模拟电子技术基础(第2版)第七章光电子器件及其应用课件.ppt

1、7.1 7.1 电光器件及其应用电光器件及其应用7.2 7.2 光电器件及其应用光电器件及其应用7.3 7.3 光电耦合器及其应用光电耦合器及其应用*7.4 7.4 集成光电隔离放大器及其应用集成光电隔离放大器及其应用教学目标教学目标1、了解发光二极管的分类；熟悉电路符号及其特性、应用、了解发光二极管的分类；熟悉电路符号及其特性、应用电路组成；会估算限流电阻。掌握发光二极管使用注意事电路组成；会估算限流电阻。掌握发光二极管使用注意事项，了解项，了解LED数码管、点阵显示器构成及工作原理。数码管、点阵显示器构成及工作原理。2、熟悉光敏二极管图形符号、工作原理，了解其主要参熟悉光敏二极管图形符号、

2、工作原理，了解其主要参数，熟悉使用注意事项。数，熟悉使用注意事项。3、熟悉光敏三极管图形符号，掌握使用方法。、熟悉光敏三极管图形符号，掌握使用方法。4、熟悉光耦合器分类、基本工作原理、电路符号，了解、熟悉光耦合器分类、基本工作原理、电路符号，了解其主要参数，熟悉光耦合器使用注意事项。选学光耦合器其主要参数，熟悉光耦合器使用注意事项。选学光耦合器常用电路组成、工作原理。选学典型集成光隔离放大器及常用电路组成、工作原理。选学典型集成光隔离放大器及其应用。其应用。1 1、电光器件是通过电场或电流激发固体发光材料使之、电光器件是通过电场或电流激发固体发光材料使之产生光辐射，将电能直接转换成光能的器件。

3、这类器件主产生光辐射，将电能直接转换成光能的器件。这类器件主要有发光二极管和半导体激光器等。要有发光二极管和半导体激光器等。2 2、发光二极管的光辐射是自发发射，光谱较宽，但相、发光二极管的光辐射是自发发射，光谱较宽，但相位不一致。位不一致。3 3、激光器发出的光是受激发射的相干光，其光谱宽度、激光器发出的光是受激发射的相干光，其光谱宽度比发光二极管小比发光二极管小1 12 2个数量级。个数量级。7.1 电光器件及其应用电光器件及其应用7.1.1 发光二极管发光二极管 发光二极管（发光二极管（Light emitting diodeLight emitting diode，缩写，缩写LEDLE

4、D）是最常见）是最常见的电的电-光转换器件。光转换器件。一、发光二极管的分类一、发光二极管的分类 (1)(1)按发光颜色划分按发光颜色划分：红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯绿）、蓝光等。(2)(2)按掺或不掺散射剂、有色还是无色划分按掺或不掺散射剂、有色还是无色划分：有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种。其中，散射型发光二极管常用来做指示灯。(3)按发光管出光面特征划分为按发光管出光面特征划分为：圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。其中，圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等，且外形尺寸以3mm、5mm最为常见。国外通常把3m

5、m的发光二极管记作T-1；把5mm的记作T-1（3/4）；把4.4mm的记作T-1（1/4）。(4)按发光强度划分按发光强度划分：普通亮度的LED（发光强度100mcd）；高亮度的LED(发光强度在10100mcd间)。(5)按工作电流划分：按工作电流划分：一般LED(工作电流在十几毫安至几十毫安)；低电流LED(工作电流在2mA以下，其亮度与普通发光管相同）。除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。二、发光二极管的图形符号及特性二、发光二极管的图形符号及特性1发光二极管外形封装、图形符号、伏安特性发光二极管外形封装、图形符号、伏安特性 发光二极管的外形封装、图形符号、伏安特性

6、曲线如图7.1.1所示。当所施加正向电压（UF）未达开启电压时，正向电流IF几乎为零，但电压一旦超过开启电压时，电流急剧上升，电流、电压几乎成线性关系，即发光二极管呈欧姆导通特性。图7.1.1 发光二极管的外形封装、图形符号、伏安特性曲线(a)外形图 (b)图形符号 (c)特性曲线发光二极管图片2发光二极管主要参数发光二极管主要参数 制造LED用的基本半导体材料有GaP、GaAsP、GaALAs等。不同的半导体材料及工艺使发光二极管的颜色、波长、亮度、正向管压降、光功率均不相同。(1)(1)正向电压正向电压 发光二极管的开启电压通常称作正向电压，它大小取决于制作材料。例如GaAsP红色的LED

