发光器件与光电耦合器件概述课件

第第6 6章章 发光器件与光电耦合器件发光器件与光电耦合器件 通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体光。发光常分为由物体温度高于绝对零度而产生物体热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。热辐射和物体在特定环境下受外界能量激发的辐射。前者被称为前者被称为热辐射热辐射，后者称为，后者称为激发辐射激发辐射，激发辐射的，激发辐射的光源常被称为。光源常被称为。第6章 发光器件与光电耦合器件 通常人们把物体向外发1光源光源热辐射光源热辐射光源气体放电光源气体放电光源固体发光光源固体发光光源激光器激光器太阳太阳白炽灯、卤钨灯白炽灯、卤钨灯黑体辐射器黑体辐射器汞灯汞灯荧光灯荧光灯钠灯钠灯氙灯氙灯金属卤化物灯金属卤化物灯空心阴极灯空心阴极灯场致发光灯场致发光灯发光二极管发光二极管气体激光器气体激光器固体激光器固体激光器染料激光器染料激光器半导体激光器半导体激光器温度辐射温度辐射发光发光光致发光光致发光阴极射线发光阴极射线发光放射线发光放射线发光电致发光电致发光注入式电发光注入式电发光 光源热辐射光源气体放电光源固体发光光源激光器太阳白炽灯、卤钨2LED(Light emitting diode)LED(Light emitting diode)3l6.1 发光二极管的基本工作原理与特性发光二极管的基本工作原理与特性 6.1.1 6.1.1 发光二极管的发光机理发光二极管的发光机理 发发光光二二极极管管（即即LEDLED）是是一一种种注注入入电电致致发发光光器器件件，它它由由 P P型型和和 N N型型半半导导体体组组合合而而成成。其其发发光光机机理理常常分分为为PNPN结结(同同质质结结)注注入入发发光光(发发生生在在p p区区)与与异异质质结结注注入入发发光光(发生在发生在n n区区)两种。两种。本章主要介绍本章主要介绍注入式半导体发光器件注入式半导体发光器件(LED(LED、LD)LD)及及光电耦合器件。光电耦合器件。重点：重点：LED、LD的发光原理及光电耦合器件的应用的发光原理及光电耦合器件的应用6.1 发光二极管的基本工作原理与特性 6.1.1 发光4l1.PN1.PN结（结（同质结同质结）注入发光）注入发光 PN PN结处于平衡时，结处于平衡时，存在一定的势垒区，其存在一定的势垒区，其能带如图能带如图6-1 6-1 所示。当所示。当加正偏压时，加正偏压时，PNPN结区结区势势垒降低垒降低，从扩散区注入，从扩散区注入的大量非平衡载流子不的大量非平衡载流子不断地复合发光，并主要断地复合发光，并主要发生在发生在p p区区。1.PN结（同质结）注入发光 PN结处于平衡时5hu EgEg(b)V(a)pn+EgeVoEFpn+Electron in CBHole in VBEcEvEcEvEFeVoElectron energy问题问题：这和普通二极管的工作状态一样吗？为什么普通：这和普通二极管的工作状态一样吗？为什么普通二极管不发光，而发光二极管会发光呢？反向偏置的发二极管不发光，而发光二极管会发光呢？反向偏置的发光二极管能发光吗？光二极管能发光吗？hu EgEg(b)V(a)pn+EgeVoEFpn+E62.2.异质结注入发光异质结注入发光 禁带宽的禁带宽的p p区成为注入源，禁带窄的区成为注入源，禁带窄的n n区成为载流子复合发区成为载流子复合发光的发光区光的发光区.由于由于n n区所发射的光子能量区所发射的光子能量hvhv比比E EG2G2 小得多，它进小得多，它进入入p p区不会引起本征吸收而直接透射出去。区不会引起本征吸收而直接透射出去。2.异质结注入发光 禁带宽的p区成为注入源，禁带窄的n区76.1.2 6.1.2 基本结构基本结构(面发光和边发光面发光和边发光)l1.1.面发光二极管面发光二极管 光从尾纤输出。光从尾纤输出。有源发光区光束的水平、垂直发散角均为有源发光区光束的水平、垂直发散角均为120120。6.1.2 基本结构(面发光和边发光)1.面发光二极管8l2.边发光二极管边发光二极管 边发光边发光LEDLED的方向性比面发光器件要好，其发散角水平的方向性比面发光器件要好，其发散角水平方向为方向为25253535，垂直方向为，垂直方向为120120。