發(fā)光器件與光電耦合器件概述

1、 通常人們把物體向外發(fā)射出可見光的現(xiàn)象稱為發(fā)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。發(fā)光常分為由物體溫度高于絕對零度而產(chǎn)生物體光。發(fā)光常分為由物體溫度高于絕對零度而產(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。熱輻射和物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)的輻射。前者被稱為前者被稱為熱輻射熱輻射，后者稱為，后者稱為激發(fā)輻射激發(fā)輻射，激發(fā)輻射的，激發(fā)輻射的光源常被稱為光源常被稱為冷光源冷光源。 光源光源熱輻射光源熱輻射光源氣體放電光源氣體放電光源固體發(fā)光光源固體發(fā)光光源激光器激光器太陽太陽白熾燈、鹵鎢燈白熾燈、鹵鎢燈黑體輻射器黑體輻射器汞燈汞燈熒光燈熒光燈鈉燈鈉燈氙燈氙燈金屬鹵化物燈金屬鹵

2、化物燈空心陰極燈空心陰極燈場致發(fā)光燈場致發(fā)光燈發(fā)光二極管發(fā)光二極管氣體激光器氣體激光器固體激光器固體激光器染料激光器染料激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器溫度輻射溫度輻射發(fā)光發(fā)光光致發(fā)光光致發(fā)光陰極射線發(fā)光陰極射線發(fā)光放射線發(fā)光放射線發(fā)光電致發(fā)光電致發(fā)光注入式電發(fā)光注入式電發(fā)光 LED (Light emitting diode)l6.1 發(fā)光二極管的基本工作原理與特性發(fā)光二極管的基本工作原理與特性 6.1.1 6.1.1 發(fā)光二極管的發(fā)光機理發(fā)光二極管的發(fā)光機理 發(fā)光二極管（即發(fā)光二極管（即LEDLED）是一種）是一種注入電致發(fā)光注入電致發(fā)光器件，器件，它由它由 P P型和型和 N N型半導(dǎo)體組

3、合而成。其發(fā)光機理常分為型半導(dǎo)體組合而成。其發(fā)光機理常分為PNPN結(jié)結(jié)( (同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)) )注入發(fā)光注入發(fā)光( (發(fā)生在發(fā)生在p p區(qū)區(qū)) )與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光與異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光( (發(fā)生在發(fā)生在n n區(qū)區(qū)) )兩種。兩種。 本章主要介紹本章主要介紹注入式半導(dǎo)體發(fā)光器件注入式半導(dǎo)體發(fā)光器件(LED(LED、LD)LD)及及光電耦合器件。光電耦合器件。重點：重點： LED、LD的發(fā)光原理及光電耦合器件的應(yīng)用的發(fā)光原理及光電耦合器件的應(yīng)用l1. PN1. PN結(jié)（結(jié)（同質(zhì)結(jié)同質(zhì)結(jié)）注入發(fā)光）注入發(fā)光 PN PN結(jié)處于平衡時，結(jié)處于平衡時，存在一定的勢壘區(qū)，其存在一定的勢壘區(qū)，其能帶如圖能帶如圖6-1

4、 6-1 所示。當(dāng)所示。當(dāng)加正偏壓時，加正偏壓時，PNPN結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)勢勢壘降低壘降低，從擴散區(qū)注入，從擴散區(qū)注入的大量非平衡載流子不的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，并主要斷地復(fù)合發(fā)光，并主要發(fā)生在發(fā)生在p p區(qū)區(qū)。 hu EgEg(b)V(a)pn+EgeVoEFpn+Electron in CBHole in VBEcEvEcEvEFeVoElectron energy問題問題：這和普通二極管的工作狀態(tài)一樣嗎？為什么普通：這和普通二極管的工作狀態(tài)一樣嗎？為什么普通二極管不發(fā)光，而發(fā)光二極管會發(fā)光呢？反向偏置的發(fā)二極管不發(fā)光，而發(fā)光二極管會發(fā)光呢？反向偏置的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？光二極管能發(fā)光嗎