7、约为1.7V，而GaP绿色的LED则约为2.3V。(2)(2)反向击穿电压反向击穿电压 LED的反向击穿电压一般大于5V，为使LED安全可靠地工作，安全使用电压选择在5V以下 三、发光二极管的驱动三、发光二极管的驱动 发光二极管是一种电流控制器件。正向偏置，且IF在正向工作电流所规定的范围之内，就能发光。其供电电源既可以是直流的也可以是交流的。1 1、直流驱动、直流驱动 (1)直流电源驱动直流电源驱动 发光二极管LED的直流电源驱动电路如图7.1.2a所示。限流电阻R的估算式为 式中，UF为LED正向电压，一般取12V，IF为正向工作电流，UF与IF可从产品手册中查得。FFCCIUVR图7.1

8、.2 发光二极管常见的驱动电路(a)直流电源驱动(b)三极管驱动原理图(c)三极管驱动实用电路 附录B图B.2所示可燃气体报警器电路中，VD6黄色LED驱动电路、VD7红色LED驱动电路与图7.1.2(a)所示电路相同。黄色LED选用2EF841，导通电压为1.9V，A2输出低电平的输出电压UL为0.77V，最大工作电流IFM=30mA。限流电阻R5=220，IIFMLFCCFRUUVmA105符合要求。（2）三极）三极管驱动管驱动 如图7.1.2b所示，流过发光二极管的正向工作电流IF受到三极管V控制，使LED的工作处于可控状态。当三极管V饱和导通时，流过LED的正向工作电流IF经电源电压V

9、CC和集电极电阻R形成，LED发光，当三极管V截止时，流过三极管集电极电流是微小的漏电流，不足以使LED发光，LED熄灭。通过驱动三极管的导通、截止，使LED的工作处于可控状态。图7.1.2（b）所示电路限流电阻R由下式估算 FFCESCCIUUVR式中，UCES为晶体管饱和压降，硅管取0.3V，锗管取0.1V；UF为LED正向工作电压，IF为LED正向工作电流，UF、IF可从产品手册上查得。图7.1.2(c)是截取附录图B.2可燃气体报警器绿色LED驱动电路而得，R11为LED限流电阻，V1饱和导通电压UCES=0.3V，LED选2EF551，查表得：UF=2V，IF=10mA，IFM=50

10、mA，则 50mAmA1027023.0511VRUUVIFCESCCF符合要求。图中，R10为驱动管V1的基极限流电阻，应根据式 CCCCSRVI来估算选用。驱动管V1选9013F，查附录表A-5，=96，则 A193270965VRVIICCCCSBSR10由下式估算 BSFBEDiIUUUUR110式中，Ui为驱动高电平电压，本例取4V；UD为二极管VD13导通电压，硅管取0.7V；UBE1为V1发射结正偏导通电压，硅管取0.7V。代入数据，算得R10=3.11K，为使V1在输入为高电平时可靠饱和导通，所选电阻可略低于估算值，取标称值3K。发光二极管输出的光强度在很宽的电流范围内与流过它

11、的PN结的正向电流成正比，故可利用交流驱动对LED的发光强度作线性调制，且常用于光通信及光耦合隔离电路中。2、交流驱动、交流驱动(1)(1)交流驱动电路交流驱动电路 为使LED输出较大的光功率，必须采用交流电流源来驱动。交流驱动电路如图7.1.3所示，图(a)中的VD对LED起反向保护作用，图(b)的接法可提高电源的利用率。图7.1.3 LED的交流驱动电路（a）二极管反向保护电路 （b）双发光二极管电路 (2)限流电阻估算限流电阻估算 限流电阻R可由下式估算 FFSIUUR2式中,US为交流电源电压的有效值，UF为LED正向工作电压，IF为正向工作电流。7.1.2 发光二极管的应用发光二极管

12、的应用 LED具有体积小、亮度高、工作电压低、功耗小、驱动简单、响应速度快、寿命长、可靠性高、稳定性好、单色性好、色彩鲜艳、小型化而易与集成电路匹配等优点。因此发展、应用前景极为广阔，常用于状态指示、电平指示及信息显示等。一、发光二极管应用示例一、发光二极管应用示例 1.LED电源指示电路电源指示电路 图7.1.4给出了LED作电源通断状态指示的实用电路。图中LED与稳压管串联，它的正向电压作为稳定输出电压的一部分，其中R为限流电阻，LED所发出的光作电源指示。图7.1.4 LED电源指示电路 2.2.音频信号电平指示电路音频信号电平指示电路 电路如图7.1.5所示。它是利用LED的发光特性来

13、对电路中电压或功率的变化作出相应的显示。它用于音响设备中，用来动态指示音响输出信号电压的大小。当输出信号电压大时，亮着的发光二极管数目增多；当输出信号电压小时，亮着的发光二极管数目减少。图7.1.5 音频信号电平指示电路二、发光二极管使用注意事项二、发光二极管使用注意事项 对于全塑形封装的LED，正、负极引脚靠环氧树脂固定，为避免管芯受热损坏和因环氧树脂受热软化致使引脚移动时内引线断开，装配焊接时要注意：第一，印制电路板上LED安装孔应与管子两引脚间距相同，使引脚与环氧树脂管帽不产生应力；第二，焊接所用电烙铁应选25W 以下，焊接点应离管帽4mm以上；第三，焊接时电烙铁接触时间不要超过4s，最

