光电耦合器件的特性测试 实验目的 （1)通过对光电耦合器件的参数的测试，达到进一步掌握发光二极管的特性，

光电耦合器件的特性测试

实验目的

(1)通过对光电耦合器件的参数的测试，达到进一步掌握发光二极管的特性，以及光电耦合器件的特性(输入与输出间的隔离特性，电流传输比，动态特性等)。

(2)掌握发光二极管及光电耦合器的驱动电路，达到能够使用光电耦合器的目的。

实验内容

(1)验证光电耦合器件原理，画出I_F与I_D关系曲线；

(2)测试光电耦合器件的隔离电阻；

(3)测试光电耦合器件的电流传输特性，求出电流传输比；

(4)测试光电耦合器件的输出特性，并绘出曲线。

实验所用仪器设备

(1)磷砷化镓发光二极管。

(2)PIN硅光电二极管2CU101A型。

(3)JT—1晶体管图示仪。

(4)光电耦合器件GD312。

(5)晶体管稳压电源。

(6)双脉冲信号发生器。

(7)0～100MHz双线示波器。

(8)晶体三极管，电阻，集成电路等元器件。

实验基本原理

在工业检测、电信号的传送处理的计算机系统中，常用继电器、脉冲变压器或复杂的电路来实现输入、输出端装置与主机之间的隔离、开关、匹配、抗干扰等功能。而继电器动作慢、有触点工作不可靠；变压器体积大、频带窄，所以它们都不是理想的部件。随着光电技术的发展，20世纪70年代以后出现了光电耦合器件。它是将发光器件(LED)和光敏器件(光敏二、三极管等)密封装在一起形成的一个电—光电器件。如下图所示。这种器件在信息的传输过程中是用光作为媒介把输入边和输出边的电信号耦合在一起的，在它的线性工作范围内，这种耦合具有线性变化关系。由于输入边和输出边仅用光来耦合，在电性能上完全是隔离的。因此，光电耦合器件的电隔离性能、线性传输性能等许多特性，都是从“光耦合”这一基本特点中引申出来的。故有的人把光电耦合器件也称为光隔离器或光耦合器。这些名称的共同点都是为了突出“光耦合”这一基本特征，这也是它区别于其他器件的根本特征。由于这种器件是一个利用光耦合做成的电信号传输器件，所以一般称为光电耦合器件。

1．传输特性

光电耦合器件的传输特性就是输入—输出间特性，它用下列几个性能参数来描述。

(1)电流传输比β

在直流工作状态下，光电耦合器件的集电极电流I_c与发光二极管的注入电流I_F之比，称为光电耦合器件的电流传输比，用β表示。如下图所示的输出特性曲线，在其中部取一工作点Q，它所对应的发光电流为I_FQ，对应的集电极电流为I_cQ，因此该点的电流传输比为

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如果工作点选在靠近截止区的Q₁点时，虽然发光电流I_F变化了△I_F，但相应的△I_c1变化量却很小。这样，β值很明显地要变小。同理，当工作点选在接近饱和区Q₃点时，β值也要变小。这说明工作点选择在输出特性的不同位置时，就具有不同的β值。因此，在传送小信号时，用直流传输比是不恰当的，而应当用所选工作点Q处的小信号电流传输比来计算。这种以微小变量定义的传输比称为交流电流传输比。它用β来表示。即

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对于输出特性线性度做得比较好的光电耦合器件，β值很接近β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，由于不关心交流与直流电流传输比的差别，而且在实际使用中直流传输比又便于测量，因此通常都采用直流电流传输比β。

这里需要指出的是，光电耦合器件的电流传输比与晶体三极管的电流放大倍数都是输出与输入电流之比值，从表面上看是一样的，但它们却有本质的差别。在晶体三极管中，集电极电流I_c总是比基极电流I_b大许多倍，甚至几十、几百倍，因此把晶体三极管的输出与输入电流之比值称为电流放大倍数。而光电耦合器件的基区内，从发射极发射过来的电子是光激发出的空穴相复合而称为光复合电流，可用αI_F表示，其中α是与发光二极管的发光效率、光敏三极管的光敏效率及二者之间距离有关的系数，通常称为光激发效率。而激发效率一般比较低，所以I_F一般大于I_c。所以光电耦合器件在不加复合放大三极管时，其电流传输比都小于1，通常用百分数来表示。

下图示出了光电耦合器件的电流传输比β随发光电流I_F的变化曲线。在I_F较小时，耦合器件处于截止区，因此β值较小；当I_F变大后，耦合器件处于线性工作状态，虽然I_F增大，β变小，但其变化量是较小的。