2.边发光二极管 边发光LED的方向性比面发光器件要好，其96.1.3 LED6.1.3 LED的特性参数的特性参数 l1.发光光谱和发光效率发光光谱和发光效率 LEDLED的发光光谱指的发光光谱指LEDLED发出光的相对强度发出光的相对强度(或能量或能量)随波长随波长(或频率或频率)变化的分布曲线。描述光谱分布的两个主要参量是它的变化的分布曲线。描述光谱分布的两个主要参量是它的峰值波长和峰值波长和发光强度的半宽度。发光强度的半宽度。对对于辐射跃迁所发射的光于辐射跃迁所发射的光子，峰值波长由材料的子，峰值波长由材料的禁带宽度决定。禁带宽度决定。6.1.3 LED的特性参数 1.发光光谱和发光效率10峰峰值值光光子子的的能能量量还还与与温温度度有有关关，它它随随温温度度的的增增加加而而减减少少。在在结结温温上上升升时时，谱谱带带波波长长以以0.20.3nm/0.20.3nm/的的比比例例向向长波方向移动长波方向移动。发光二极管发射的光通量与输入电能之比表示发光二极管发射的光通量与输入电能之比表示发光发光效率，效率，单位单位lm/Wlm/W；或光强度与注入电流之比称为发光；或光强度与注入电流之比称为发光效率，单位为效率，单位为cdcdA A（坎（坎/安）。安）。GaAsGaAs红外发光二极管红外发光二极管的发光效率由的发光效率由输出辐射功率与输入电功率输出辐射功率与输入电功率的百分比表的百分比表示。示。峰值光子的能量还与温度有关，它随温度的增加而减少。在结温上升11 发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。内部量子效率为内部量子效率为 （61）n neoeo为每秒发射出的光子数为每秒发射出的光子数,n ni i为每秒注入到器件的电为每秒注入到器件的电子数子数,r r是辐射复合的载流子寿命是辐射复合的载流子寿命,rnrn是无辐射复是无辐射复合的载流子寿命。只有合的载流子寿命。只有rnrnr r，才能获得有效，才能获得有效的光子发射。的光子发射。发光效率由内部量子效率与外部量子效率决定。（61）12外部量子效率外部量子效率exex:单位时间发射到外部的光子数单位时间发射到外部的光子数n nexex除以除以单位时间内注入到器件的电子单位时间内注入到器件的电子-空穴对数空穴对数n ninin，即，即(62)对对 GaAs GaAs这类直接带隙半导体，这类直接带隙半导体，inin可接近可接近100100。但。但exex很小，很小，如如GaPZn-OPZn-O红光发射效率红光发射效率evev很小，最高为很小，最高为1515；发绿光的；发绿光的GaPNGaPN的的evev约为约为0.70.7；对发红光的；对发红光的 GaAs GaAs0.60.6P P0.40.4，其，其exex约为约为0.40.4；对发红外光的对发红外光的InIn0.320.32GaGa0.680.68PTePTe，ZnZn的的evev约为约为 0.1 0.1。外部量子效率ex:单位时间发射到外部的光子数nex除以单位13l2.时间响应特性与温度特性时间响应特性与温度特性 提高外部量子效率的措施有三条：提高外部量子效率的措施有三条：用用比比空空气气折折射射率率高高的的透透明明物物质质如如环环氧氧树树脂脂（n n2 2 =1.55=1.55）涂涂敷在发光二极管上；敷在发光二极管上；把晶体表面加工成半球形；把晶体表面加工成半球形；用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。用禁带较宽的晶体作为衬底，以减少晶体对光吸收。响响应应时时间间是是指指注注入入电电流流后后发发光光二二极极管管启启亮亮或或去去掉掉电电流流后后发发光光二二极极管管熄熄灭灭的的时时间间。发发光光二二极极管管的的时时间间响响应应快快，短短于于1s1s，比比人人眼眼的的时时间间响响应应要要快快得得多多，但但用用作作光光信信号号传传递递时时，响响应应时时间间又又显显得得太太长长。发发光光二二极极管管的的响响应应时时间间取取决决于于注注入入载载流流子子非非发发光光复复合合的的寿寿命命和和发发光能级上跃迁的几率。光能级上跃迁的几率。2.时间响应特性与温度特性 提高外部量子效率的措施14 通常发光二极管的通常发光二极管的外部发光效率均随温外部发光效率均随温度上升而下降。