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芯片开源定制系列1:低成本4脚光敏二极管型高速光耦

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出70入145汤圆

发表于 2013-7-16 11:29:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
       不定时更新。我不是做芯片行业的,自己做的是硬件设计工作,当有时集成器件满足不了要求,使用分立器件又有体积和成本方面的问题,所以就想到了定制芯片,但是公司本身不是做芯片的,我这些设计并不是行业内必须的芯片,所以一些设计也就停留在了使用分立元件搭电路验证的阶段。不过这些设计都是和我所在的行业有关,也可以应用于其他行业。对芯片制作工艺,流程等我并不熟悉,我主要提出模型,需要达到的参数,外围应用电路以及应用场合。
    打字比较慢,平时这种文章发的也不多。这个也不是软文
        工作中经常遇到光耦隔离和近红外通讯。这两者其实是同一个原理:一个发光管对一个接收管进行光电隔离通讯。当只是用来隔离高低电平与速度无关的情况下,光耦隔离方式只要满足发光侧最小可靠工作电流要求(考虑光衰不建议用大电流),接收侧考虑CRT值和温度影响量并留有余量。当通讯时就要考虑发射侧限流电阻和接收侧上拉电阻的大小了。简单的说,发射电流大,接收下降沿陡峭,但是光敏三极管因饱和的厉害些,恢复到截止的时间增加了,表现在上升沿变缓。上拉电阻减小的话下降沿又变的缓了。当近红外通讯时还有距离的问题,当时9600波特率的时候老是要调整上拉电阻。
    后面接触了光敏二极管,发现开关速度比光敏二极管快很多,1个数量级以上。参考了6N137,6N136,6N139等内部均为光敏二极管。
    但是光敏二极管本身的感应电流太小,考虑低成本设计,后接三极管做电流放大,这时的模型就同6N136。
    为什么要设计这个光耦:常规的高速光耦至少5个脚,有6个脚的,8个脚的。但是不可能使用4个脚。参考常规的816,817光耦,4个脚,大量在用,但是在9600波特率级以上就不是很好用了。所以设计的光耦也是使用4个脚,内部使用光敏二极管,外部加电路设计。当时打电话给几家制作光耦的厂家,均没有光敏二极管型的4脚光耦。问能不能定制?除了一家说可以试试外其他都不鸟我,~~~~(>_<)~~~~ 。
    光耦本身很简单,也没提特殊要求,因为我不知道我提的要求在厂家的工艺前提下能不能做出来,反正只要厂家做出来,我按照厂家的光耦测试再说吧,这个厂家能够答应定制已经很好了。谢天谢地。当时要求是:把里面的光敏三极管替换为光敏二极管,成本越低越好,耐压必须要5KV AC(他们本身普通光偶的工艺就是可以达到5KV ac,出厂打6KV AC测试)
    拿到样品测试,当时还以为我自己测试的CTR值是3%左右,其实是我记错了,是千分之三而不是百分之三。当时还给了厂家测试的电路图,因为厂家做这个光耦CTR值太小了,他们的设备根本测试不了(常规的是200%到600%--差距够大把,1000倍啊)
     电路很简单
外扩三极管进行放大。但是测试的时候是拿分立的5mm插件红外发射管和光敏二极管做的实验,2者头对头的情况下至少有1%的CTR值,当时想封装在光耦里面两者的距离更近了应该CTR值更大,其实不是。回来再谈器件选择。使用这个电路的原因就是成本很低,三极管价格只要几分钱,比比较器和门电路便宜多了。

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出70入145汤圆

 楼主| 发表于 2013-7-16 12:10:55 | 显示全部楼层
当初设计目标:光耦部分成本与普通光耦一致,外部的器件成本越便宜越好,应用最高波特率115200,耐压5KVAC。这个光耦的模型与6N136一致,我测试过6N136基本上通讯的波形与我这个光耦一致。使用比较器或门电路调试的好的话应该可以达到6N137级别。

出0入8汤圆

发表于 2013-7-16 12:57:02 | 显示全部楼层
我来顶你,,

出0入0汤圆

发表于 2013-7-16 13:08:24 来自手机 | 显示全部楼层
什么时候有货?