14、好用镊子夹住管脚进行散热。(1)(1)焊接注意事项焊接注意事项(2)(2)驱动电流和限流电阻选择驱动电流和限流电阻选择 要合理选择LED的驱动电流，不能超过允许值，以免PN结结温过高，缩短管子寿命。限流电阻R对保证LED正常工作起决定作用。一旦R值选定，电源VCC值就不能改变，否则将会造成LED发光强度的变化，严重时会损坏LED。7.1.3 LED数码管及其应用数码管及其应用 将发光二极管（LED）制成条状，再按一定方式连接，组成数字8，就构成LED数码管。它是目前较常用的一种数显器件。图7.1.6 LED数码管（a）小型LED数码管 （b)大型LED数码管LED数码管图片 LED数码管分共阳

15、和共阴极两种，外形及结构如图7.1.6所示。ag代表7个笔段的驱动端，DP是小数点。公共阳极的数码管，公共端接高电平，驱动端接低电平；公共阴极的数码管，公共端接低电平，驱动端接高电平。1 1LEDLED数码管按内部电极接法分类数码管按内部电极接法分类2 2按颜色分类按颜色分类LED数码管的颜色有红、橙、黄、绿、蓝等多种。小型LED数码管通常采用双列直插封装；大型LED则采用印刷板插入式，如图7.1.6 b所示。3 3插接方法及封装插接方法及封装 数码管有普通亮度和高亮度之分，后者在大约1mA的工作电流下可发光。4 4按亮度分类按亮度分类5 5数码管与显示器数码管与显示器 一位LED显示器就是通

16、常所说的LED数码管，两位以上的一般称作显示器。根据显示位数的多少，可划分成一位、双位、多位显示器。一位LED显示器就是通常所说的LED数码管，两位以上的一般称作显示器。除显示数字的LED外，还有能显示+、等各种符号和AZ26个英文字母的显示器。1 1LEDLED点阵显示器组成点阵显示器组成 *7.1.4 LED点阵显示器点阵显示器 由LED排列组成矩阵形式用来显示字符、图象等的显示器称为LED点阵显示器。人们用高亮度发光二极管以及含有多只高亮度芯片的平面管作为像素，组成由几万只管子构成的大屏幕显示器。如图7.1.7所示为一个57发光二极管点阵显示器。它能够显示字母、数字、符号等。图7.1.7

17、 57发光二极管点阵显示（a）14脚双列直插式组件（b）示意符号LED点阵图片2 2工作原理工作原理 在这个57发光二极管点阵显示器中，包含36个发光二极管，排列为七行五列，另一个发光二极管是用于小数点的（D.P.）。这个显示器能够显示字母、数字、符号等。把行输入连接到发光二极管的负极，把列输入连接到发光二极管的正极。要产生所需符号，用扫描信号把某些行接至低电平，同时把某些列接至高电平。例如要产生字母F，则需在行列输入线上接如下信号：列1是高电平，同时这个列上的所有七行都是低电平；列2是高电平，同时只有行1和行4是低电平；列3是高电平，同时只有行1 和行4是低电平；列4是高电平，同时只有行1和

18、行4是低电平；列5是高电平，同时只有行1是低电平。把脉冲程序控制连接到列输入线，并使它和向行输入线供给数据的随机存取存储器或固定存储器的寻址同步。如果扫描信号频率是100Hz以上，则发光二极管的闪烁大约是每秒100次，这样人眼感觉光是永远亮着的。图7.1.8 57发光二极管点阵显示符号 （a）字母F （b）其他符号 有些发光二极管点阵显示器在阳极回路中需要外接串联限流电阻器。其他种类的点阵显示器把这些电阻器装在外壳内一起包封（在制造过程中已装配好）。57发光二极管点阵显示器显示符号如图7.1.8所示。光电器件又称光敏器件，能将光能转变成电能，一般以光测控器的形式工作于各种电路和控制系统中，故又

19、称光电探测器。常见光-电器件有光电二极管、光敏三极管、光敏场效应管、光控晶闸管、光敏电阻器、太阳电池等。7.2 7.2 光电器件及其应用光电器件及其应用 一、光电二极管图形符号及工作原理一、光电二极管图形符号及工作原理7.2.17.2.1光电二极管及其应用光电二极管及其应用 光敏二极管亦称光电二极管（Photodiode，缩写PD），为了提高它的工作性能，人们研制出许多性能优良的新品种，如Si光敏二极管、PIN光敏二极管、雪崩光敏二极管、肖特基光敏二极管、HgCdTe光伏二极管等等。它们的结构及制作工艺不同，而工作原理基本相同。半导体光敏器件的基本工作原理是半导体中的光生伏特效应。由于PN结存