图度上升而下降。图6-6 6-6 表示表示GaPGaP（绿色）、（绿色）、GaPGaP（红色）、（红色）、GaAsPGaAsP三种发光二极管的相三种发光二极管的相对光亮度对光亮度L Le,re,r与温度与温度t t的关系曲线。的关系曲线。通常发光二极管的外部发光效率均随温度上升而下降。图6615l3.发光亮度与注入电流的关系发光亮度与注入电流的关系 发光二极管的发光亮度发光二极管的发光亮度L L是单位是单位面积发光强度的量度。在辐射发光发面积发光强度的量度。在辐射发光发生在生在P P区的情况下，发光亮度区的情况下，发光亮度L L与电子与电子扩散电流扩散电流i idndn之间的关系为之间的关系为 (63)是载流子辐射复合寿命是载流子辐射复合寿命R R和非和非辐射复合寿命辐射复合寿命nrnr的函数的函数 3.发光亮度与注入电流的关系 发光二极管的发光亮度16l4.最大工作电流最大工作电流 工作电流工作电流:几几mA mA 几十几十 mA mA若工作电流较小，若工作电流较小，LEDLED发光效率随电流的发光效率随电流的增加而明显增加，但电流增大到一定值时，增加而明显增加，但电流增大到一定值时，发光效率不再增加；相反，发光效率随电发光效率不再增加；相反，发光效率随电流的增大而降低。随着电流密度的增加，流的增大而降低。随着电流密度的增加，pnpn结温度升高，将导致热扩散，使发光效结温度升高，将导致热扩散，使发光效率降低。率降低。最大电流密度应低于最大发射效率时的值。若最大电流密度应低于最大发射效率时的值。若LEDLED的最大功耗为的最大功耗为P Pmaxmax，则其最大的电流为，则其最大的电流为 （64）式中，式中，r rd d为为LEDLED的内阻；的内阻；I If f、U Uf f均为它在较小电流时的电流和压降。均为它在较小电流时的电流和压降。4.最大工作电流 工作电流:几mA 几十 mA最17l5.伏安特性伏安特性 正向电流与电压的关系为正向电流与电压的关系为 iioexp(qU/mkT)m m为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流为复合因子。在较宽禁带的半导体中，当电流i i0.1mA0.1mA时，通过结时，通过结内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时内深能级进行复合的空间复合电流起支配作用，这时m m2 2。电流增。电流增大后，扩散电流占优势时，大后，扩散电流占优势时，m m1 1。因而实际测得的。因而实际测得的m m值大小可以标值大小可以标志器件发光特性的好坏。志器件发光特性的好坏。(65)5.伏安特性 正向电流与电压的关系为 iioexp(qU184 3 2 1 0 50 100 150 02570电流电流/mA/mA输出功率输出功率/mW/mWl6.P-I特性特性 4 3 2 1 0 5019l7.寿命寿命 LEDLED的寿命定义为的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于极管的寿命一般都很长，在电流密度小于lA/cmlA/cm2 2时，一般可达时，一般可达10106 6h h，最长可达，最长可达10109 9h h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变快，老化的快慢与工作电流密度有关。随着电流密度的加大，老化变快，寿命变短。寿命变短。8.8.响应时间响应时间 LEDLED响应时间指器件启亮响应时间指器件启亮(上升上升)（发光亮度从（发光亮度从1010上升到上升到9090所经所经历的时间）与熄灭历的时间）与熄灭(衰减衰减)所经历的时间。实验证明，所经历的时间。实验证明，二极管的上升二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减时间随电流的增加而近似呈指数衰减。LEDLED的响应时间一般是很短的响应时间一般是很短的，如的，如GaAsGaAs1-x1-xP Px x仅为几个仅为几个nsns，GaPGaP约为约为100ns100ns。在用脉冲电流驱动二。在用脉冲电流驱动二极管时，脉冲的间隔和占空比必须在器件响应时间许可的范围内。极管时，脉冲的间隔和占空比必须在器件响应时间许可的范围内。