出0入0汤圆

发表于 2013-7-16 13:23:45 | 显示全部楼层
测试的对比应该是包括高频和低频。

若单是高频的应用,用个EL817+一个三极管同样能比拟 高速光耦。问题是低频时就不行了。 如果用软件仿真,需要注意的是得人为加上光耦输出端的压降,软件给出的光耦器件输出端是没有压降的。而这个压降恰恰是高频时信号是否被识别的关键

出0入0汤圆

发表于 2013-7-16 14:20:50 | 显示全部楼层
顶一下,佩服楼主的钻研精神

出0入17汤圆

发表于 2013-7-16 15:15:43 来自手机 | 显示全部楼层
这么用很好玩,光藕简单了,外部也很便宜。

出70入145汤圆

 楼主| 发表于 2013-7-16 16:25:22 | 显示全部楼层
daicp 发表于 2013-7-16 13:08
什么时候有货?

东西厂家已经做了一批,但是CTR值小了点0.3%到0.6%。

出70入145汤圆

 楼主| 发表于 2013-7-16 16:29:45 | 显示全部楼层
rifjft 发表于 2013-7-16 13:23
测试的对比应该是包括高频和低频。

若单是高频的应用,用个EL817+一个三极管同样能比拟 高速光耦。问题 ...

你说的高频是指到多高的频率?这个应用设计为115200波特率。保证从0Hz到115200波特率下的可靠通讯。

出70入145汤圆

 楼主| 发表于 2013-7-16 16:38:52 | 显示全部楼层
继续,上图的R1选择1K,针对3.3V的系统流过光耦里面的发光侧的电流为1.9mA(压降按1.4V计算)。按照CTR0.3%计算,输出电流只有5.7uA,经过MMBT3904放大,放大倍数按照300倍计算,最大只能输出1.7mA,上拉1K情况下电阻无法被拉到GND的。
这个电路图当时我用分立元件搭的示意图,测试分立器件的CTR值在1%以上。后端输出还是能拉到GND的,当时把VCC1和VCC2直接接3.3V方便测试了。
    当时还有一个比较有趣的事情,因为我在家里测试的时候家里只有MMBT3904,而公司里我一般用BC817,因为817的最大电流和放大倍数都比MMBT3904要大,但是使用BC817后发现波形上升下降没有MMBT3904好,分析室MMBT3904的结电容小,更适合做这边的应用。
     这个电路的原型为6N136,当时测试6B136时发现其上升下降也不是很好,因为输出的波形也和上拉电阻有关,上拉电阻改小之后又要发射电流较大。

出70入145汤圆

 楼主| 发表于 2013-7-16 17:01:18 | 显示全部楼层
放图(我不知道如何在文中制定的地方插入图片)
我把具体的电阻阻值去掉了。用I1和I2代替,还有一个参数是CTR。三极管还是MMBT3904。
我觉得光耦的手册在参考电路这块很坑爹,看到现在从没光耦该出参考电路和电阻计算等。这种看是简单的器件其实使用起来比很多单片机都要难。
    当我写好一个电阻取值范围时,告诉别人要怎么用时(为什么是一个取值范围:因为大电流发射可以使用小上拉电阻,波形的确比较好,但是会很费电,不上115200只用到9600我觉得没必要使用这么大的电流,当多个光耦通讯的时候多费的几个mAXn个器件划不来,还有一个原因是因为觉得光耦的CTR还是可以改的更大,改大后没必要使用更大的I1)最好发现别人使用的时候有问题,一看主要还是没整明白I的取值要保证三极管能导通到GND处,另外还要考虑预留和温度的影响。考虑太多了就麻烦了。不如直接给个电阻值。这个电阻值还要分为3.3V系统和5V系统至少这两种情况,我们还有用4V系统的,不过不是我们部门,我就管不了了。想想还是给个电流值自己算吧。
     说明:I1的取值采用11mA,I2的3到4mA(这个是没有使用空的下拉电阻的情况下)
CTR值对速度的影响。
CTR值        发射电流/接收电流        上升沿(us)        下降沿(us)
0.3%        10mA、4.4mA        3        0.8
0.6%        10mA、4.4mA        3.9        0.7
0.1%        10mA、4.4mA        2.55        1.8

