高速光耦合器及其開關特性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器輸出光耦合器的數據速度比較是顯而易見的。H11LxM和H11NxM 光耦合器提供了巨大的速度和獲得的改進。H11NxM贏得了高速比賽，因為它使用了高速和高效的砷化鋁鎵LED源。

這已經證明，當以速度、增益和工業接口為標準時， H11LxM系列提供了最好的價值。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點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|發檢測放大器和開放集電器輸出。典型的輸出轉換時間小于50 ns。施密特觸發器架構還可以在監測緩慢變化的LED電流時最小化輸出抖動。

H11LxM家族成員被分成三個LED電流閾值箱。H11L1M保持了最敏感的位置，提供了一個等于或小于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電流來保證輸出處于低狀態。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期的LED降解效應。

圖1 開關測試電路和波形

H11LxM家族的光耦器比標準的光晶體管光耦快得多。這種改進的速度性能是可能的，給定了多級放大器和施密特觸發器輸出。該族具有典型的1兆波特的數據能力。這里的關鍵問題是這個典型的術語。這意味著種群中的許多部分， 但不是所有部分，都能夠支持1μs的通信位時間。這里的定義是比特時間和波特率或信號率有1比1的關系。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家族的三個成員都可以成功地通信1 MBaud的數據速率。

通過管理峰值LED驅動電流來實現最佳開關。邏輯開關定時通常表示為給通過LED的電流過渡的輸出過渡的時間延遲。切換規范通常是指從輸出從高狀態切換到低狀態的傳播延遲，tPHL，并從低狀態延遲到高狀態，t普拉.開關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，每個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位時間。

數據傳播延遲和脈沖寬度失真（PWD）與數據格式有關。這是由于LED的載波壽命和輸出放大器的存儲時間。tPHL是與峰值電流有關的，峰值電流越大，過渡時間越快。H11LxM 系列是一個線性放大器，通常被驅動到飽和。這個飽和的放大器被連接到一個控制輸出晶體管的施密特觸發電路上。隨著LED電流的增加，放大器被進一步驅動到飽和。這種超速導致電路中發現的bjt的基極結中有過量的存儲電荷。為了關閉放大器，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關斷功率越低。上表中的數據說明了LED驅動和PWD的數據處理。

典型的H11L3M能夠支持一個1 MBaud串行數據時鐘，如果一個人愿意調整，或調整峰值LED電流。下面的圖2顯示了一個典型的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說明了增加LED電流和由此產生的多余電荷，以及更慢的關閉時間的影響?，F在與上述評估中使用的H11L3M相同工作時，峰值電流為5 mA。注意，tPHL已經降到了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時鐘定時，這個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位時間）。該數據速率是基于一個UART或微處理器的串行數據端口的4倍的預期采樣技術。

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。一個標準的測試電路由50個驅動電路和270個負載組成。該電路用V抄送在5v和10 V兩種條件下。該曲線顯示，PWD與電源電壓的依賴關系很小。曲線表明，H11L3M具有4 mA LED正向電流與脈沖畸變的“最佳點”。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？不實際上，在最壞情況下，在推薦的LED驅動條件為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電流下運行時提供了最緊的PWD。然后，建議該LED正向電流最低的設備進行1m波特操作。

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