15ns。LED 電流的大不足代表了LED的載波壽命。在這種情況下，它在100到150納秒之間。

圖3說(shuō)明了增加LED電流和由此產(chǎn)生的多余電荷，以及更慢的關(guān)閉時(shí)間的影響?，F在與上述評估中使用的H11L3M相同工作時(shí)，峰值電流為5 mA。注意，tPHL已經(jīng)降到了191ns， t普拉已擴展到1180 ns。

圖3.5 mA峰值LED電流的切換性能

PWD大于脈沖周期。如果預期有2μs時(shí)鐘定時(shí)，這個(gè)電路操作將被認為是合適的。前沿大約每2μs重復一次。如果目標是串行數據，那么最大的數據速率將為250 KHz（4μs位時(shí)間）。該數據速率是基于一個(gè)UART或微處理器的串行數據端口的4倍的預期采樣技術(shù)。

圖4顯示了PWD vs.。H11L3M光耦合器的數據速率為1m波特的LED正向電流。一個(gè)標準的測試電路由50個(gè)驅動(dòng)電路和270個(gè)負載組成。該電路用V抄送在5v和10 V兩種條件下。該曲線(xiàn)顯示，PWD與電源電壓的依賴(lài)關(guān)系很小。曲線(xiàn)表明，H11L3M具有4 mA LED正向電流與脈沖畸變的“最佳點(diǎn)”。當前電流下的PWD約為200 ns.

H11L3脈沖寬度失真（PWD）1MBaud vs LED電流和Vcc

IF - LED電流- mA

圖4. PWD與。LED正向電流

可以調整H11L3M的LED正向電流，以操作設備以傳輸1 MBaud數據信令速率。在本研究中使用的設備說(shuō)明了其兼容性。所有的H11L3Ms都能在1兆波特的條件下工作嗎？不實(shí)際上，在最壞情況下，在推薦的LED驅動(dòng)條件為5 mA的條件下，H11L3M的最大數據速率約為200 KBaud。評估表明， H11L1M在其推薦的LED電流下運行時(shí)提供了最緊的PWD。然后，建議該LED正向電流最低的設備進(jìn)行1m波特操作。

回想一下，H11L3M被開(kāi)發(fā)為一個(gè)接口的高噪聲抗噪邏輯(V 抄送= 15 V). 典型的應用是在過(guò)程控制器和被控制的項目之間發(fā)送控制脈沖。