光电耦合器电流传输比温度稳定性提升研究

发布时间：2020-03-23 21:20

【摘要】：光电耦合器是航天领域广泛应用的重要器件,其传输、隔离及开关特性对航天器功能、性能及可靠性有重要影响。目前以国外光电耦合器为对象的国内仿制产品已研制成功,各项参数水平与仿制产品基本相当,但个别关键参数仍存在差距,特别是用户应用时关心的电流传输比CTR和电流传输比在全温度工作范围内的变化率,国内产品不同温度下的CTR波动远大于仿制产品,不能满足用户使用要求,导致光电耦合器应用受限。因此有必要开展光电耦合器CTR温度稳定性提升研究。光电耦合器由发光二极管和光敏三极管组成,通过对发光二极管和光敏三极管的工作原理及参数指标进行系统分析,对影响电流传输比关键因素进行分析,重点通过分析发光二极管的发光二极管的发光效率与温度变化关系及光敏三极管的放大倍数β与温度的关系,来分析温度对光电耦合器电流传输比的影响。另外通过函数方程建立了电路传输比CTR的理论模型,计算全温下电流传输比的最大值对应的温度点。目前国内光电耦合器中的发光芯片主要依赖外购,导致产品设计、改进及性能提升途径受限。本文对光电耦合器用的不同发光芯片进行了结构分析,物理结构包括功能区分布、正电极形貌及成分、背电极形貌及成分、非电极区形貌及成分和侧面形貌及成分。通过SEM、能谱分析、光谱分析、光谱响应,了解国外发光芯片的工艺、结构及材料等信息,通过对发光芯片的测试,验证发光二极管的发光效率对光电耦合器电流传输比的影响。为发光芯片的选用和光电耦合器的设计提供指导,也可促进国产光电耦合器自主可控事业的发展。本文对不同的红外发光芯片与不同放大倍数的光敏三极管匹配进行测试,利用光谱响应对光敏芯片匹配度进行分析,验证光敏三极管的放大倍数对光电耦合器电流传输比的影响,光敏三极管放大倍数越大,受温度影响越大。最后通过改变光电耦合器的工艺,调整光电耦合器的电流传输比大小,使电流传输比在全温范围下最小值与国外产品相当。
【图文】：

光电耦合器,影响因素,电流传输比,光敏三极管

信号转换成光信号，通过光耦合方式，将光信号传输到输出端光敏三极管芯片表面，光敏三极管将光信号转为电信号。光电耦合器电流传输比是光电耦合器的一个重要参数。在直流工作状态下，光电耦合器的输出电流 IC与输入电流 IF之比（见式 2-1），称其为电流传输比（或转换效率），用 CTR 表示。传输比的大小表明光耦合器传输信号能力的高低。在相同 IF 值下，传输比大，输出电流值就大，推动负载能力亦较强。= × 100% （2-1）2.2 电流传输比的温度影响因素在光电耦合器电流传输比 CTR 影响因素分析上，，重点从光电耦合器工作原理及参数体系入手，着重考虑整体性和客观性。整体性：把光电耦合器作为一个整体，进而发掘影响电流传输比的因素。客观性：光电耦合器是由发光二极管、光敏三极管和传输介质组成，分析影响因素的时候，考虑客观因素，重点从发光二极管、光敏三极管以及传输介质入手[11-22]。

芯片,光敏,波长,峰值波长

图 2-2 典型的 GaAs 发光芯片与 Si 光敏芯片的波长特征Fig. 2-2 The wavelength characteristics of Typical GaAs LED chip and Si photosenschip通过图 2-2 可以看出，GaAs 材料发光芯片的波长特征完全落在 Si 光敏收范围内，因此 GaAs 材料发光芯片与 Si 光敏芯片进行配对耦合。发光强度是表征发光器件发光强弱的重要参数。发光二极管的发光强度输出随着波长变化而变化。无论什么材料制成的发光管，都有一个相对处，与之相对应的一个波长，此波长叫峰值波长。一般光功率随红外发长关系为波长越小，发光功率越大。随着温度的升高，峰值波长会发生红移，即发光芯片的峰值波长会变大-3 所示。
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN622

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