7.寿命 LED的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时206.1.4 6.1.4 驱动电路驱动电路 LED LED工作需要施加工作需要施加正向偏置电正向偏置电压，压，以提供驱动电流。典型的驱以提供驱动电流。典型的驱动电路如图动电路如图6-106-10所示，将所示，将LEDLED接入接入到晶体三极管的集电极，通过调到晶体三极管的集电极，通过调节三极管基极偏置电压，可获得节三极管基极偏置电压，可获得需求的辐射光功率。在光通信中需求的辐射光功率。在光通信中以以LEDLED为光源的场合，需要对为光源的场合，需要对LEDLED进行调制，则调制信号通过电容进行调制，则调制信号通过电容耦合到基极，输出光功率则被电耦合到基极，输出光功率则被电信号所调制。信号所调制。6.1.4 驱动电路 LED工作需要施加正向偏置电21 6.26.2 LEDLED的特点及应用的特点及应用l l一、特点一、特点一、特点一、特点l l1 1 1 1、LEDLEDLEDLED辐射光为辐射光为辐射光为辐射光为非相干光，光谱较宽，发散角大非相干光，光谱较宽，发散角大非相干光，光谱较宽，发散角大非相干光，光谱较宽，发散角大。l l2 2 2 2、LEDLEDLEDLED的的的的发发发发光光光光颜颜颜颜色色色色非非非非常常常常丰丰丰丰富富富富，通通过过选选用用不不同同的的材材料料，可可以以实实现现各各种种发发光光颜颜色色。如如采采用用GaP:ZnOGaP:ZnO或或GaAaPGaAaP材材料料的的红红色色LEDLED，GaAaPGaAaP材材料料的的橙橙色色、黄黄色色LEDLED，以以及及GaNGaN蓝蓝色色LEDLED等等。而而且且通通过过红红、绿绿、蓝蓝三三原原色色的的组组合合，可可以以实实现全色化。现全色化。l l3 3 3 3、LEDLEDLEDLED的的的的辉辉辉辉度度度度高高高高。随随着着各各种种颜颜色色LEDLED辉辉度度的的迅迅速速提提高高，即即使使在在日日光光下下，由由LEDLED发发出出的的光光也也能能视视认认。正正是是基基于于这这一一优优势势，在在室室外外用用信信息息板板、广广告告牌牌、道道路路通通行行状状况况告告示牌等方面的应用正迅速扩大。示牌等方面的应用正迅速扩大。6.2 LED的特点及应用22 l 4、LED的的单单元元体体积积小小。在在其其他他显显示示器器件件不不能能使使用用的的极极小小的的范范围围内内也也可可使使用用，再再加加上上低低电电压压、低低电电流流驱驱动动的的特特点点，作作为为电电子子仪仪器器设设备备、家家用用电电器器的的指指示示灯灯、信信号号灯灯的的使使用用范范围围还还会会进进一一步步扩大。扩大。l 5、寿寿命命长长，基基本本上上不不需需要要维维修修。可可作作为为地地板板、马马路路、广广场场地地面面的的信信号号光光源源，是是一一个个新新的的应应用用领域。领域。23 二、二、应用应用l 1、指示灯指示灯l l 2、数字显示数字显示用显示器用显示器 l 利用利用LED进行数字显示，有点矩阵型和字进行数字显示，有点矩阵型和字段型两种方式。段型两种方式。l点矩阵型数字显示点矩阵型数字显示 字段型数字显示字段型数字显示 树脂树脂反射框反射框引线框架引线框架LEDLED芯片芯片 二、应用树脂反射框引线框架LED芯片24l l3、平面显示器平面显示器l LED平面显示器可分为单片型、混合型及平面显示器可分为单片型、混合型及点矩阵型等几大类。点矩阵型等几大类。l l4、光源光源 l LED除用做显示器件外，还可用做各种装除用做显示器件外，还可用做各种装置、系统的光源。置、系统的光源。l5、光电开关、报警、遥控、耦合光电开关、报警、遥控、耦合 3、平面显示器256.4 6.4 光电耦合器件光电耦合器件 将将发发光光器器件件与与光光电电接接收收器器件件组组合合成成一一体体，制制成成具具有有信信号号传传输输功功能能的的器器件件称称为为光光电电耦耦合合器器件件。光光电电耦耦合合器器件件的的发发光光件件常常用用LEDLED发发光光二二极极管管、LDLD半半导导体体激激光光器器和和微微形形钨钨丝丝灯灯等等。光光电电接接收收器器件件常常用用光光电电二二极极管管、光光电电三三极极管管、光光电电池池及及光光敏敏电电阻阻等等。