5、？2. 2. 異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光 禁帶寬的禁帶寬的p p區(qū)成為注入源，禁帶窄的區(qū)成為注入源，禁帶窄的n n區(qū)成為載流子復(fù)合發(fā)區(qū)成為載流子復(fù)合發(fā)光的發(fā)光區(qū)光的發(fā)光區(qū). . 由于由于n n區(qū)所發(fā)射的光子能量區(qū)所發(fā)射的光子能量hvhv比比E EG2G2 小得多，它進(jìn)小得多，它進(jìn)入入p p區(qū)不會引起本征吸收而直接透射出去。區(qū)不會引起本征吸收而直接透射出去。l1. 1. 面發(fā)光二極管面發(fā)光二極管 光從尾纖輸出。光從尾纖輸出。有源發(fā)光區(qū)光束的水平、垂直發(fā)散角均為有源發(fā)光區(qū)光束的水平、垂直發(fā)散角均為120120。l2. 邊發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管 邊發(fā)光邊發(fā)光LEDLED的方向性比面發(fā)光器件要好，其

6、發(fā)散角水平的方向性比面發(fā)光器件要好，其發(fā)散角水平方向為方向為25253535，垂直方向為，垂直方向為120120。 l1. 發(fā)光光譜和發(fā)光效率發(fā)光光譜和發(fā)光效率 LEDLED的發(fā)光光譜指的發(fā)光光譜指LEDLED發(fā)出光的相對強度發(fā)出光的相對強度( (或能量或能量) )隨波長隨波長( (或頻率或頻率) )變化的分布曲線。描述光譜分布的兩個主要參量是它的變化的分布曲線。描述光譜分布的兩個主要參量是它的峰值波長和峰值波長和發(fā)光強度的半寬度。發(fā)光強度的半寬度。對對于輻射躍遷所發(fā)射的光于輻射躍遷所發(fā)射的光子，峰值波長由材料的子，峰值波長由材料的禁帶寬度決定。禁帶寬度決定。峰值光子的能量還與溫度有關(guān)，它隨溫

7、度的增加而減峰值光子的能量還與溫度有關(guān)，它隨溫度的增加而減少。在少。在結(jié)溫上升結(jié)溫上升時，譜帶波長以時，譜帶波長以0.20.3nm/0.20.3nm/的比例的比例向向長波方向移動長波方向移動。 發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸入電能之比表示發(fā)光二極管發(fā)射的光通量與輸入電能之比表示發(fā)光發(fā)光效率，效率，單位單位lm/Wlm/W；或光強度與注入電流之比稱為發(fā)光；或光強度與注入電流之比稱為發(fā)光效率，單位為效率，單位為cdcdA A（坎（坎/ /安）。安）。GaAsGaAs紅外發(fā)光二極管紅外發(fā)光二極管的發(fā)光效率由的發(fā)光效率由輸出輻射功率與輸入電功率輸出輻射功率與輸入電功率的百分比表的百分比表示。示。 發(fā)光效率

8、由內(nèi)部量子效率與外部量子效率決定發(fā)光效率由內(nèi)部量子效率與外部量子效率決定。內(nèi)部量子效率為內(nèi)部量子效率為 nrrieoin11nn（61） n neoeo為每秒發(fā)射出的光子數(shù)為每秒發(fā)射出的光子數(shù), ,n ni i為每秒注入到器件的電為每秒注入到器件的電子數(shù)子數(shù), ,r r是輻射復(fù)合的載流子壽命是輻射復(fù)合的載流子壽命, ,rnrn是無輻射復(fù)是無輻射復(fù)合的載流子壽命。只有合的載流子壽命。只有rnrnr r，才能獲得有效，才能獲得有效的光子發(fā)射。的光子發(fā)射。 外部量子效率外部量子效率exex: :單位時間發(fā)射到外部的光子數(shù)單位時間發(fā)射到外部的光子數(shù)n nexex除以除以單位時間內(nèi)注入到器件的電子單位時