20、在内建电场，在受到光照时，便有光电流流过外接电路，即使没有外加偏压，PN结也会产生光生电动势，这种光电效应（Photogalvanic effect）通常称为光生伏特效应。光电二极管有光伏和光电导两种工作模式。1 1光伏、光电导工作模式光伏、光电导工作模式 光电二极管有光伏和光电导两种工作模式。光伏模式不加偏置电压，而光电导模式则要加反向偏置电压。如Si光电二极管工作于光电导工作模式，太阳能电池工作于光伏模式。结型光电二极管图形符号、原理电路、伏安特性如图7.2.1所示。2 2光电二极管图形符号、工作原理、伏安特性。光电二极管图形符号、工作原理、伏安特性。图7.2.1 结型光电二极管及其伏安特

21、性(a)符号 (b)光电导模式 (c)光伏模式 (d)伏安特性光电二极管图片在图7.2.1（b）中，光敏二极管在外加反偏电压的作用下工作于光导模式，当未受光照时即有一微弱的二极管反向漏电流ID（0.3A）称为暗电流(Dark current)流过，该反向漏电流满足普通二极管的伏安特性方程，即 式中，IS为二极管的反向饱和电流，UT为温度的电压当量（常温时为26mV），U为外加负偏压。当有光照时产生光电流IL，其中的负号表示光电流的方向是从二极管的N区流向P区，即与外电路所标注的电流方向相反，IL的值与入射光子数或入射光功率成正比。此时负载RL上的电流为上述两种电流的相量和，即 在图7.2.1（

22、c）中，光敏二极管在无外加偏压下工作于光伏模式，未加光照时电路中无电流流过，当有光照时产生光电流（又称亮电流Photo current），该光电流在外电路的负载RL上产生的光生电压U反过来加于光电二极管上，这等于给PN结加了一个正向偏压，从而在PN结上又会产生正向电流，其表达式如上式ID所示。上述两种电流的叠加就是此时流过负载RL的总电流，其表达式与(7.2.2)式完全一样。光电导模式中的U为外加负偏压，而光伏模式中的U则为正的光生电压。二、硅光敏二极管的内部结构二、硅光敏二极管的内部结构 国产硅光敏二极管按衬底材料的导电类型不同，有2CU和2DU两大系列。其中2CU系列以型硅为衬底，2DU系

23、列为型硅材料为衬底。它们的结构和电路符号如图7.2.2所示。图7.2.2 2CU、2DU系列硅光敏二极管结构（a）2CU系列结构 （b）2DU系列结构 由图可见，CU系列光敏二极管只有两条引出线，而DU系列光敏二极管有三条引出线。从高掺杂型硅区引出电极称为环极。型管加环极的目的是为了减小暗电流和噪声。从图7.2.2可知，光敏二极管的受光面涂有SiO2防反射膜，而SiO2中常含少量的钠、钾、氢等正离子。SiO2为电介质，正离子在其中不能移动，但可使型硅表面产生感应电子层，这一电子层与型硅导电类型相同，可使型硅表面与区连通。当管子加反偏电压时，从前极流出的暗电流为结反向漏电流与表面感应层产生漏电流

24、之和，使暗电流增加。加入环极且把它接到比前极更高电位上，为表面漏电流提供一条不经过负载流至电源的通路。从而达到减小暗电流、减小噪声的目的。如使用时环极悬空，除暗电流和噪声较大外，其他性能均不受影响。2型管反偏时，SiO2膜中正离子静电感应产生的导电层与型衬底相同，不会产生表面漏电流，故不需加环极。(1)灵敏度 它是给定的入射光的光电流与光照功率（或光照强度）的比值，该值愈大愈好，其典型值为0.1A/Ix数量级。(2)光谱范围 指光电二极管入射光允许波长范围一般在0.41.1m之间。(3)峰值波长(Peak wave length)指光电二极管灵敏度最高时入射光的波长。锗管的峰值波长为1.465

25、m，硅管的峰值波长为0.9m。(4)响应时间 指光电二极管将光信号转换成电信号所需要的时间。三、光电二极管主要参数三、光电二极管主要参数四、光电二极管的应用四、光电二极管的应用 1.应用示例应用示例 （1）光电二极管简单应用电路）光电二极管简单应用电路 图7.2.3 光电二极管的简单应用电路 （a）无偏置电路 （b）反向偏置应用电路（c）光电开关电路（d）光控继电器电路 (1)图a为无偏置电路，适用于光伏模式光电二极管，输出电压Uo=IRRL。(2)图b为反向偏置应用电路，光电二极管的响应速度比无偏置电路高几倍，Uo=IRRL。(3)图c中，当光照射PD时，光电流在RB上产生较大电压降，使三极

