光耦合器（光電隔離器）是電子線路中隔離電壓沖擊及噪聲串?dāng)_的優(yōu)選器件，具有休積小、隔離效果好、價格便宜、便于安裝等特點。昌暉儀表結(jié)合A/D轉(zhuǎn)換電路的實例，以6N137為典型芯片，詳細(xì)介紹光耦合器（光電隔離器）的性能和使用方法。
一、6N137原理及典型用法
6N137的結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，信號從腳2和腳3輸入，發(fā)光二極管發(fā)光，經(jīng)片內(nèi)光通道傳到光敏二極管，反向偏置的光敏管光照后導(dǎo)通，經(jīng)電流一電壓轉(zhuǎn)換后送到與門的一個輸入端，與門的另一個輸入為使能端，當(dāng)使能端為高時與門輸出高電平，經(jīng)輸出三極管反向后光電隔離器輸出低電平。當(dāng)輸入信號電流小于觸發(fā)閡值或使能端為低時，輸出高電平，但這個邏輯高是集電極開路的，可針對接收電路加上拉電阻或電壓調(diào)整電路。
圖1 6N137結(jié)構(gòu)原理圖 圖2 6N137使用方法
6N137簡單的結(jié)構(gòu)原理原理如圖2A所示，若以腳2為輸入，腳3接地，則真值表如附表所列，這相當(dāng)于非門的傳輸。若希望在傳輸過程中不改變邏輯狀態(tài)，則從腳3輸入，腳2接高電平。
6N137真值表
輸入 使能 輸出
H H L
L H H
H L H
L L H
隔離器使用方法如圖2B所示，假設(shè)輸入端屬于模塊Ⅰ，輸出端屬于模塊Ⅱ。輸入端有A、B兩種接法，分別得到反相或同相邏輯傳輸，其中RF限流電阻。發(fā)光二極管正向電流0-250μA ,光敏管不導(dǎo)通；光二極管正向壓降注12-1.7V，正向電流6.5-15mA,光敏管導(dǎo)通。若以B方法聯(lián)結(jié)，TTL電平輸入，VCc1為5V時，RF可選500歐姆左右。如果不加限流電阻或阻值很小，6N137仍能工作，但發(fā)光二極管導(dǎo)通電流很大,對VCC1有較大沖擊，尤其是數(shù)字波形較陡時，上升、下降沿的頻譜很寬，會造成相當(dāng)大的尖峰脈沖噪聲，而通常印刷電路板的分布電感會使地線吸收不了這種噪聲，其峰-峰值可達(dá)100mV以上,足以使模擬電路產(chǎn)生自激，A/D 不能正常工作。所以在可能的情況下,RF應(yīng)盡量取大。輸出端由模塊Ⅱ供電,VcC2=4.6-5.5V。VOC2（腳8）和地（腳5）之間必須接一個0.1μF高頻特性良好的電容，如瓷介質(zhì)或鈕電容，而且應(yīng)盡量放在腳5和腳8附近。這個電容可以吸收電源線上紋波，又可以減小光電隔離器接受端開關(guān)工作時對電源的沖擊。腳7是使能端，當(dāng)它在0-0.8V時強(qiáng)制輸出為高（開路）)；當(dāng)它在2.0-VCC2時允許接收端工作，見附表。腳6是集電極開路輸出端，通常加上拉電阻RL。雖然輸出低電平時可吸收電流達(dá)13mA，但仍應(yīng)當(dāng)根據(jù)后級輸入電路的需要選擇阻值。因為電阻太小會使6N137耗電增大，加大對電源的沖擊，使旁路電容無法吸收，而干擾整個模塊的電源，甚至把尖峰噪聲帶到地線上。一般可選4.7kΩ，若后級是TTL輸入電路，且只有1到2個負(fù)載，則用47kΩ或15kΩ也行。CL出負(fù)載的等效電容，它和RL影響器件響應(yīng)時間，當(dāng)RL=350Ω，CL=15pF時，響應(yīng)延遲為48-75ns。注意：6N137不應(yīng)使用太多，因為它的輸入電容有60pF，若過多使用會降低高速電路的性能。情況允許時，考慮把并行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)串行化，由一個光電隔離器傳送。
