Everlight 一般光耦應用於資料傳送應用

1.功能說明

光電耦合元件是以光作為媒介來傳輸信號的一種元件，主要功能是讓輸入及輸出電路之間，可以通過隔離的方式傳送電信號，光電耦合元件(英語：Optical coupler，或英語：Photo coupler)，亦稱光耦合器、光隔離器以及光電隔離器，簡稱光耦。在兩個不共地的電路之間傳送信號，即使兩電路之間有高壓也不會互相影響，提高其抗干擾能力和可靠度及穩定性，可用於開關設備，或用在兩個需要隔離裝置之間的資料傳輸。

2.訊號特性

2.1 電流傳輸比(Current Transfer Ratio , CTR)

電流傳輸比(CTR)的定義為輸出電流和輸入電流的比值 (IC/IF)*100% 主要用來評估負載電阻值的選用，量測方式如圖 1 所示。

圖 1

2.2 訊號電壓準位

在數位邏輯中，可以用 0 或 1 來表示所有的訊號，VoH和VOL在提供接收端 1 和 0 的電壓值，VIH和VIL則在限制接收端判斷 1 和 0 的下限和上限電壓值，如圖 2 所示。

圖 2

在邏輯電路中，常會因靜電或磁場的干擾，進而在接線上感應出電壓，此種不屬於原電路的假訊號即為雜訊，而抵抗此雜訊的能力，可稱為雜訊容忍度(Noise margin)，在此範圍中的電壓訊號將視為雜訊。如圖３所示。

圖３

2.3 維持時間(Hold time)：

除了訊號電壓值之外，通常還需要維持一段時間，才會被視為有效訊號，如圖 4 所示，假設高準位和低準位的維持時間(Hold time)需要大於 22us，才會被判斷為有效訊號，當低準位為 25us，高準位為 20us，此時高準位則無法被當作有效訊號，可以用三種方式解決：

l 延長輸入訊號高準位的時間，但需要降低輸入訊號的開關(傳輸)速度。
l 降低負載電阻R_L(Load resistance)，但需要考量到是否能維持在飽和開關工作。
l 可以調整訊號判斷的維持時間(Hold time)，只局限使用軟體的方式來處理。

圖 4

3. LED 驅動電路

以下為三種常見的 LED 驅動方式：

3.1 GPIO(General-purpose input/output)控制

如圖 5 所示，輸入電源經由一電阻和 IR LED 串聯，改變電阻值可調整 I_F 電流值，TXD 以 GPIO 控制。

圖 5

3.2 電晶體(BJT, bipolar junction transistor)驅動

圖 6 使用 NPN 電晶體作為 LED 的開關使用，control 提供控制訊號， I_F電流由V_in和R_in決定，V_in使用 DC 電源，輸入端可以使用較高的I_F驅動電流，下列計算式用來評估I_F和 R_in對應的數值。

圖 6

3.3 MOSFET(metal–oxide–semiconductor field-effect transistor)驅動:

圖 7 使用 N-MOSFET 作為 LED 的開關使用，control 提供控制訊號，輸入端可以使用較高的I_F驅動電流，下列計算式用來評估I_F和R_in對應的數值。

圖 7

4. 應用電路實測

4.1 I_F差異比較

如圖 8 所示，使用 EL817 作為實測樣品，CTR%規格為 327% (@I_F= 5mA)，CH1 量測Control 訊號，CH2 量測 Output 訊號，調整不同I_F電流，觀察 Output 輸出波形，如圖 9 所示，在 5mA 時，V_OL尚有大於 1V 的電壓，假設後端接收裝置的V_IL= 0.8V，低準位訊號便是一個無效的輸出訊號，如圖 10~12，當I_F= 10mA以上時，V_OL已接近至 0V。如圖 13 所示，比較輸入訊號關閉後，不同I_F下 Output 電壓上升時的波形，可以發現較低的I_F容易發生低準位電壓過高的情況，這是因為輸出端光電晶體未在飽和開關下工作，而I_F電流較大可以讓I_C更快達到上限電流。

圖 8

圖 9 I_F= 5mA 圖 10 I_F= 10mA

圖 11 I_F= 15mA 圖 12 I_F= 20mA

圖 13 I_F of all

4.2 傳輸速度比較：

在I_F= 10mA、R_L= 1KΩ的條件下，測試 2400bps(1.2KHz)、4800bps(2.4KHz)、9600bps(4.8KHz)傳輸速度，比較高低準位的維持時間(Hold time)差異，如圖 14~19。

2400bps (1.2KHz)：

圖 14 Low Level=466us 圖 15 High Level=374us

4800bps (2.4KHz)：

圖 16 Low Level=256us 圖 17 High Level=165us

9600bps (4.8KHz)：

圖 18 Low Level=152us 圖 19 High Level=59us

雖然高低準位的總時間是一樣的，但由於輸入端關閉後，輸出端恢復至高準位電壓的時間比較長，造成維持時間(Hold time)變得更短，這在輸出端裝置判斷高準位時，可能被認為是無效訊號。如表格 1 所示，兩者之間的差異雖然不會因為頻率的改變而有所變動，但是頻率越快時，高準位佔空比(duty)越來越短。

表格 1

4.3 R_L差異比較：

如圖 20 所示，當R_L=100Ω，因 CTR%=327% ，可得I_C= 16.35mA、 V_RL= 16.35mA ∗100 = 1.635V、V_CE= 5 − 1.635 = 3.265V。V_CE電壓低準位約 3.265V 左右，加大R_L使得V_CE進入飽和開關工作，如圖 21 所示，將R_L增加至 330Ω後，V_CE已逐漸下降，如圖 22 所示，接著再將R_L增加至 1KΩ，此時V_CE已接近 0V，如圖 23 所示，再將R_L加大至 4.7K，則V_CE回復至高準位電壓則需要更長的時間，如圖 24 所示，R_L=1KΩ不僅工作在飽和開關，也有著較快的轉態時間。