9、間內(nèi)注入到器件的電子- -空穴對數(shù)空穴對數(shù)n ninin，即，即exexinn(62) 對對 GaAsGaAs這類直接帶隙半導(dǎo)體，這類直接帶隙半導(dǎo)體，inin可接近可接近100100。但。但exex很小，很小，如如GaPZn-OPZn-O紅光發(fā)射效率紅光發(fā)射效率evev很小，最高為很小，最高為1515；發(fā)綠光的；發(fā)綠光的GaPNGaPN的的evev約為約為0.70.7；對發(fā)紅光的；對發(fā)紅光的 GaAsGaAs0.60.6P P0.40.4，其，其exex約為約為0.40.4；對；對發(fā)紅外光的發(fā)紅外光的InIn0.320.32GaGa0.680.68PTePTe，ZnZn的的evev約為約為 0

10、.10.1。 l2. 時間響應(yīng)特性與溫度特性時間響應(yīng)特性與溫度特性 提高外部量子效率的措施有三條：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（用比空氣折射率高的透明物質(zhì)如環(huán)氧樹脂（n n2 2 =1.55 =1.55）涂）涂敷在發(fā)光二極管上；敷在發(fā)光二極管上； 把晶體表面加工成半球形；把晶體表面加工成半球形； 用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。用禁帶較寬的晶體作為襯底，以減少晶體對光吸收。 響應(yīng)時間是指注入電流后發(fā)光二極管啟亮或去掉電流后發(fā)光二極響應(yīng)時間是指注入電流后發(fā)光二極管啟亮或去掉電流后發(fā)光二極管熄滅的時間管熄滅的時間。發(fā)光二極管的時間響應(yīng)快，短于發(fā)

11、光二極管的時間響應(yīng)快，短于1s1s，比人眼的，比人眼的時間響應(yīng)要快得多，但用作光信號傳遞時，響應(yīng)時間又顯得太長。時間響應(yīng)要快得多，但用作光信號傳遞時，響應(yīng)時間又顯得太長。發(fā)光二極管的響應(yīng)時間取決于注入載流子非發(fā)光復(fù)合的壽命和發(fā)發(fā)光二極管的響應(yīng)時間取決于注入載流子非發(fā)光復(fù)合的壽命和發(fā)光能級上躍遷的幾率。光能級上躍遷的幾率。 通常發(fā)光二極管的通常發(fā)光二極管的外部發(fā)光效率均隨溫外部發(fā)光效率均隨溫度上升而下降。圖度上升而下降。圖6-6 6-6 表示表示GaPGaP（綠色）、（綠色）、GaPGaP（紅色）、（紅色）、GaAsPGaAsP三種發(fā)光二極管的相三種發(fā)光二極管的相對光亮度對光亮度L Le,re,

12、r與溫度與溫度t t的關(guān)系曲線。的關(guān)系曲線。 l3. 發(fā)光亮度與注入電流的關(guān)系發(fā)光亮度與注入電流的關(guān)系 發(fā)光二極管的發(fā)光亮度發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L L是單位是單位面積發(fā)光強度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)面積發(fā)光強度的量度。在輻射發(fā)光發(fā)生在生在P P區(qū)的情況下，發(fā)光亮度區(qū)的情況下，發(fā)光亮度L L與電子與電子擴散電流擴散電流i idndn之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為 ReiLdn(63) 是載流子輻射復(fù)合壽命是載流子輻射復(fù)合壽命R R和非和非輻射復(fù)合壽命輻射復(fù)合壽命nrnr的函數(shù)的函數(shù) l4. 最大工作電流最大工作電流 工作電流工作電流 : : 幾幾mA mA 幾十幾十 mAmA若工作電流較小，若工作電流較小

13、，LEDLED發(fā)光效率隨電流的發(fā)光效率隨電流的增加而明顯增加，但電流增大到一定值時，增加而明顯增加，但電流增大到一定值時，發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨電發(fā)光效率不再增加；相反，發(fā)光效率隨電流的增大而降低。隨著電流密度的增加，流的增大而降低。隨著電流密度的增加，pnpn結(jié)溫度升高，將導(dǎo)致熱擴散，使發(fā)光效結(jié)溫度升高，將導(dǎo)致熱擴散，使發(fā)光效率降低。率降低。 最大電流密度應(yīng)低于最大發(fā)射效率時的值。若最大電流密度應(yīng)低于最大發(fā)射效率時的值。若LEDLED的最大功耗為的最大功耗為P Pmaxmax，則其最大的電流為則其最大的電流為 dddfffdfrPrrIUUrII24)()(max2max（64）