26、管基极处于低电位，三极管V截止，输出高电平；当无光照时，V导通，输出低电平。(4)图d为光控继电器电路。在无光照时，三极管V截止，继电器KA绕组无电流通过，触点处常开状态。当有光照且达到一定光强时，则V导通，KA吸合，从而实现光电开光控制。由集成运放组成的光电流电压转换电路如图7.2.4所示。图中PD工作于光电导模式。IR为PD受光照时产生的电流。（2）光电流电压转换电路光电流电压转换电路 图7.2.4 光电流电压转换电路 根据虚地、虚断概念有 IF=IR Uo=IFRF故 Uo=IRRL（ISIL）RF式中，IS为光电二极管的反向饱和电流，一般IL IS，所以 UILRF 上式表明输出电压与

27、光照输入关系近乎线性。2.光电二极管使用注意事项光电二极管使用注意事项（1）RL选取时，光导模式光电二极管要保证光电二极管反偏电压不少于5V；当偏置电压小于5V时，光电流与入射光强度不再呈线性关系，使电路性能变坏。同时又不能超过最大反向电压，以免损坏光电二极管。（2）管子的光谱范围应和光源光谱相适应。（3）安装时应使入射光路和管子的受光面垂直，应设法避免管子受外界杂散光的影响。（4）入射光强度要适当，使用的环境温度不宜过高。（5）必须根据不同的用途选择适当的管型，如光控电路中，一般应选灵敏度高的管子。（6）光电二极管管壳必须保持清洁，以保证器件光电灵敏度。管壳脏了，应及时用酒精棉擦拭干净。7.

28、2.2 光电三极管及其应用光电三极管及其应用一、光电三极管的外形、图形符号和等效电路一、光电三极管的外形、图形符号和等效电路 光电三极管又称光敏三极管（Phototran sistor），它的外形、电路符号和等效电路如图7.2.5所示。它可以看作集电结上并联了一个光电二极管的普通三极管。在光照的作用下，光电二极管将光信号转换成电信号，并经三极管放大。图7.2.5 光电三极管的外形图、图形符号和等效电路(a)外形图 (b)图形符号 (c)等效电路 显然在三极管的电流放大系数为时，光敏三极管的光电流要比光敏二极管的光电流大倍。总之，光敏三极管有许多与光电二极管相似的特性与参数。光敏三极管的灵敏度远

29、比光电二极管高，为了进一步提高灵敏度人们制出了达林顿光电三极管，进一步提高了光电流。光电三极管组成的光敏继电器电路如图7.2.6所示。二、光电三极管的应用二、光电三极管的应用图7.2.6 光敏三极管组成的光敏继电器电路（a）高灵敏硅光敏三极管组成的光敏继电器电路（b）复合管放大光敏继电器电路 图a使用了高灵敏硅光敏三极管3DU80B，该管在钨灯（2856K）照度为1000Lx时能提供2mA的光电流，因而可以直接带动灵敏继电器。与继电器线圈并联的二极管在光敏管关断瞬间对它进行保护。若用一普通光敏三极管时，由于灵敏度低一个数量级，因此必须进行放大。图b为简单的达林顿放大电路，3DU32受光照产生的

30、光电流经过一级晶体管放大后便可驱动继电器。图b中的光敏三极管与放大管可用一只达林顿结构的光敏管来代替，如3DU912系列。在使用时，光敏三极管必须外加偏置电路，以保证光敏三极管集电结反偏、发射结正偏；工作时电压、电流、功耗等不允许超过其最大值。其它注意事项与光敏二极管相同，为提高响应速度，可使用基极带引线的光敏三极管，并加上适当偏流。7.3 光耦合器及其应用光耦合器及其应用 7.3.1 光耦合器光耦合器 光电耦合器是将发光和受光器组成一体的以光为媒介用来传输电信号的光电器件。发光器件电光，受光器件光电，实现了电到光、光再电的传输。光是传输的媒介，从而使输入和输出两端实现电气上的绝缘和隔离，输出

31、端对输入端无反馈作用，信号能从输入单向传输到输出，具有抗扰能力强、响应速度快、工作稳定可靠等优点。光电耦合器的分类：光电耦合器的分类：(1)外形划分：外形划分：双列直插型、光纤传输型、同轴型等；(2)功能划分：功能划分：发光部分都用砷化镓红外发光二极管，受光部分有光电二极管型，光电三极管型，达林顿晶体管型，双向晶闸管型，集成电路输出型、高压型、高速型等；当发光器发光二极管中有电流IF流过时，它发出的光照射到施加有偏压的受光器硅光电三极管上，光电三极管就有光电流IL产生。如果发光二极管中没有电流IF流过，即发光二极管不发光，光电三极管就无光电流产生。因此输入电信号可以经过光媒质传输到输出端，实现

