消除密勒電容實(shí)現(xiàn)光電耦合器快速工作的研究

崔建國,寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽泉 045000)

0 引言

光電耦合器亦稱光耦合器、光隔離器以及光電隔離器，簡稱光耦,它是以光(含可見光、紅外線等)作為媒介來傳輸電信號的一組裝置。

晶體管輸出型光耦是最常見的光電耦合器，其輸入端分為直流信號或交流信號控制型，輸出端都是晶體管(單體或達(dá)林頓，后者具有更高的電流傳輸比)。

晶體管輸出光耦的特點(diǎn)是：大電流傳輸比(CTR)、高耐壓、低輸入電流，因?yàn)檫@類光耦的光電接收器使用的是光敏三極管，所以缺點(diǎn)也是明顯的：傳輸速度較慢，時(shí)序延時(shí)較大。晶體管型光電耦合器傳輸速度比較慢的原因，本質(zhì)上是由于晶體管(包括場效應(yīng)管)內(nèi)部密勒電容的存在，密勒效應(yīng)使得等效輸入電容增大，導(dǎo)致頻率特性降低[1]。

理論上說，只要減少密勒電容的值，密勒效應(yīng)的影響即可減小，晶體管的工作頻率即可升高。

1 密勒電容和密勒效應(yīng)

電容與頻率是離不開的，電容與頻率有這樣的關(guān)系：大容量的電容對高頻的響應(yīng)很差，對低頻的響應(yīng)卻好，小容量的電容對低頻的響應(yīng)很差而對高頻的響應(yīng)卻非常好。

1.1 密勒效應(yīng)的產(chǎn)生

密勒電容就是跨接在放大器件或者電路的輸出端與輸入端之間的電容，密勒電容對于器件或者電路的頻率特性的影響就稱為密勒效應(yīng)。

密勒效應(yīng)是通過放大輸入電容來起作用的，即密勒電容C可以使得器件或者電路的等效輸入電容增大(1+AV)倍，其中Av即電路的電壓增益。因此很小的密勒電容即可造成電路器件或者電路的頻率特性大大降低。

簡單說來：對于電子管而言，屏極與柵極之間的電容；對于晶體管而言，集電極與基極之間的電容即集電結(jié)電容的勢壘電容；對于場效應(yīng)管而言，漏極與柵極之間的電容，這些電容皆屬于密勒電容。

這些管子作共發(fā)射極模式或共源極模式放大電路時(shí)，由于輸出端電壓與輸入端電壓相位相反，使得該電容(如集電結(jié)電容)的充電、放電電流增大，從器件或電路端輸入端看進(jìn)去，好像該電容增大了(1+AV)倍，這些現(xiàn)象都屬于密勒效應(yīng)[2]。

1.2 密勒電容的消除

可以采用平衡法(或叫中和法)等技術(shù)來適當(dāng)?shù)販p弱密勒電容的影響，平衡法即是在電路的輸出端與輸入端之間并聯(lián)連接一個(gè)所謂中和電容，并且讓該中和電容上的電壓與密勒電容上的電壓相位相反，使得通過中和電容的電流恰恰與通過密勒電容的電流方向相反，以達(dá)到相互抵消的目的[3]。

2 實(shí)現(xiàn)光電耦合器快速工作的原理

光電耦合器一般由三部分組成：光電發(fā)射端、光電接收端、輸出端信號放大及整形、驅(qū)動(dòng)變換電路等，可以完成“電→光→電”的轉(zhuǎn)換，最終起到輸入、輸出、隔離的作用。

市場上常見的光電耦合器，其光電接收端通常由光敏三極管構(gòu)成，該光敏三極管的工作模式皆屬于共發(fā)射極結(jié)構(gòu)，所以如上文所言，這種普通共發(fā)射極接法的光電耦合器，雖然它有發(fā)射機(jī)和接收機(jī)間具有極好隔離性的優(yōu)點(diǎn)，但其光電晶體管的輸出用于數(shù)據(jù)通信時(shí)總嫌速度太慢，正是密勒電容造成的密勒效應(yīng)所致。

在保持光耦隔離性好這個(gè)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，為了改變光耦頻率特性差的缺點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)高速通信，可以設(shè)想將光電接收三極管的集電極維持恒定電位，從而可以使共發(fā)射極工作的光電三極管的密勒電容(基極—集電極電容)不起作用，消除了密勒效應(yīng)的影響，實(shí)現(xiàn)了晶體管型光耦的快速工作，能夠?qū)崿F(xiàn)晶體管型光電耦合器快速工作的電氣工作原理如圖1所示。

圖1 通過減少密勒電容實(shí)現(xiàn)晶體管型光電耦合器快速工作的電氣原理

從圖1可以看到，快速光電耦合器整體上看相當(dāng)于一個(gè)級聯(lián)放大電路，即原光耦的輸出已經(jīng)改變?yōu)榧壜?lián)放大電路輸出，級聯(lián)放大電路包括光耦輸入電路、晶體管光電耦合器電路、射極跟隨器電路、射極跟隨器基極偏壓產(chǎn)生電路、偏壓穩(wěn)定電路、負(fù)載電路等。