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出70入145汤圆

 楼主| 发表于 2013-7-17 08:46:07 | 显示全部楼层
既然设计同6N136相似,今天早上又特意看了下6N136(数据量很大)发现很是有很多信息可以借鉴的。
关于CTR值,外加MMBT3904也可以达到约60左右,发射电流6N136不小,看来4脚的光耦发射从11mA可以增加到16mA试试看。

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出0入0汤圆

发表于 2013-7-17 09:10:43 | 显示全部楼层
顶顶。学习一下。

出0入0汤圆

发表于 2013-7-17 09:22:19 | 显示全部楼层
这样做一个芯片需要多少开模费?得上多少量才行呀?
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出0入0汤圆

发表于 2013-7-17 11:51:31 | 显示全部楼层
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出70入145汤圆

 楼主| 发表于 2013-7-17 12:04:53 | 显示全部楼层
bbs2009 发表于 2013-7-17 11:51
LZ 的光偶  要  I1 11MA 才能到 112500 Hz 吗?
我用过 6N136    I1  6MA   到 250000Hz。 R2 2K 接 3.3V ...

现在主要是CTR值太小了点,到1%左右的话发射6mA也够了。输出侧上拉2K估计上升沿不会很好。
因为电脑串口最高到115200,再高就没测试了。理论上6N136能达到的速度这个也能达到,因为原理是一样的,这个配合其他的后端处理电路我想也能达到6N137的速度。
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出0入0汤圆

发表于 2013-7-17 13:03:55 | 显示全部楼层
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出0入0汤圆

发表于 2013-7-17 13:05:15 | 显示全部楼层
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出70入145汤圆

 楼主| 发表于 2013-7-17 13:22:56 | 显示全部楼层
这个要使用示波器看波形才能说明问题,本身串口通讯时每1bit只要2/3的部分正确就可以了。频率因为每个都延时所以还是一样的。示波器测试时,表笔打到X10档,本身表笔的电容对上升沿影响已经很明显了。

出0入4汤圆

发表于 2013-7-20 12:07:45 | 显示全部楼层
高速光藕

出0入0汤圆

发表于 2013-7-20 13:22:47 | 显示全部楼层
mark!!!!!!!!!!!!!
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出0入0汤圆

发表于 2013-7-20 16:19:52 | 显示全部楼层
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出70入145汤圆

 楼主| 发表于 2013-7-21 09:39:40 | 显示全部楼层
逻辑分析仪和示波器代表了数字和模拟。逻辑分析仪无法看波形,不利于这种模拟电路的调试,不过好处是直接可以分析数据对不对。我用淘宝最便宜的50元的分析数据是对的,连入单片机就不对了,原因是两者高低电瓶不同,还是低电平不够低造成的。不过高级的逻辑分析仪应该可以设置电平避免吧。现在主要我没有更高波特率的串口试验。

出0入14汤圆

发表于 2019-5-1 10:07:03 | 显示全部楼层
hailing 发表于 2013-7-21 09:39
逻辑分析仪和示波器代表了数字和模拟。逻辑分析仪无法看波形,不利于这种模拟电路的调试,不过好处是直接可 ...

您这个,一共批量定了多少多少呢?少了估计每生产商接单吧?

出70入145汤圆

 楼主| 发表于 2019-5-5 14:56:25 | 显示全部楼层
kickdown 发表于 2019-5-1 10:07
您这个,一共批量定了多少多少呢?少了估计每生产商接单吧?

我当时定制使用了1万多个,后来厂家也供货给别的电表厂家有供货,已经算是一个常规的产品了,当然用量不能和816,817之类的光敏三极管比。厂家是台湾的佰鸿。
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