14、 式中，式中，r rd d為為LEDLED的內(nèi)阻；的內(nèi)阻；I If f、U Uf f均為它在較小電流時的電流和壓降。均為它在較小電流時的電流和壓降。 l5. 伏安特性伏安特性 正向電流與電壓的關(guān)系為正向電流與電壓的關(guān)系為 iioexp(qU/mkT)m m為復(fù)合因子。在較寬禁帶的半導(dǎo)體中，當(dāng)電流為復(fù)合因子。在較寬禁帶的半導(dǎo)體中，當(dāng)電流i i0.1mA0.1mA時，通過結(jié)時，通過結(jié)內(nèi)深能級進(jìn)行復(fù)合的空間復(fù)合電流起支配作用，這時內(nèi)深能級進(jìn)行復(fù)合的空間復(fù)合電流起支配作用，這時m m2 2。電流增。電流增大后，擴散電流占優(yōu)勢時，大后，擴散電流占優(yōu)勢時，m m1 1。因而實際測得的。因而實際測得的m m

15、值大小可以標(biāo)值大小可以標(biāo)志器件發(fā)光特性的好壞。志器件發(fā)光特性的好壞。 (65) 4 3 2 1 0 50 100 150 02570電流電流/mA/mA輸出功率輸出功率/ mW/ mWl6. P-I特性特性 l7. 壽命壽命 LEDLED的壽命定義為的壽命定義為亮度降低到原有亮度一半時所經(jīng)歷的時間亮度降低到原有亮度一半時所經(jīng)歷的時間。二。二極管的壽命一般都很長，在電流密度小于極管的壽命一般都很長，在電流密度小于lA/cmlA/cm2 2時，一般可達(dá)時，一般可達(dá)10106 6h h，最長可達(dá)最長可達(dá)10109 9h h。隨著工作時間的加長，亮度下降的現(xiàn)象叫老化。老。隨著工作時間的加長，亮度下降的

16、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，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。壽命變短。 8. 8. 響應(yīng)時間響應(yīng)時間 LEDLED響應(yīng)時間指器件啟亮響應(yīng)時間指器件啟亮( (上升上升) )（發(fā)光亮度從（發(fā)光亮度從1010上升到上升到9090所經(jīng)所經(jīng)歷的時間）與熄滅歷的時間）與熄滅( (衰減衰減) )所經(jīng)歷的時間。實驗證明，所經(jīng)歷的時間。實驗證明，二極管的上升二極管的上升時間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減時間隨電流的增加而近似呈指數(shù)衰減。LEDLED的響應(yīng)時間一般是很短的響應(yīng)時間一般是很短的，如的，如GaAsGaAs1-x1-xP Px

17、 x僅為幾個僅為幾個nsns，GaPGaP約為約為100ns100ns。在用脈沖電流驅(qū)動二。在用脈沖電流驅(qū)動二極管時，脈沖的間隔和占空比必須在器件響應(yīng)時間許可的范圍內(nèi)。極管時，脈沖的間隔和占空比必須在器件響應(yīng)時間許可的范圍內(nèi)。 LED LED工作需要施加工作需要施加正向偏置電正向偏置電壓，壓，以提供驅(qū)動電流。典型的驅(qū)以提供驅(qū)動電流。典型的驅(qū)動電路如圖動電路如圖6-106-10所示，將所示，將LEDLED接入接入到晶體三極管的集電極，通過調(diào)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。在光通信中需求的輻射光功率。在光通信中以以LEDLED為

18、光源的場合，需要對為光源的場合，需要對LEDLED進(jìn)行調(diào)制，則調(diào)制信號通過電容進(jìn)行調(diào)制，則調(diào)制信號通過電容耦合到基極，輸出光功率則被電耦合到基極，輸出光功率則被電信號所調(diào)制。信號所調(diào)制。 。，通過選用不同的材料，通過選用不同的材料，可以實現(xiàn)各種發(fā)光顏色。如采用可以實現(xiàn)各種發(fā)光顏色。如采用GaP:ZnOGaP:ZnO或或GaAaPGaAaP材料材料的紅色的紅色LEDLED，GaAaPGaAaP材料的橙色、黃色材料的橙色、黃色LEDLED，以及，以及GaNGaN藍(lán)藍(lán)色色LEDLED等。而且通過紅、綠、藍(lán)三原色的組合，可以實等。而且通過紅、綠、藍(lán)三原色的組合，可以實現(xiàn)全色化?，F(xiàn)全色化。隨著各種顏色隨