二、6N137應(yīng)用實例
信號采集系統(tǒng)通常是模擬電路和數(shù)字電路的混合體，其中模數(shù)變換是不可缺少的。從信號通路來說，A/D變換之前是模擬電路，之后是數(shù)字電路。模擬電路和AD變換電路決定了系統(tǒng)的信噪比，而這是評價采集系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵參數(shù)。為了提高信噪比，通常要想辦法抑制系統(tǒng)中噪聲對模擬和AD電路的干擾。在各種噪聲當(dāng)中，由數(shù)字電路產(chǎn)生并串入模擬及AD電路的噪聲普遍存在且較難克服。數(shù)字電平上下跳變時集成電路耗電發(fā)生突變，引起電源產(chǎn)生毛刺，通常對開關(guān)電源影響比線性電源大，因為開關(guān)電源在開關(guān)周期內(nèi)不能響應(yīng)電流突變，而僅由電容提供電流的變化部分。一般數(shù)字電路越復(fù)雜,數(shù)據(jù)速率越高，累積的電流跳變越強(qiáng)烈，高頻分量越豐富。而普通印刷電路的分布電感較大，使地線不能完全吸收邏輯電平跳變產(chǎn)生的電流高須分量，產(chǎn)生電壓的毛刺，而這種毛刺進(jìn)入地線后就不能靠旁路電容吸收了，而且會通過共同的地線或穿過變壓器，干擾模擬電路和AD轉(zhuǎn)換器，其幅度可高達(dá)幾百毫伏，足以使AD工作不正常。
在昌暉儀表研制的某數(shù)據(jù)集系統(tǒng)，要求信噪比1000，12位量化級別，并行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率500kBs/。要達(dá)到上述要求，A/D能否達(dá)到轉(zhuǎn)換精度是個關(guān)鍵。在未采用光電隔離器的電路中，雖采取了一系列措施，但因各模塊間地線相聯(lián)，數(shù)字電路中尖峰噪聲影響仍較大，系統(tǒng)信噪比只達(dá)500。故我們采用6N137將模擬電路及AD變換器和數(shù)字電路徹底隔離,，如圖3所示。
圖3 帶光電隔離器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
電源部分由隔離變壓器隔離,減少電網(wǎng)中的噪聲影響。數(shù)字電源和模擬電源不共地,由于模擬電源一般只有±15V，而A/D轉(zhuǎn)換器還需要+5電源，為使數(shù)字電路與模擬電路真正隔離，+5電源由+15V模擬電源經(jīng)DC-DC變換器得到。模擬電路以及A/D轉(zhuǎn)換電路與數(shù)字電路的信號聯(lián)系都通過6N137。逐次比較型A/D并行輸出12位數(shù)據(jù)，每一路信號經(jīng)緩存器后送入6N137的腳3，進(jìn)行同相邏輯傳輸至數(shù)字電路，輸入端限流電阻選用470Ω，輸出端上拉電阻選用47kQ，輸出端電源和地間(即6N137的腳8和腳5間)接0.1μF瓷片電容，作為旁路電容以減少對電源的干擾。6N137的使能端接選通信號，使6N137在數(shù)據(jù)有效時才工作，減少工作電流。模擬電路和A/D轉(zhuǎn)換所需的各路控制信號也通過6N137接收，接法同上，在時序設(shè)計中要特別注意6N137約有50ns的延時。與未采用光電隔離器的數(shù)據(jù)采集電路相比,系統(tǒng)信噪比提高了一倍以上,滿足了系統(tǒng)設(shè)計要求。
文章作者：邵暉 舒嶸