32、输入和输出电隔离。一、光耦合器的基本原理一、光耦合器的基本原理图7.3.1 普通光电耦合器 普通光耦合器输入部分是砷化镓红外发光二极管，输出部分是硅光敏三极管，如图7.3.1所示 光耦合器图片 几种常用光电耦合器如图7.3.2所示。它们的发光器均为发光二极管，而受光器有所不同：图a称为光电二极管型光耦合器；图b称为光耦合器或光隔离器；图c为达林顿型光耦合器；图d为双向晶闸管型光耦合器；图e为集成电路光耦合器；图f为光电二极管和半导体管（NPN型）光耦合器，这类光耦合器为高速型光耦合器。图7.3.2 几种常用光电耦合器 光电耦合器的参数可分为输入参数、输出参数和传输参数。输入参数、输出参数和传输

33、参数。二、光耦合器的主要参数二、光耦合器的主要参数(1)输入参数输入参数 光电耦合器的输入参数就是发光二极管的参数。(2)输出参数输出参数 与所用的光电管基本相同，仅对光电流和饱和压 降加以说明。指在由光电三极管构成的光电耦合器中，输入一定电流（一般为20mA），输出回路按规定极性加一定电压（通常为10V），调节负载电阻，使输出电流为一定值（一般为2mA）时，光电耦合器输出的电压。其值通常为0.3V。（1）光电流）光电流（2）饱和压降）饱和压降UCE（sat）指光电耦合器输入一定的电流（一般为10mA）、输出端接有一定负载（约500）、并按规定极性加一定电压（通常为10V）时，在输出端所产生的

34、电流。对于由光电三极管构成的耦合器，光电流为几毫安以上；由光电二极管构成的耦合器，则约为几十到几百微安。3.传输参数传输参数 （1）电流传输比电流传输比CTR 指在直流工作状态下，光电耦合器的输出电流IL与输入电流IF之比值即CTRIL/IF，它的大小反映光电耦合器传输效率的高低。不加复合管时，总是小于1。（2）隔离电阻隔离电阻RISO 指发光二极管与光电管之间的绝缘电阻，反映输入与输出之间的绝缘水平，一般为1091013。（3）极间耐压极间耐压UISO 指发光二极管与光电管之间的绝缘耐压，一般都在500V以上。7.3.2 光耦合器的应用光耦合器的应用一、光耦合器的选用一、光耦合器的选用 光耦

35、合器的实际应用一般分为线性应用和非线性应用。光敏三极管型光耦合器的响应速度快，线性度好，电流传输比CTR小，适用于要求速度快，线性度好，信号较强的场所；达林顿晶体管型光耦合器响应速度慢，线性度好，电流传输比CTR大，适用于小信号场合。因此实际应用中必须根据条件加以合理选用，常见的有4N系列、TLP系列、MOC系列等。光耦合器根据电流传输比和光耦合器发光二极管电流特性曲线不同可分为线性光耦合器和普通光耦合器两种。光耦合器的CRTIF特性曲线如图7.3.3所示，其中虚线为线性光耦合器，实线为普通光耦合器，从图中可以看出普通光耦合器CRTIF特性曲线呈非线性，在IF较小时的非线性失真尤为严重，因此它

36、不适合传输模拟信号。图7.3.3 两种光耦合器的 CRTIF特性曲线 线性光耦合器的CRTIF特性曲线具有良好的线性度，特别是在传输小信号时，其交流传输比 FLIICTR/很接近于直流电流传输比CTR值，可用于模拟信号的传输。线性光耦合器典型产品及主要参数见表7.3.1。这些光耦合器接收管均为光敏三极管。光耦合器的CTR类似于三极管的hfe()，是光耦合器的重要参数。实际的CTR值取决于光耦合器的输入电流和输出电流值与光耦的电源电压值。施加于输出光敏三极管的偏置电压UC值不同，其输出/输入电流比曲线亦不同。典型光敏三极管输出/输入电流比曲线如图7.3.4所示。图7.3.4 不同UC值的输出/输

37、入电流比曲线 国内目前广泛应用的由英国埃索柯姆（Isocom）公司和美国摩托罗拉公司生产的4N系列光耦合器如4N25、4N26、4N35光耦，呈现开关特性，其线性度差，适用于传输数字电路。在开关电源中，光耦合器用在输出电压取样、反馈电路部分，应选用线性光耦合器。注意！由于LED的发光效率和光敏三极管的电流增益变化，各个光敏的实际CTR值可能明显地偏离典型值。光耦合器外接三极管电路有两种基本接法：发射极接地和集电极接地。集电极接地时的开关时间比发射极接地时的开、关时间长，因此响应速度较慢。若需要光耦合器有高速响应特性，宜采用发射极接地电路，常见的基本电路如图7.3.5所示。为了提高开关速度，可以

