高速光电耦合器的几个关键问题研究和测试系统搭建

摘要

光电耦合器是一种正向传输信号、反向隔离信号的单向隔离器件，其应用十分广泛，尤其是在可靠性要求较高的领域有着不可替代的作用。它问世于上个世纪六十年代，由于其体积小、隔离性好、可靠性高、成本低等特点，在问世之初便受到极大的关注。经过几十年的发展，光电耦合器集成程度越来越高、速度越来越快、隔离电压越来越高、器件体积越来越小、产品种类也越来越丰富。 由于受到国外的技术封锁，国内光电耦合器的研究工作一直进展缓慢，尤其是在速度这一关键指标上国产光电耦合器至少落后国外产品4~5倍，因此在各领域光电耦合器仍然主要使用国外产品。为实现光电耦合器的国产化替代，我们团队在近年来对光电耦合器开展了深入的研究和试验。我们首先探索了光电耦合器的信号传输与隔离的原理，建立了相应理论模型；接着提出自己的研制思路，设计光敏芯片并基于这个芯片封装了一款可靠性高的高速光电耦合器；同时还基于源表使用单片机开发了针对这个光电耦合器的自动测试系统，对产品进行了测试和分析；对封装后的产品我们还进行了可靠性研究，提出了提升产品可靠性的办法。 在高速光电耦合器制作中主要会面临以下三个关键问题：1)光电转换部分速度慢、效率低；2)光电转换产生的光电流一般在10μA量级，远远不能实现驱动后端电路工作的目的，因此必须建立大带宽的跨阻放大器将电流信号转换为电压信号，后续还应当进一步将电压信号正确放大的问题；3)光电耦合器寿命较短的问题。 针对以上三个关键问题我们提出的解决方案如下：①在光敏芯片制作上我们介绍了两种提升响应速度的方法，第一种方法是应用超薄PIN结保证光电流的结区渡越时间足够短，同时在该PIN结上引入微纳米孔阵列，以提升PIN结的响应度；第二种方法是使用明暗结合的光电二极管阵列，通过光电二极管中的特异结构抵消探测器中产生的“慢电流”，从而实现信号的高速转换和传输；②在其后CMOS集成电路部分提出了一种对称结构高速跨阻放大器，实现将光电流转换成为电压的功能，再通过与运放、逻辑转换和驱动电路、高速电源电路的配合，实现将光生电流信号最终转换成输出逻辑电平信号的目的，同时降低了电路中的共模噪声信号；③针对光电耦合器寿命问题，我们采用了加速寿命实验的方式对器件性能进行深入的研究，揭示了封装工艺对器件寿命造成的影响，成功将光电耦合器的寿命问题定位到发光二极管的“软击穿”上，据此我们调整了封装工艺，保证了器件的长期使用的可靠性。 最终我们对研制的光电耦合器实物进行测试和评估，实测产品传输速度可以达到50MBd，质量可靠性达到国外产品的H级标准，成为了国内首款自研的传输速度达到50MBd的光电耦合器，实现了超高速光电耦合器国产化的目标。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题背景和课题意义

1.2.1 光电耦合器的国外发展

1.2.2 光电耦合器的国内发展

1.3 本文章节安排及章节主要内容

1.4 本章总结

第二章 光电耦合器信号传输理论模型与关键性能指标

2.1 光电耦合器信号传输的理论模型

2.1.1发光二极管发光原理

2.1.2 光敏芯片光电转换原理

2.2 光电耦合器关键性能指标

2.2.1 发光二极管关键性能指标

2.2.2 光敏芯片关键性能指标

2.2.3光电耦合器传输性能关键指标

2.2.4 表征光电耦合器隔离特性的关键指标

2.3 光电耦合器的几个典型类别及其应用电路简述

2.3.1 最初的光电耦合器——光敏三极管输出型

2.3.2 达林顿输出型光电耦合器

2.3.3 双极型工艺下的高速光电耦合器

2.3.4 CMOS工艺下的推拉门型超高速光电耦合器

2.4 本章总结

第三章 光敏芯片关键部分设计与研究

3.1 光电探测单元设计

3.1.1 用于光电耦合器的带二维孔阵列的超薄PIN二极管

3.1.2 明暗结合的光电二极管阵列

3.2 关键CMOS电路单元设计

3.2.1 跨阻放大电路的分析与设计

3.2.2 电压比较器的分析与设计

3.2.3 整形电路的分析与设计

3.2.4 电路整体仿真展示

3.3 本章总结

第四章 自动测试系统设计与产品性能分析

4.1 自动测试系统设计

4.2 所设计光电耦合器性能测试与评估

4.3 产品寿命分析与改进

4.4 本章总结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

在学期间取得的与学位论文相关的研究成果