19、著各種顏色LEDLED輝度的迅速提高，輝度的迅速提高，即使在日光下，由即使在日光下，由LEDLED發(fā)出的光也能視認(rèn)。正是基于這發(fā)出的光也能視認(rèn)。正是基于這一優(yōu)勢，在室外用信息板、廣告牌、道路通行狀況告一優(yōu)勢，在室外用信息板、廣告牌、道路通行狀況告示牌等方面的應(yīng)用正迅速擴大。示牌等方面的應(yīng)用正迅速擴大。 l 。在其他顯示器件不能。在其他顯示器件不能使用的極小的范圍內(nèi)也可使用，再加上低電壓、使用的極小的范圍內(nèi)也可使用，再加上低電壓、低電流驅(qū)動的特點，作為電子儀器設(shè)備、家用低電流驅(qū)動的特點，作為電子儀器設(shè)備、家用電器的指示燈、信號燈的使用范圍還會進(jìn)一步電器的指示燈、信號燈的使用范圍還會進(jìn)一步擴大。擴

20、大。l 基本上不需要維修?？勺鳛榈匕濉⒒旧喜恍枰S修?？勺鳛榈匕?、馬路、廣場地面的信號光源，是一個新的應(yīng)用馬路、廣場地面的信號光源，是一個新的應(yīng)用領(lǐng)域。領(lǐng)域。 二、二、 應(yīng)用應(yīng)用l l 利用利用LED進(jìn)行數(shù)字顯示，有點矩陣型和字進(jìn)行數(shù)字顯示，有點矩陣型和字段型兩種方式。段型兩種方式。l點矩陣型數(shù)字顯示點矩陣型數(shù)字顯示 字段型數(shù)字顯示字段型數(shù)字顯示 樹脂樹脂反射框反射框引線框架引線框架LEDLED芯片芯片l LED平面顯示器可分為單片型、混合型及平面顯示器可分為單片型、混合型及點矩陣型等幾大類。點矩陣型等幾大類。 l LED除用做顯示器件外，還可用做各種裝除用做顯示器件外，還可用做各種裝置、系

21、統(tǒng)的光源。置、系統(tǒng)的光源。l5、光電開關(guān)、報警、遙控、耦合光電開關(guān)、報警、遙控、耦合 將將發(fā)光器件與光電接收器件組合成一體發(fā)光器件與光電接收器件組合成一體，制成具，制成具有信號傳輸功能的器件稱為光電耦合器件。光電耦合有信號傳輸功能的器件稱為光電耦合器件。光電耦合器件的發(fā)光件常用器件的發(fā)光件常用LEDLED發(fā)光二極管、發(fā)光二極管、LDLD半導(dǎo)體激光器半導(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。的發(fā)送

22、端與接收端是電、磁絕緣的，只有光信息相連。因此，在實際應(yīng)用中它具有許多特點，成為重要的器因此，在實際應(yīng)用中它具有許多特點，成為重要的器件。件。 l1. 光電耦合器件的結(jié)構(gòu)光電耦合器件的結(jié)構(gòu) l6.4.1 光電耦合器件的結(jié)構(gòu)與電路符號光電耦合器件的結(jié)構(gòu)與電路符號 DIPDIP封裝的光電耦合器件封裝的光電耦合器件l3. 光電耦合器件的特點光電耦合器件的特點 具有電隔離的功能具有電隔離的功能 它的輸入、輸出信號間完全沒有電路的聯(lián)系，也沒有共地。它的輸入、輸出信號間完全沒有電路的聯(lián)系，也沒有共地。絕緣電阻高達(dá)絕緣電阻高達(dá)10101010l0l01212，擊穿電壓高達(dá)，擊穿電壓高達(dá)10010025kV2