由由于于光光电电耦耦合合器器件件的的发发送送端端与与接接收收端端是是电电、磁磁绝绝缘缘的的，只只有有光光信信息息相相连连。因因此此，在在实实际际应应用用中中它它具具有有许许多多特特点点，成成为为重重要要的的器器件。件。6.4 光电耦合器件 将发光器件与光电接收器件组合成26l1.光电耦合器件的结构光电耦合器件的结构 l6.4.1 光电耦合器件的结构与电路符号光电耦合器件的结构与电路符号 1.光电耦合器件的结构 6.4.1 光电耦合器件的结构与27发光器件与光电耦合器件概述课件28DIPDIP封装的光电耦合器件封装的光电耦合器件DIP封装的光电耦合器件29l3.光电耦合器件的特点光电耦合器件的特点 具有电隔离的功能具有电隔离的功能 它的输入、输出信号间完全没有电路的联系，也没有共地。绝它的输入、输出信号间完全没有电路的联系，也没有共地。绝缘电阻高达缘电阻高达10101010l0l01212，击穿电压高达，击穿电压高达10010025kV25kV，耦合电容小于，耦合电容小于1PF1PF。避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。信号传输方式信号传输方式 信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用。适用于模信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用。适用于模拟信号和数字信号。拟信号和数字信号。具有抗干扰和噪声的能力具有抗干扰和噪声的能力 不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。3.光电耦合器件的特点 具有电隔离的功能 它的30 响应速度快响应速度快 既具有耦合特性又具有隔离特性既具有耦合特性又具有隔离特性 它能很容易地把不同电位的两组电路互连起来，圆满地完成电它能很容易地把不同电位的两组电路互连起来，圆满地完成电平匹配、电平转移等功能；平匹配、电平转移等功能；一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级。它可传输的信号频率一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级。它可传输的信号频率在直流至在直流至10MHz10MHz之间之间。实用性强实用性强 具有一般固体器件的可靠性，体积小具有一般固体器件的可靠性，体积小(一般一般66mm)66mm)，重，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温度范围在度范围在5555+l00+l00之间。之间。响应速度快 31l6.4.2 光电耦合器件的特性参数光电耦合器件的特性参数 光电耦合器件的主要特性为光电耦合器件的主要特性为隔离特性与传输特性隔离特性与传输特性。1.1.传输特性传输特性 光电耦合器件的传输特性就是光电耦合器件的传输特性就是输入与输出间输入与输出间的特性，它用下列的特性，它用下列几个性能参数来描述。几个性能参数来描述。（1 1）电流传输比）电流传输比 在直流工作状态下，光电耦合器件的在直流工作状态下，光电耦合器件的集电极电流集电极电流I Ic c与发光二极管与发光二极管的注入电流的注入电流I IF F之比定义为光电耦合器件的电流传输比之比定义为光电耦合器件的电流传输比，用，用表示。表示。6.4.2 光电耦合器件的特性参数 光电耦合器件的主要特性32Q点的电流传输比为点的电流传输比为 Q Q=I ICQCQ/I IFQFQ100%100%（6-196-19）在传送小信号时，用所选工作点在传送小信号时，用所选工作点Q Q处的处的交流电流传输比交流电流传输比来表示。来表示。2Q点的电流传输比为 Q=ICQ/IFQ100%33即即=I Ic c/I IF F100%(6-20)100%(6-20)对于输出特性线性度做得比较好的光电耦合器件，对于输出特性线性度做得比较好的光电耦合器件，值很接值很接近近值。在一般的线性状态使用中，都尽可能地把工作点设计在线值。在一般的线性状态使用中，都尽可能地把工作点设计在线性工作区；对于开关使用状态，通常都采用直流电流传输比性工作区；对于开关使用状态，通常都采用直流电流传输比。