高速光耦合器及其开关特性H11LxM、H11NxM

前言

在光耦合器的历史上，标准光晶体管与施密特触发器输出光耦合器的数据速度比较是显而易见的。H11LxM和H11NxM 光耦合器提供了巨大的速度和获得的改进。H11NxM赢得了高速比赛，因为它使用了高速和高效的砷化铝镓LED源。11

这已经证明，当以速度、增益和工业接口为标准时， H11LxM系列提供了最好的价值。H11LxM光耦合器使用低电流砷化镓IR(950 nm)LED作为源，并使用双极硅放大器作为接收器。这种光耦合器的主要优点是其界面级转换的通用性。H11LxM设备可在3V至16 V的电源电压范围内工作。在电源电压为5V的情况下，可达到最佳性能。可以使用施密特触发检测放大器和开放集电器输出。典型的输出转换时间小于50 ns。施密特触发器架构还可以在监测缓慢变化的LED电流时最小化输出抖动。

H11LxM家族成员被分成三个LED电流阈值箱。H11L1M保持了最敏感的位置，提供了一个等于或小于1.6 mA的阈值。紧随其后的是阈值为5 mA的H11L3M，最后是高阈值光耦合器H11L2M，需要10 mA或更多的LED电流来保证输出处于低状态。这些阈值规格作为指南。所有部件将在低于“最大” 值的电流下切换。但是，建议设备的电流大于“最大”值。10%的“保护带”补偿了短期的温度和长期的LED降解效应。

图1 开关测试电路和波形

开关特性

H11LxM家族的光耦器比标准的光晶体管光耦快得多。这种改进的速度性能是可能的，给定了多级放大器和施密特触发器输出。该族具有典型的1兆波特的数据能力。这里的关键问题是这个典型的术语。这意味着种群中的许多部分， 但不是所有部分，都能够支持1µs的通信位时间。这里的定义是比特时间和波特率或信号率有1比1的关系。因此，具有2µs周期的50%工作因子的方波由1µs位次的1010模式组成。在特定的LED操作条件下，H11LxM家族的三个成员都可以成功地通信1 MBaud的数据速率。

通过管理峰值LED驱动电流来实现最佳开关。逻辑开关定时通常表示为给通过LED的电流过渡的输出过渡的时间延迟。切换规范通常是指从输出从高状态切换到低状态的传播延迟，tPHL，并从低状态延迟到高状态，t普拉.开关测试电路和波形如图2所示。

表1显示了在使用10%至25%的LED电流保护带操作时，每个灵敏度箱的典型性能。试验条件为V抄送= 5 V, RL= 270测试数据采用101010格式的2µs ON和2µs OFF。脉冲宽度失真百分比是基于2µs位时间。

表1 开关性能的各种变化H11LxM的当前阈值箱

DeviceID	LEDCurrent IF (mA)）	tPHL(ns)	tPLH(ns)	PWD(ns)	PWD(%)	DateRate (KBaud）
H11L1M	2	854	1056	202	10	>1000
H11L2M	12	336	1640	1300	63	200
H11L3M	6	555	1600	1045	50	240

数据传播延迟和脉冲宽度失真(PWD)与数据格式有关。这是由于LED的载波寿命和输出放大器的存储时间。tPHL是与峰值电流有关的，峰值电流越大，过渡时间越快。H11LxM 系列是一个线性放大器，通常被驱动到饱和。这个饱和的放大器被连接到一个控制输出晶体管的施密特触发电路上。随着LED电流的增加，放大器被进一步驱动到饱和。这种超速导致电路中发现的bjt的基极结中有过量的存储电荷。为了关闭放大器，必须消散多余的基电荷。考虑到集成电路中的有限电阻，存储的电荷越多意味着关断功率越低。上表中的数据说明了LED驱动和PWD的数据处理。

典型的H11L3M能够支持一个1 MBaud串行数据时钟，如果一个人愿意调整，或调整峰值LED电流。下面的图2显示了一个典型的H11L3M，其LED峰值电流为3 mA。

图2.3 mA峰值LED电流的切换性能

注意，tPHL= 839 ns, t普拉=824 ns， PWD= 15ns。LED 电流的大不足代表了LED的载波寿命。在这种情况下，它在100到150纳秒之间。

图3说明了增加LED电流和由此产生的多余电荷，以及更慢的关闭时间的影响。现在与上述评估中使用的H11L3M相同工作时，峰值电流为5 mA。注意，tPHL已经降到了191ns， t普拉已扩展到1180 ns。

图3.5 mA峰值LED电流的切换性能

PWD大于脉冲周期。如果预期有2µs时钟定时，这个电路操作将被认为是合适的。前沿大约每2µs重复一次。如果目标是串行数据，那么最大的数据速率将为250 KHz(4µs位时间)。该数据速率是基于一个UART或微处理器的串行数据端口的4倍的预期采样技术。

图4显示了PWD vs.。H11L3M光耦合器的数据速率为1m波特的LED正向电流。一个标准的测试电路由50个驱动电路和270个负载组成。

该电路用V抄送在5v和10 V两种条件下。该曲线显示，PWD与电源电压的依赖关系很小。曲线表明，H11L3M具有4 mA LED正向电流与脉冲畸变的“最佳点”。当前电流下的PWD约为200 ns.

H11L3脉冲宽度失真(PWD)1MBaud vs LED电流和Vcc

IF - LED电流- mA

图4. PWD与。LED正向电流

结论

可以调整H11L3M的LED正向电流，以操作设备以传输1 MBaud数据信令速率。在本研究中使用的设备说明了其兼容性。所有的H11L3Ms都能在1兆波特的条件下工作吗?不实际上，在最坏情况下，在推荐的LED驱动条件为5 mA的条件下，H11L3M的最大数据速率约为200 KBaud。评估表明， H11L1M在其推荐的LED电流下运行时提供了最紧的PWD。然后，建议该LED正向电流最低的设备进行1m波特操作。

回想一下，H11L3M被开发为一个接口的高噪声抗噪逻辑(V 抄送= 15 V). 典型的应用是在过程控制器和被控制的项目之间发送控制脉冲。

审核编辑：汤梓红