23、5kV，耦合電容小，耦合電容小于于1PF1PF。避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。避免了共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。 信號傳輸方式信號傳輸方式 信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。適用于模信號傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。適用于模擬信號和數(shù)字信號。擬信號和數(shù)字信號。 具有抗干擾和噪聲的能力具有抗干擾和噪聲的能力 不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。不受外界電磁干擾、電源干擾和雜光影響。 響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快 既具有耦合特性又具有隔離特性既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

24、平匹配、電平轉(zhuǎn)移等功能；電平匹配、電平轉(zhuǎn)移等功能； 一般可達(dá)微秒數(shù)量級，甚至納秒數(shù)量級。它可傳輸?shù)男盘栴l一般可達(dá)微秒數(shù)量級，甚至納秒數(shù)量級。它可傳輸?shù)男盘栴l率在直流至率在直流至10MHz10MHz之間之間。 實用性強實用性強 具有一般固體器件的可靠性，體積小具有一般固體器件的可靠性，體積小( (一般一般666mm)6mm)，重，重量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作溫量輕，抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作溫度范圍在度范圍在5555+l00+l00之間。之間。 l6.4.2 光電耦合器件的特性參數(shù)光電耦合器件的特性參數(shù) 光電耦合器件的主要特性為光電耦合器件的主要特性

25、為隔離特性與傳輸特性隔離特性與傳輸特性。1.1.傳輸特性傳輸特性 光電耦合器件的傳輸特性就是光電耦合器件的傳輸特性就是輸入與輸出間輸入與輸出間的特性，它用下列的特性，它用下列幾個性能參數(shù)來描述。幾個性能參數(shù)來描述。（1 1）電流傳輸比）電流傳輸比 在直流工作狀態(tài)下，光電耦合器件的在直流工作狀態(tài)下，光電耦合器件的集電極電流集電極電流I Ic c與發(fā)光二極管與發(fā)光二極管的注入電流的注入電流I IF F之比定義為光電耦合器件的電流傳輸比之比定義為光電耦合器件的電流傳輸比，用，用表示。表示。Q點的電流傳輸比為點的電流傳輸比為 Q Q= =I ICQCQ/ / I IFQFQ100% 100% （6-1

26、96-19）在傳送小信號時，用所選工作點在傳送小信號時，用所選工作點Q Q處的處的交流電流傳輸比交流電流傳輸比來表示。來表示。2即即=I Ic c/I IF F100% (6-20)100% (6-20) 對于輸出特性線性度做得比較好的光電耦合器件，對于輸出特性線性度做得比較好的光電耦合器件，值很接值很接近近值。在一般的線性狀態(tài)使用中，都盡可能地把工作點設(shè)計在線值。在一般的線性狀態(tài)使用中，都盡可能地把工作點設(shè)計在線性工作區(qū)；對于開關(guān)使用狀態(tài)，通常都采用直流電流傳輸比性工作區(qū)；對于開關(guān)使用狀態(tài)，通常都采用直流電流傳輸比。 光電耦合器件的光電耦合器件的電流傳輸比與三極管的電流放大倍數(shù)都是輸出電流傳

27、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，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，可用電二極管或光電三極管）接收到的光產(chǎn)生的光電流，可用I IF F表示，表示，其中其中與發(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)，通常稱為離等參數(shù)有關(guān)的系數(shù)，通常稱為光激發(fā)效率光激發(fā)效率。 圖圖6-326-3

28、2所示為光電耦合器件的電流傳輸比所示為光電耦合器件的電流傳輸比隨發(fā)光電流隨發(fā)光電流I IF F的的變化曲線。在變化曲線。在I IF F較小時，耦合器件的光電接收器件處于截止區(qū)，較小時，耦合器件的光電接收器件處于截止區(qū)，因此因此值較小；當(dāng)值較?。划?dāng)I IF F變大后，光電接收器件處于線性工作狀態(tài)，變大后，光電接收器件處于線性工作狀態(tài)，值將隨值將隨I IF F增加，而后，增加，而后，I IF F再增大，再增大，反而會變小，因為發(fā)光二反而會變小，因為發(fā)光二極管發(fā)出的光不總與電流成正比。圖極管發(fā)出的光不總與電流成正比。圖6-336-33是是隨環(huán)境溫度的變化隨環(huán)境溫度的變化曲線曲線。 (2) (2) 輸