38、提高光敏二极管的反偏电压，以减小PN结的结电容，从而减小开始的时间常数，如图7.3.5（c）所示。也可采用如图7.3.5（d）、（e）所示的光敏三极管型光耦合器。二、光耦合器的基本电路二、光耦合器的基本电路图7.3.5 光电耦合器的基本电路（a）、（b）光敏二极管耦合型应用电路（c）提高光敏二极管耦合型开关速度电路（d）、（e）光敏三极管型光耦合器应用电路 由光耦合器组成的开关电路如图7.3.6所示。在图（a）中，当输入信号ui为低电平时，三极管V1处于截止状态，光耦合器B1中发光二极管的电流近似为零，输出端Q11、Q12间的电阻很大，相当于开关“断开”；当ui为高电平时，V1导通，B1中发光

39、二极管发光，Q11、Q12间的电阻变小，相当于开关“接通”该电路因ui为低电平时，开关不通，故为高电平导通型开关电路。同理，图7.3.6（b）电路中，因无信号(ui为低电平)时，开关导通，故为低电平导通型开关电路。三、开关电路三、开关电路 图7.3.6 开关电路(a)输入高电平开关导通型 (b)输入低电平开关导通型 光电耦合放大器电路如图7.3.7所示这是一个典型的交流耦合放大电路适当选取发光回路限流电阻Rl，使B3的电流传输比为一常数，即可保证该电路的线性放大作用。四、光耦合放大器四、光耦合放大器 图7.3.7 光耦合放大电路互补式光耦合隔离放大电路如图7.3.8 所示。图7.3.8 互补式

40、光耦合隔离放大电路 运算放大器A1组成输入放大电路，A2组成输出放大电路。B1和B2是特性完全对称的线性光耦合器。B2用作A1和A2间的信号隔离传输，B1为A1的非线性反馈，以弥补B2的非线性。若A1和A2处于理想工作状态，i1=i2，取R2=R3，A1、A2为反相输入放大电路，反相输入端具有“虚地”特性，由电路可得 12110RuRViiPoRRuRVi53210则 iPouRRRu15 由于光耦合器的工作速度远低于运算放大器的工作速度，为此在的反馈支路中加接电容C以改善电路的频率特性，并加接R4和电容C来提高电路的稳定性。但C值过大，会使电路频率上限降低，R4和C值过小，使电路稳定性变差，

41、通常C值取1500pF。该电路的频带可达040kHz，线性度为0.1。五、门厅照明灯自动控制电路五、门厅照明灯自动控制电路 用光电耦合器组成的门厅照明灯自动控制电路如图7.3.9所示。图7.3.9 门厅照明灯自动控制电路五、门厅照明灯自动控制电路五、门厅照明灯自动控制电路 图中S1、S2、S3、S4是四组常开模拟电子开关，当它们控制端（13、12、6、5）达到规定控制电压时，模拟电子开关处于接通状态，而低于开启电压电子开关恢复断开状态。其中S1、S2、S3并联使用，以增加驱动功率和抗干能力，13、12、6端并接后接至由C1、R3组成的延时控制电路。当门关闭时，安装在门框上的常闭型干簧管KD受装

42、在门上磁铁作用，其触点断开，S1、S2、S3处于数据开的状态。当夜间打开门，磁铁远离KD，其触点闭合。此时交流9V电源经整流、滤波后得10.8V直流电压，经R1向C1充电，C1两端电压很快上升到规定开启电压，使S1、S2、S3处于闭合状态，光电耦合器中的发光二极管LED发光，从而触发光控双向晶闸管导通，VT亦导通，H点亮。房门关闭后，控制磁铁KD触点断开，电源停止对C1充电，C1通过R3放电，经过一段时间后，C1两端电压逐渐下降到S1、S2、S3的开启电压以下，S1、S2、S恢复断开状态，导致B6截止，VT亦截止，H熄灭，实现延时关灯功能。R为光敏电阻，与R2、S4等构成环境光线检测电路。当光

43、线很强时，R很小，UR2很高，使S4闭合，短接C1，即使门打开，也不能使S1、S2、S3闭合，无法使H点亮。*7.4 集成光电隔离放大器及其应用集成光电隔离放大器及其应用 集成光电耦合型放大器因其体积小、失调电压低、漂移小、频带宽、漏电流小和价格低等优点，很适合于各种输入、输出间需隔离的应用场合。特别在工业过程控制、电机和晶闸管控制、生物医学测量、测试设备、数据采集和光电变换器等领域得到广泛应用。集成光电耦合型放大器又称集成光电隔离放大器，有较多型号，受篇幅限制，仅以ISO100小型廉价集成光电隔离放大器为例，介绍其内电路、性能及其应用电路设计。7.4.1 ISO100型集成光电隔离放大器性能

44、特点与主要参数型集成光电隔离放大器性能特点与主要参数 一、特点一、特点 ISO100型集成光电隔离放大器应用方法与普通运放类似，既可电流输入，也可电压输入，它的体积小，失调电压低，价格便宜，耐压高达750V以上，而且漏电流极小，240V50Hz时，小于0.3A。二、主要参数二、主要参数 7.4.2 ISO100型集成光电隔离放大器型集成光电隔离放大器内电路、引脚排列与基本接法内电路、引脚排列与基本接法 一、内电路与引脚排列图一、内电路与引脚排列图 图7.4.1 ISO100内电路与引脚图（a）内电路 （b）引脚图 光电隔离放大器ISO100内电路与引脚排列图如图7.4.1所示。其中A1为单位增