在圖1的級聯(lián)放大電路中，原光電三極管T1已經(jīng)集成在此級聯(lián)放大電路中，總體觀察級聯(lián)放大電路，光電管T1為共射極放大模式，故存在密勒效應(yīng)。晶體管T2為共基極模式不存在密勒效應(yīng)，電路信號從T2的集電極輸出，故理論上說級聯(lián)放大電路存在密勒效應(yīng)。

2.1 晶體管的動(dòng)態(tài)電阻

光電管T1既然為共發(fā)射極工作模式，那么T1的輸出伏安特性曲線一定也如下圖2所示。

圖2 晶體管的輸出伏安特性曲線

圖2中橫軸uCE為光電管T1的集電極—發(fā)射極之間的壓降，iC為T1的集電極電流，場效應(yīng)管的輸出伏安特性曲線也與圖2相似，故雙極型晶體管(三極管)和場效應(yīng)晶體管的輸出伏安特性曲線基本上是水平的，即輸出電流iC基本上不隨電壓uCE而變化，因此光電管T1可看成是一種恒流源[4]。

同時(shí)水平的特性曲線也表明光電管T1的輸出交流電阻(即動(dòng)態(tài)電阻)近似為無窮大。實(shí)際上，由于Early效應(yīng)(對于BJT，雙極性管)，或者由于溝道長度調(diào)制效應(yīng)等(對于FET，場效應(yīng)管)的影響，其輸出伏安特性曲線并不完全水平，但動(dòng)態(tài)電阻必定是很大的。

元器件的伏安特性曲線越是平坦，其交流電導(dǎo)就越小，交流電導(dǎo)(動(dòng)態(tài)電導(dǎo))的倒數(shù)也就是交流電阻，或稱為動(dòng)態(tài)電阻也就越大。

2.2 實(shí)現(xiàn)光電管T1集電極電位恒定

上文提到，只要能實(shí)現(xiàn)光電三極管T1的集電極電位保持恒定，即可實(shí)現(xiàn)T1的密勒效應(yīng)被消除，故需要分析由晶體管T2及外圍電路組成的共基極放大器，其能否保證T1的集電極電位恒定。

光電管T1的動(dòng)態(tài)電阻近似無窮大，此動(dòng)態(tài)電阻作為晶體管T2的發(fā)射極電阻；電阻R1、R2組成的分壓器電路為T2的基極提供偏置電壓，如果晶體管T2的基極電流IB2可以忽略不計(jì)，對于T2的分析會(huì)簡單很多。

只要晶體管T2的參數(shù)選取滿足IR2?IB2，那么IR1≈IR2，其中IR1為通過電阻R1的電流，IR2為通過電阻R2的電流。這時(shí)B點(diǎn)(電阻R1、R2的交點(diǎn)，見圖1)的電位

上式表明T2基極電位幾乎僅決定于電阻R1、R2對VCC分壓，而與環(huán)境溫度無關(guān)，即當(dāng)溫度變化時(shí)UB基本不變。

由圖1可知，T2所用型號為BC547B，其B處于200～400之間；T2的發(fā)射極電阻就是光電管T1的動(dòng)態(tài)電阻，幾乎無窮大；按照圖1所示參數(shù)，Rb2=6.5//1=0.82kΩ。

故以上求UB的公式成立。

由求UB公式可以算出，分壓器R1、R2使晶體管T2的基極電位穩(wěn)定偏置在1.5V，電容器C1的作用是確保電流出現(xiàn)快速波動(dòng)時(shí)，使該基極偏壓基本穩(wěn)定不變，晶體管T2的發(fā)射結(jié)電壓保持0.8V不變。

通過觀察T1、T2的連接方式，站在T2的角度看，實(shí)際上可以將T2看作一個(gè)射極跟隨器電路，這樣就很清楚，光電管T1的集電極總能保持一恒定(直流)電壓，那么光電管T1電路的電壓放大倍數(shù)AV≈0，這樣就使光電管T1的密勒電容(集電結(jié)電容)不起作用。

所以以上級聯(lián)電路之所以工作速度較快的原因在于，由于光電管集電極電壓能保持恒定，故可以不考慮晶體管內(nèi)部密勒電容的影響，結(jié)果光電管的工作速度可以變得很快。

3 注意事項(xiàng)

該快速光電耦合器有一個(gè)缺點(diǎn)，就是它的輸出信號電平不能下降到0,但最佳電平可為1，TTL集成電路就具有這種特性，只不過TTL的工作電壓是使用12V。

該電路基本上可以工作于5V電源，只需適當(dāng)改變R1阻值，使用CMOS集成電路當(dāng)然更好些。

當(dāng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此電路時(shí)，注意不要超過光電耦合器TIL111(圖1所示)中發(fā)光管的最大工作電流100mA,這可以由降壓電阻RV來保證，RV可由下式計(jì)算：

式中Uin單位為伏特，ILED單位為安培。

4 結(jié)語

共射極放大電路由于密勒電容的存在，導(dǎo)致晶體管型光電耦合器頻率特性較差，但共基極放大電路不存在密勒電容，頻率特性很好,將共基極放大電路作為光電管的負(fù)載，這時(shí)的共基極放大電路可以當(dāng)作射極跟隨器應(yīng)用，通過調(diào)節(jié)共基極放大電路的基極偏壓，使光電管的集電極電位保持恒定，從而消除了密勒效應(yīng)。