29、入與輸出間的寄生電容輸入與輸出間的寄生電容C CFCFC 這是輸入與輸出端之間的寄生電容。當(dāng)這是輸入與輸出端之間的寄生電容。當(dāng)C CFCFC變大時，會使光電變大時，會使光電耦合器件的工作頻率下降，也能使其共模抑制比耦合器件的工作頻率下降，也能使其共模抑制比CMRRCMRR下降，故后下降，故后面的系統(tǒng)噪音容易反饋到前面系統(tǒng)中。對于一般的光電耦合器件，面的系統(tǒng)噪音容易反饋到前面系統(tǒng)中。對于一般的光電耦合器件，其其C CFCFC僅僅為幾個僅僅為幾個pFpF，一般在中頻范圍內(nèi)都不會影響電路的正常工，一般在中頻范圍內(nèi)都不會影響電路的正常工作，但在高頻電路中就要予以重視了。作，但在高頻電路中就要予以重視了

30、。(3) (3) 最高工作頻率最高工作頻率f fm m 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，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管組成的光電耦合器件的頻率響應(yīng)最高，由發(fā)光二極管與光電二極管組成的光電耦合器件的頻率響應(yīng)最高，最高工作頻率最高工作頻率f fm m接近于接近于10MHz10MHz，其他組合的頻率響應(yīng)相應(yīng)降低。，其他組合的頻率響應(yīng)相應(yīng)降低。 圖圖6-35中中R RL L 為光電耦合器的負(fù)載電阻，顯然，最高工作頻率為光電耦合器的負(fù)載電阻，顯然，最高工作頻率f fm m與與負(fù)載電阻值有關(guān)。減小負(fù)載電阻會使光電耦合器件的最高工作頻負(fù)載電阻

31、值有關(guān)。減小負(fù)載電阻會使光電耦合器件的最高工作頻率率f fM M增高。增高。 （4 4）脈沖上升時間）脈沖上升時間t tr r和和 下降時間下降時間t tf f 光電耦合器在脈沖電壓信號的作用下光電耦合器在脈沖電壓信號的作用下的時間響應(yīng)特性用輸出端的上升時間的時間響應(yīng)特性用輸出端的上升時間t tr r和下降時間和下降時間t tf f描述。描述。l2.2.隔離特性隔離特性 (1) (1) 輸入與輸出間隔離電壓輸入與輸出間隔離電壓BVBVCFOCFO 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特性可用它

32、們之間的隔離電壓BVBVCFOCFO來描述。一般低壓使用時隔離特來描述。一般低壓使用時隔離特性都能滿足要求，在高壓使用時，隔離電壓成為重要的參數(shù)。已經(jīng)性都能滿足要求，在高壓使用時，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。合器件。 (2) (2)輸入與輸出間的絕緣電阻輸入與輸出間的絕緣電阻R RFCFC 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器的隔離電阻一般在10109 - 9 - 10101313之間

33、。它與耐壓密切相關(guān)之間。它與耐壓密切相關(guān). .l3.光電耦合器件的抗干擾特性光電耦合器件的抗干擾特性 (1)(1)光電耦合器件抗干擾強的原因光電耦合器件抗干擾強的原因 光電耦合器件的輸入阻抗很低，一般為光電耦合器件的輸入阻抗很低，一般為10-1k10-1k；而干；而干擾源的內(nèi)阻很大，為擾源的內(nèi)阻很大，為10103-3-10106 6。按分壓比計算，能夠饋送到光電。按分壓比計算，能夠饋送到光電耦合器件輸入端的干擾噪聲變得很小。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，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

34、只有在通過一定的電流時才只能形成很弱的電流。而發(fā)光二極管只有在通過一定的電流時才能發(fā)光。因此，被它抑制掉。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)，不會受到外界光的干擾。殼內(nèi)，不會受到外界光的干擾。 光電耦合器件的輸入、輸出間寄生電容很小光電耦合器件的輸入、輸出間寄生電容很小( (為為0.5 - 2pF)0.5 - 2pF)，絕緣電阻大絕緣電阻大( (為為101011-11-10101313)，因而輸出系統(tǒng)的各種干擾噪音很難通，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)。過光電耦合器件