光电耦合器件的光电耦合器件的电流传输比与三极管的电流放大倍数都是输出电流传输比与三极管的电流放大倍数都是输出与输入电流之比值与输入电流之比值，但有本质的差别。光电耦合器件内的输入电流，但有本质的差别。光电耦合器件内的输入电流使发光二极管发光，光电耦合器件的输出电流是光电接收器件（光使发光二极管发光，光电耦合器件的输出电流是光电接收器件（光电二极管或光电三极管）接收到的光产生的光电流，可用电二极管或光电三极管）接收到的光产生的光电流，可用I IF F表示，表示，其中其中与发光二极管的发光效率、光敏三极管的增益及二者之间距与发光二极管的发光效率、光敏三极管的增益及二者之间距离等参数有关的系数，通常称为离等参数有关的系数，通常称为光激发效率光激发效率。即34 图图6-326-32所所示示为为光光电电耦耦合合器器件件的的电电流流传传输输比比随随发发光光电电流流I IF F的的变变化化曲曲线线。在在I IF F较较小小时时，耦耦合合器器件件的的光光电电接接收收器器件件处处于于截截止止区区，因因此此值值较较小小；当当I IF F变变大大后后，光光电电接接收收器器件件处处于于线线性性工工作作状状态态，值值将将随随I IF F增增加加，而而后后，I IF F再再增增大大，反反而而会会变变小小，因因为为发发光光二二极极管管发发出出的的光光不不总总与与电电流流成成正正比比。图图6-336-33是是随随环环境境温温度度的的变变化化曲线曲线。图632所示为光电耦合器件的电流传输比随发光电流35 (2)(2)输入与输出间的寄生电容输入与输出间的寄生电容C CFCFC 这是输入与输出端之间的寄生电容。当这是输入与输出端之间的寄生电容。当C CFCFC变大时，会使光电耦变大时，会使光电耦合器件的工作频率下降，也能使其共模抑制比合器件的工作频率下降，也能使其共模抑制比CMRRCMRR下降，故后面下降，故后面的系统噪音容易反馈到前面系统中。对于一般的光电耦合器件，的系统噪音容易反馈到前面系统中。对于一般的光电耦合器件，其其C CFCFC仅仅为几个仅仅为几个pFpF，一般在中频范围内都不会影响电路的正常工，一般在中频范围内都不会影响电路的正常工作，但在高频电路中就要予以重视了。作，但在高频电路中就要予以重视了。(3)(3)最高工作频率最高工作频率f fm m 频率特性分别取决于发光器件与光电接收器件的频率特性，由频率特性分别取决于发光器件与光电接收器件的频率特性，由发光二极管与光电二极管组成的光电耦合器件的频率响应最高，最发光二极管与光电二极管组成的光电耦合器件的频率响应最高，最高工作频率高工作频率f fm m接近于接近于10MHz10MHz，其他组合的频率响应相应降低。，其他组合的频率响应相应降低。(2)输入与输出间的寄生电容CFC(3)最高工作频36图图6-35中中R RL L 为光电耦合器的负载电阻，显然，最高工作频率为光电耦合器的负载电阻，显然，最高工作频率f fm m与负与负载电阻值有关。减小负载电阻会使光电耦合器件的最高工作频率载电阻值有关。减小负载电阻会使光电耦合器件的最高工作频率f fM M增高。增高。（4 4）脉冲上升时间）脉冲上升时间t tr r和和 下降时间下降时间t tf f 光电耦合器在脉冲电压信号的作用下光电耦合器在脉冲电压信号的作用下的时间响应特性用输出端的上升时间的时间响应特性用输出端的上升时间t tr r和下降时间和下降时间t tf f描述。描述。图635中RL 为光电耦合器的负载电阻，显然，最高工作频率37l2.2.隔离特性隔离特性 (1)(1)输入与输出间隔离电压输入与输出间隔离电压BVBVCFOCFO 光电耦合器的输入（发光器件）与输出（光电接收器件）的隔离光电耦合器的输入（发光器件）与输出（光电接收器件）的隔离特性可用它们之间的隔离电压特性可用它们之间的隔离电压BVBVCFOCFO来描述。一般低压使用时隔离特来描述。一般低压使用时隔离特性都能满足要求，在高压使用时，隔离电压成为重要的参数。已经性都能满足要求，在高压使用时，隔离电压成为重要的参数。已经可以制造出用于高压隔离应用的耐压高达几千伏或上万伏的光电耦可以制造出用于高压隔离应用的耐压高达几千伏或上万伏的光电耦合器件。合器件。(2)(2)输入与输出间的绝缘电阻输入与输出间的绝缘电阻R RFCFC 光电耦合器隔离特性另一种描述方式是绝缘电阻。光电耦合器光电耦合器隔离特性另一种描述方式是绝缘电阻。