下图是β随外界温度的变化曲线。在0℃以下时，β值随温度T的升高而上升；在0℃以上时，β值随T的增加而下降。

(2)输入—输出间绝缘耐压BV_CFO

这是指输入与输出端之间的绝缘耐压值。一般低压使用时都能满足要求。当用于高压控制时，就要注意这一参数。由于绝缘耐压与电流传输比都与发光二极管和光敏三极管之间的距离有直接关系，当二者距离增大时，绝缘耐压提高了，但电流传输比却降低了；反之，当二者距离减小时，虽增大了β，但BV_CFO却降低了。这是一对矛盾，可根据实际使用要求来挑选不同种类的光电耦合器件。如果制造工艺得到改善，可得到既具有高的β又具有高耐压的光电耦合器件。目前，北京光电器件厂生产的光电耦合器件BV_VFO=500V，采用特殊的组装方式，可制造用于高压隔离线路等方面的耐压达几千伏或上万伏的光电耦合器件。

(3)输入—输出间的绝缘电阻R_FC

这是输入与输出端之间的绝缘电阻，一般在10⁹～10¹³Ω之间。它是与耐压密切相关的参数，它与β的关系和耐压与β的关系是一样的。

R_FC的大小意味着光电耦合器件的隔离性能如何。光电耦合器件的R_FC一般要比变压器原付边绕组之间的绝缘电阻大几个数量级，因此它的隔离性能要比变压器好得多。北京光电器件厂生产的R_FC值一般达到10¹¹Ω。

(4)输入一输出间的寄生电容C_FC

这是输入与输出端之间的寄生电容。当C_FC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CMRR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，其C_FC仅仅为几个pF，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。

(5)最高工作频率f_M

下图给出测量光电耦合器件的频率特性的电路图。向发光二极管送入幅度相等而频率变化的交流小信号，在光电耦合器的输出端用交流电压表测其交流输出电压值。随着频率的增高，虽然输入电压幅度不变，而输出幅度却下降了，当输出电压相对幅值降至0.707时，所对应的频率就称为光电耦合器件的最高工作频率(或称截止频率)，用f_M来表示。

下图示出了一个光电耦合器件的频率特性示意图。最高工作频率f_M也会随着外电路负载的变化而改变，第二个图出了在不同负载电阻R_C时的f_M值，图中R_C1＞R_C2＞R_C3。由图可知，当负载电阻R_C减小时，f_M增高。

(6)脉冲上升时间t_r和下降时间t_f

下图是测量脉冲响应时间的电路图。从输入端送入一个前后沿都很好的矩形脉冲(如第二个图(a)所示)，采用频率特性较高的脉冲示波器来观测输出端的波形(如图(b)所示)。由图看出，输出的波形产生了畸变。一般把脉冲前沿的0～0.9之间的时间间隔称为上升时间，用f_r表示；而脉冲下降沿中介于1～0.1之间的时间间隔称为脉冲下降时间，用表示。一般来说，上升时间要大于下降时间。

最高工作频率f_M、脉冲上升时间t_r和下降时间f_f都是衡量光电耦合器件动态特性的参数。当用光电耦合器件传送小的正弦信号或非正弦信号时，用最高工作频率f_M来衡量较为方便；而当传送脉冲信号时，则用t_r和t_f来衡量既方便又直观。

t_r与t_f同f_M一样，也是随着负载电阻的变化而变化的，但它们是随着负载电阻的减小而减小。

2．光电耦合器件的抗干扰特性

光电耦合器件的重要优点之一就是能强有力地抑制尖脉冲及各种噪音等的干扰，从而在传输信息中大大提高了信噪比。

光电耦合器件之所以具有很高的抗干扰能力，主要有下面几个原因。

①光电耦合器件的输入阻抗很低，一般为10Ω～1kΩ；而干扰源的内阻都很大，一般为10³～10⁶Ω。按一般分压比的原理来计算，能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声，就变得很小了。

②由于一般干扰噪声源的内阻都很大，虽然也能供给较大的干扰电压，但可供出的能量却很小，只能形成很微弱的电流。而光电耦合器件输入端的发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光。因此，即使是电压幅值很高的干扰，由于没有足够的能量，不能使发光二极管发光，从而被它抑制掉了。

③光电耦合器件的输入—输出边是用光耦合的，且这种耦合又是在一个密封管壳内进行的，因而不会受到外界光的干扰。

④光电耦合器件的输入一输出间的寄生电容很小(一般为0.5～2pF)，绝缘电阻又非常大(一般为10¹¹～10¹³Ω)，因而输出系统内的各种干扰噪音很难通过光电耦合器件反馈到输入系统中去。