35、反饋到輸入系統(tǒng)。 (2)(2)光電耦合器件抑制干擾噪聲電平的估算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在向光電耦合器輸送信息( (例如矩形脈沖信號例如矩形脈沖信號) )的同時，不可避免的同時，不可避免地進(jìn)入干擾信號。這些干擾信號由系統(tǒng)自身產(chǎn)生的干擾、電源脈動地進(jìn)入干擾信號。這些干擾信號由系統(tǒng)自身產(chǎn)生的干擾、電源脈動干擾、外界電火花干擾以及繼電器釋放所產(chǎn)生的反電勢的泄放干擾干擾、外界電火花干擾以及繼電器釋放所產(chǎn)生的反電勢的泄放干擾等。干擾信號包含各種白噪聲和各種頻率的尖脈沖，且以繼電器等。干擾信號包含各種白噪聲和各種頻率的尖脈沖，且以繼電器等等電磁電器的開關(guān)干擾最為嚴(yán)重。電磁

36、電器的開關(guān)干擾最為嚴(yán)重。經(jīng)計算，可求出使光電耦合器工作的最小電壓脈沖的幅值為經(jīng)計算，可求出使光電耦合器工作的最小電壓脈沖的幅值為 Umin=250V 在實際應(yīng)用中，繼電器開關(guān)引起的干擾脈沖絕不可能高于在實際應(yīng)用中，繼電器開關(guān)引起的干擾脈沖絕不可能高于250V250V ，因此，不會干擾耦合器。因此，不會干擾耦合器。 6.5.1 6.5.1 用于電平轉(zhuǎn)換用于電平轉(zhuǎn)換 圖圖6-396-39所示為利用所示為利用光電耦合器件實現(xiàn)光電耦合器件實現(xiàn)PMOSPMOS電路的電平與電路的電平與TTLTTL電路電平的轉(zhuǎn)換電路。電路電平的轉(zhuǎn)換電路。光電耦合器件不但使光電耦合器件不但使前后兩種不同電平的前后兩種不同電平

37、的脈沖信號耦合起來而脈沖信號耦合起來而且使輸入與輸出電路且使輸入與輸出電路完全隔離。完全隔離。 l6.5.2 用于邏輯門電路用于邏輯門電路 圖圖6-406-40所示為兩個光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端所示為兩個光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端U Ui1i1和和U Ui2i2同時輸入高電平同時輸入高電平11，則兩個發(fā)光二極管，則兩個發(fā)光二極管GDGD1 1和和GDGD2 2都發(fā)光，兩都發(fā)光，兩個光敏三極管個光敏三極管TDTD1 1和和TDTD2 2都導(dǎo)通，輸出端就呈現(xiàn)高電平都導(dǎo)通，輸出端就呈現(xiàn)高電平“1”1”。若輸入。若輸入端端U Ui1i1或或U Ui2i2中有一個為低電平中有一

38、個為低電平“0”0”，則輸出光電三極管中必有一個，則輸出光電三極管中必有一個不導(dǎo)不導(dǎo)通，使得輸出信號為通，使得輸出信號為“0”0”，故，故為與門邏輯電路，為與門邏輯電路，U Uo o= = U Ui1i1 U Ui2i2。 光電耦合器件還可以構(gòu)成光電耦合器件還可以構(gòu)成與與非、或、或非、異或非、或、或非、異或等邏輯電路。等邏輯電路。 l6.5.3 用于開關(guān)電路用于開關(guān)電路 在圖在圖(a)(a)中，當(dāng)無脈沖信號輸入時，三極管中，當(dāng)無脈沖信號輸入時，三極管BGBG處于截止?fàn)顟B(tài)，處于截止?fàn)顟B(tài)，發(fā)光二極管無電流流過不發(fā)光，則發(fā)光二極管無電流流過不發(fā)光，則a a、b b兩端電阻非常大，相兩端電阻非常大，相當(dāng)于開關(guān)當(dāng)于開關(guān)“斷