光电耦合器的隔离电阻一般在的隔离电阻一般在10109-9-10101313之间。它与耐压密切相关之间。它与耐压密切相关.2.隔离特性 (1)输入与输出间隔离电压BVCFO38l3.光电耦合器件的抗干扰特性光电耦合器件的抗干扰特性(1)(1)光电耦合器件抗干扰强的原因光电耦合器件抗干扰强的原因 光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为10-1k10-1k；而干；而干扰源的内阻很大，为扰源的内阻很大，为10103-3-10106 6。按分压比计算，能够馈送到光电。按分压比计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声变得很小。耦合器件输入端的干扰噪声变得很小。由于干扰噪声源的内阻很大，干扰电压供出的能量却很小，由于干扰噪声源的内阻很大，干扰电压供出的能量却很小，只能形成很弱的电流。而发光二极管只有在通过一定的电流时才只能形成很弱的电流。而发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，被它抑制掉。能发光。因此，被它抑制掉。光电耦合器件的输入、输出是用光耦合的，且被密封在管光电耦合器件的输入、输出是用光耦合的，且被密封在管壳内，不会受到外界光的干扰。壳内，不会受到外界光的干扰。光电耦合器件的输入、输出间寄生电容很小光电耦合器件的输入、输出间寄生电容很小(为为0.5-2pF)0.5-2pF)，绝缘电阻大，绝缘电阻大(为为101011-11-10101313)，因而输出系统的各种干扰噪音很难，因而输出系统的各种干扰噪音很难通过光电耦合器件反馈到输入系统。通过光电耦合器件反馈到输入系统。3.光电耦合器件的抗干扰特性(1)光电耦合器件抗干扰强的原39(2)(2)光电耦合器件抑制干扰噪声电平的估算光电耦合器件抑制干扰噪声电平的估算 在向光电耦合器输送信息在向光电耦合器输送信息(例如矩形脉冲信号例如矩形脉冲信号)的同时，不可避免的同时，不可避免地进入干扰信号。这些干扰信号由系统自身产生的干扰、电源脉动地进入干扰信号。这些干扰信号由系统自身产生的干扰、电源脉动干扰、外界电火花干扰以及继电器释放所产生的反电势的泄放干扰干扰、外界电火花干扰以及继电器释放所产生的反电势的泄放干扰等。干扰信号包含各种白噪声和各种频率的尖脉冲，且以继电器等。干扰信号包含各种白噪声和各种频率的尖脉冲，且以继电器等等电磁电器的开关干扰最为严重。电磁电器的开关干扰最为严重。经计算，可求出使光电耦合器工作的最小电压脉冲的幅值为经计算，可求出使光电耦合器工作的最小电压脉冲的幅值为 Umin=250V 在实际应用中，继电器开关引起的干扰脉冲绝不可能高于在实际应用中，继电器开关引起的干扰脉冲绝不可能高于250V250V ，因此，不会干扰耦合器。因此，不会干扰耦合器。(2)光电耦合器件抑制干扰噪声电平的估算 在向光电耦合器406.5 光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用 6.5.1 6.5.1 用于电平转换用于电平转换 图图6-396-39所示为利用所示为利用光电耦合器件实现光电耦合器件实现PMOSPMOS电路的电平与电路的电平与TTLTTL电路电平的转换电路。电路电平的转换电路。光电耦合器件不但使光电耦合器件不但使前后两种不同电平的前后两种不同电平的脉冲信号耦合起来而脉冲信号耦合起来而且使输入与输出电路且使输入与输出电路完全隔离。完全隔离。6.5 光电耦合器件的应用 6.5.1 用于电平41l6.5.2 用于逻辑门电路用于逻辑门电路 图图6-406-40所示为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端所示为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端U Ui1i1和和U Ui2i2同时输入高电平同时输入高电平11，则两个发光二极管，则两个发光二极管GDGD1 1和和GDGD2 2都发光，两个都发光，两个光敏三极管光敏三极管TDTD1 1和和TDTD2 2都导通，输出端就呈现高电平都导通，输出端就呈现高电平“1”“1”。若输入端。