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RL(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

      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 IF 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， IF電流由Vin和Rin決定，Vin使用 DC 電源，輸入端可以使用較高的IF驅動電流，下列計算式用來評估IF和 Rin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IF驅動電流，下列計算式用來評估IF和Rin對應的數值。

                                                       圖 7 

 4. 應用電路實測

       4.1 IF差異比較 

       如圖 8 所示，使用 EL817 作為實測樣品，CTR%規格為 327% (@IF  = 5mA)，CH1 量測Control 訊號，CH2 量測 Output 訊號，調整不同IF電流，觀察 Output 輸出波形，如圖 9 所示，在 5mA 時，VOL尚有大於 1V 的電壓，假設後端接收裝置的VIL = 0.8V，低準位訊號便 是一個無效的輸出訊號，如圖 10~12，當IF = 10mA以上時，VOL已接近至 0V。如圖 13 所 示，比較輸入訊號關閉後，不同IF下 Output 電壓上升時的波形，可以發現較低的IF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IF電流較大可 以讓IC更快達到上限電流。 

                                                                                 圖 8 

                              
 圖 11 IF = 15mA                                                                    圖 12 IF  = 20mA 

 
 圖 13 IF of all 

 4.2   傳輸速度比較：
 
  在IF= 10mA、RL   = 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  RL差異比較： 

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

                    圖 20 RL=100Ω                                               圖 21 RL=330Ω 

                      圖 22 RL=1KΩ                                               圖 23 RL=4.7KΩ

                      圖 24 RLof all 

5.如何有效的設計電路

在設計電路時，首先需要知道??輸入電流、CTR 的範圍、負載電阻RL數值三者之間的關係，則可預先評估輸出訊號的高、低電壓準位，圖 25 為 UART 傳輸的參考電路。 

                                                        圖 25 

             當 TXD＝０時，

             因為較低的 CTR 比較不容易達到飽和開關的狀態，所以會取 CTR 的最小值來計算(需考慮到 IF電流和環境溫度TA的影響)。