高压线性光电耦合器的研制

设计了一种能够实现模拟信号高精度传输与高电压隔离的高压线性光电耦合器，它以GaAlAs红外发光二极管为发光器件，采用Si-PIN光电二极管为光敏元件。叙述了高压线性光电耦合器的工作原理和其中部分电路的设计，分析了影响其线性度和隔离性能的两个主要因素是光电二极管位置不对称和器件内部的封装胶，并列举了部分测试结果，测试结果表明该器件具有良好的隔离特性和较高的线性度。
关 键 词 线性; 高压; 红外发光二极管; 光电耦合器; 光电二极管

光电耦合器是随着半导体技术和光电子技术的发展而产生的，它由红外发光器件和光敏器件以及相应的信号处理电路所组成。信号在光电耦合器中的传播过程为输入电信号→光信号→输出电信号，从而实现了以“光”为媒介的电信号传输。因此，从实质上讲，光电耦合器也是一种光电传感器，同时也是一种电隔离放大器。光电耦合器的输入和输出端在电气上相互隔离，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力，同时还具有体积小、信号单向传输以及容易与逻辑电路连接等优点，所以被广泛地应用于信号传输、噪音去除、高压控制、线性放大、计算机接口、抗干扰回路等方面[1]。
电子技术和自动控制技术的发展，使得光电耦合器的传输精度成为系统性能的重要决定因素之一，而普通光电耦合器受温度的影响较明显，温度漂移严重，线性工作区域较窄，因而难以满足传输精度要求，应用范围受到限制；另一方面，一般光电耦合器隔离电压通常不高，只能在低压范围内工作。因此，研制满足这些要求的高压线性光电耦合器具有很好的实际意义。
1 器件工作原理分析
高压线性光电耦合器的电路结构如图1所示，由图1可知，器件由一个红外发光二极管IR LED、两个相互匹配的PIN光电二极管、信号处理ASIC(A1、A2以及其他相关元件)组成。其中，一只光电二极管PD1处于输入回路中，其光电流通过A1反馈回输入端来补偿IR LED的温度等方面的非线性，并调整IR LED的驱动电流IF，从而使其输出趋于稳定和线性化；而另外一只光电二极管PD2将接收到的光信号转化成电信号，并由A2处理后输出，从而实现了电信号的线性传输。
对于光电二极管，若其耗尽区的宽度为w，入射面的反射率为RF，那么，光照下，光电二极管产生的光电流：