45、益电流放大器（电流放大倍数为1）起电流电压转换器作用，IREF1、IREF2为12A基准电流源。光电耦合器由LED与VD1、VD2组成。二、二、IS0100型集成光电隔离放大器的基本接线方法型集成光电隔离放大器的基本接线方法 IS0100型集成光电隔离放大器的基本接线方法有单极性和双极性两种接法。单极性同相放大组态电路如图7.4.2（a）所示。采用这一接法时，输入、输出级的两个恒流源IREF1、IREF2无用，故16脚、8脚分别接输入地和输出地。如外接电路需要恒流源的场合，可将IREF1、IREF2作为独立的精密恒流源使用。图（a）所示电路接法仅能放大单极性的负信号。本电路若为电流输入，输出电

46、压为 FioRIU若为电压输入为Ui，则输出电压为 iFoURRU1图7.4.2 ISO100基本接法（a）同相单极性接法（b）反相同极性接法（c）反相双极性接法 若要在同相输入情况下，既可放大正信号，又可放大负信号，需要对电流源进行改接，将IREF1、IREF2分别接至A1与A2的反相端,以使运放A1的输出端始终能为LED提供激励电流。电路接法参阅图7.4.2（c）。为保证双极性时放大器工作于线性状态，输入电流的变化范围应在10A以内。单极性反相输入组态如图7.4.2（b）所示。该电路只能放大正信号。反相输入双极性放大电路接法如图7.4.2（c）所示。与图(b)不同之处是将两个恒流源IREF

47、1、IREF2分别由接地改接到A1与A2的反相输入端。7.4.3 采用采用IS0100型集成光电隔离放大器应用电路设计注意事项型集成光电隔离放大器应用电路设计注意事项 在用ISO100设计应用电路时，应注意以下问题：(1)因ISO100的18脚可能流过较大的直流电流，故输入回路公共端引脚17应通过独立的引线接到输入地线，而不应与18脚就近短接共用地线，以免引入干扰；(2)信号如通过长线引入，应选用有屏蔽的电缆或双绞线电缆；(3)设计印制板时应注意减少输入、输出间的分布电容；(4)输入、输出两部分的外部元件和导线之间的距离应尽量远，以减少漏电流和高压击穿。(5)必须采用隔离电源供电，即输入、输出

48、正负电源的地线必须是相互隔离的，不能采用同组电源供电。7.4.4 ISO100型集成光电隔离放大器典型应用电路型集成光电隔离放大器典型应用电路 一、光电二极管检测放大电路一、光电二极管检测放大电路 用光敏二极管作为传感器，其电流很小，可用ISO100组成隔离放大电路，因光敏二极管的信号电流是单极性的，采用单极性的光电转换放大电路如图7.4.3所示。图7.4.3 光电转换放大器 电路由隔离电源722供电，使输入级、输出级的电源各自独立。C1为电源去耦滤波电容，选0.47F瓷介电容。CF用于改变放大器的频率特性。通过实际调试RF可取1M的电阻。则输出电压为UOIiRF，变化范围为010V。二、在二

49、、在U/I 变换电路中的应用变换电路中的应用 用ISO100组成U/I变换电路如图7.4.4所示。图7.4.4 U/I变换器电路 它可将50V的电压信号变成420mA的电流信号。16脚基准电流源经电位器RP3（500k）接输入地，电位器滑动臂经R2接ISO100 内部运放A1的反相输入端，调电位器RP3可改变自反相端流入16脚电流的大小，以调整失调及输入电流，使输入信号为0V时，输出电流为20mA。输出端8脚接到7脚，用来吸收输入电压5V时的光电二极管的电流。R4、R5与场效应管组成输出级。R1为满量程调节电位器，取500k。三、三、ISO100型集成光电隔离放大器应用电路设计示例型集成光电隔

50、离放大器应用电路设计示例 1.设计任务 用桥式电阻应变片组成测量电路。要求输出电压范围为010V。已知桥式应变片供电电压为1V时桥式应变片输出电压范围为010mV，设计放大电路。2.设计分析 为使测量放大电路有较强的抗干扰能力，可采用ISO100组成光电隔离放大电路。电桥输出为单极性信号，ISO100内部恒流源IREF不用，可用其中一个IREF和外接一运放组成I/U变换电路。形成1V稳压电源。根据已知条件，100010/10/mVVuuAiou 一级ISO100不能满足要求，可加一级用集成测量放大器组成的放大电路来实现。3.设计说明 根据设计分析，采用精密电桥隔离放大电路如图7.4.5所示，其