若输入端U Ui1i1或或U Ui2i2中有一个为低电平中有一个为低电平“0”“0”，则输出光电三极管中必有一个不，则输出光电三极管中必有一个不导导通，使得输出信号为通，使得输出信号为“0”“0”，故，故为与门逻辑电路，为与门逻辑电路，U Uo o=U Ui1i1 U Ui2i2。光电耦合器件还可以构成光电耦合器件还可以构成与与非、或、或非、异或非、或、或非、异或等逻辑电路。等逻辑电路。6.5.2 用于逻辑门电路 图640所示为两个光电耦合42发光器件与光电耦合器件概述课件43发光器件与光电耦合器件概述课件44l6.5.3 用于开关电路用于开关电路 在在图图(a)(a)中中，当当无无脉脉冲冲信信号号输输入入时时，三三极极管管BGBG处处于于截截止止状状态态，发发光光二二极极管管无无电电流流流流过过不不发发光光，则则a a、b b两两端端电电阻阻非非常常大大，相相当当于于开开关关“断断开开”。当当输输入入端端加加有有脉脉冲冲信信号号时时，BGBG导导通通，发发光光二二极极管管发发光光，则则a a、b b两两端端电电阻阻变变得得很很小小，相相当当于于开开关关“接接通通”。故称无信号时开关不通，为常开状态。故称无信号时开关不通，为常开状态。6.5.3 用于开关电路 在图(a)中，当无脉冲信号输入时45图图（b b）所所示示电电路路则则为为“常常闭闭”状状态态，因因为为无无信信号号输输入入时时，虽虽BGBG截截止止，但但发发光光二二极极管管有有电电流流通通过过而而发发光光，使使a a、b b两两端端处处于于导导通通状状态态，相相当当于于开开关关“接接通通”。当当有有信信号号输输入入时时，BGBG导导通通，由由于于BGBG的的集集电电结结压压降降在在0 03V3V以以下下，远远小小于于发发光光二二极极管管的的正正向向导导通通电电压压，所所以以发发光光二二极极管管无无电电流流流流过过不不发发光光，则则a a、b b两两端端电电阻阻极极大大，相当于开关相当于开关“断开断开”，故称，故称“常闭常闭”式。式。图（b）所示电路则为“常闭”状态，因为无信号输入时，虽BG截46l6.5.4 在在HTL-TTL-HTL逻辑电路的互连逻辑电路的互连输入信号经光电耦合器送至中央运算、处理部分的输入信号经光电耦合器送至中央运算、处理部分的TTLTTL电路，电路，TTLTTL电电路的输出又通过光电耦合器送到抗干扰能力高的路的输出又通过光电耦合器送到抗干扰能力高的HTLHTL电路，光电耦电路，光电耦合器成了合器成了TTLTTL和和HTLHTL两种电路的媒介。两种电路的媒介。6.5.4 在HTLTTLHTL逻辑电路的互连输入信47用逻辑电路的用逻辑电路的信号来触发可信号来触发可控硅控硅SCRSCR，可按，可按硅的负载为电硅的负载为电感性的开关电感性的开关电路，采用光电路，采用光电耦合器后，负耦合器后，负载所产生的尖载所产生的尖峰噪声不会反峰噪声不会反馈到逻辑电路。馈到逻辑电路。光电隔离光电隔离l6.5.5 隔离方面的应用隔离方面的应用用逻辑电路的信号来触发可控硅SCR，可按硅的负载为电感性的开48l6.5.6 可控硅控制电路中的应用可控硅控制电路中的应用 可控硅整流器，或可控硅整流器，或SCRSCR，是一种很普通的单向低压控制高压的，是一种很普通的单向低压控制高压的器件，可以将其用于光触发的形式。同样，双向可控硅是也可用于器件，可以将其用于光触发的形式。同样，双向可控硅是也可用于光触发形式。将一只光触发形式。将一只SCRSCR和一只和一只LEDLED密封在一个封装中，就可以构成密封在一个封装中，就可以构成一只光耦合的一只光耦合的SCRSCR；而将一只双向可控硅和一只；而将一只双向可控硅和一只LEDLED密封在一个封装密封在一个封装中就可以制成一只光耦合的双向可控硅。中就可以制成一只光耦合的双向可控硅。6.5.6 可控硅控制电路中的应用 可控硅整流器，49用光电耦合双向可控硅控制小功率灯泡的电路图用光电耦合双向可控硅控制小功率灯泡的电路图用光电耦合双向可控硅控制小功率灯泡的电路图50用光电耦合双向可控硅去控制另一个大功率双向可控硅，用光电耦合双向可控硅去控制另一个大功率双向可控硅，可达到控制大功率负载的目的。可达到控制大功率负载的目的。用光电耦合双向可控硅去控制另一个大功率双向可控硅，51用光电耦合器组成的施密特触发电路用光电耦合器组成的施密特触发电路用光电耦合器组成的施密特触发电路52