第6章发光器件与光电耦合器件光电技术教学课件

教学内容 6 2发光二极管的应用6 3半导体激光器6 4光电耦合器件6 5光电耦合器件的应用 第6章发光器件与光电耦合器件 教学基本要求 一了解发光二极管的主要应用场合 二掌握半导体激光器的发光原理 三了解光电耦合器件的主要特点和特性参数 四掌握光电耦合器件的几种典型的应用 6 2发光二极管的应用LED按照应用可以分为照明 背光和显示三大类别 根据DisplaySearch预测 2010年照明LED需求量约110 8亿颗 背光源需求量约377 7亿颗 预估2011年照明及背光LED需求量将分别增至137 7亿颗 486 6亿颗 2012年将分别增至212 7亿颗 550 6亿颗 2013年将分别增至368 7亿颗 552亿颗 至2014年 LED照明与背光LED需求量 则将分别来到604 4亿颗 542亿颗 LED照明设计需要考虑以下几方面的因素 输出功率 涉及LED正向电压范围 电流及LED排列方式等电源 AC DC电源 DC DC电源 直接采用AC电源驱动功能要求 调光要求 调光方式 模拟 数字或多级 照明控制其他要求 能效 功率因数 尺寸 成本 故障处理 保护特性 要遵从的标准及可靠性等 LED日光灯T8日光灯 标称36W 附加镇流器耗电8W 工作时实际耗电44W 照亮流明为420lm 使用寿命3千小时 同样规格的LED日光灯 工作时实际耗电仅16W 照亮流明为550lm 使用寿命可达3万小时 本电路的参数是按每串22个0 06WLED 共15串并联 驱动330个60毫瓦的白光LED负载设计的 每串的电流是17 8毫安 设计输出为36 80V 25OmA PWMLED驱动控制器PT4107 1 GND芯片接地端 2 CSLED峰值电流采样输入端 3 LD线性调光接入端 4 RI振荡电阻接入端 5 ROTP过温保护设定端 6 PWMDPWM调光兼使能输入端 芯片内部有100K上拉电阻 7 VIN芯片电源端 8 GATE驱动外挂MOSFET栅极 1 抗浪涌的NTC抗浪涌的NTC选用300 0 3A热敏电阻 2 EMC滤波在交流电源输入端 一般需要增加由共轭电感 X电容和Y电容组成的滤波器 以增加整个电路抗EMI的效果 滤除掉传导干扰信号和辐射噪声 共轭电感是绕在同一个磁芯上的两个电感量相同的电感 主要用来抑制共模干扰 电感量在10 30mH范围内选取 3 无源PFC 滤波电容C1和C2相串联 电容上的电压最高充到输入电压的一半 VAC 2 一旦线电压降到VAC 2以下 二极管D1和D2就会正向偏置 从而使C1和C2开始并联放电 这样一来 正半周输入电流的导通角从原来的75 105 上升到30 150 负半周输入电流的导通角从原来的255 285 上升到210 330 4 降压稳压电路给PT4107供电的电路是倍容式纹波滤波器 具有电容倍增式低通滤波器和串联稳压调整器双重作用 5 镇流功率电感镇流功率电感L3与Q1MOS管 以及R6 R7 R8 R9并联的电流采样电阻 是此电路恒流输出的三大关键元件 镇流功率电感L3要求Q值高 饱和电流大 电阻小 选用功率电感的绕线电阻要小于2 居里温度大于400 的优质功率电感 一旦电感发生饱和 MOS管 LED光源 PWM控制芯片就会瞬间烧毁 7 PT4107开关频率设定PT4107开关频率的高低决定功率电感L3和输入滤波电容器C1 C2 C3的大小 如果开关频率高 则可选用更小体积的电感器和电容器 但Q1MOSFET管的开关损耗也将增大 导致效率下降 因此 对AC220V的电源输入来说 50kHz 100kHz是比较适合的 PT4107开关频率设定电阻R5计算公式如下 当F 50kHz时 R5 500K 8 电流采样电阻电阻R6 R7 R8 R9并联作为采样电阻 这样可以减小电阻精度和温度对输出电流的影响 并且可以方便地改变其中一个或几个电阻的阻值 达到修改电流的目的 选用千分之一精度 温度系数为50ppm的SMD 1206 1 4W电阻 电流采样电阻R6 R9的总阻值设定和功率选用 要按整个电路的LED光源负载电流为依据来计算 R 6 9 0 275 ILEDPR 6 9 ILED2xR 6 9 9 电解电容器 LED背光驱动LED背光在手机 数码相机 PowerDVD等小尺寸屏上的应用已经非常成熟 近几年也不会有很高的年复合增长率 随着LED光通量的提高 成本的降低以及LED具有的绿色环保 CCFL背光含汞 色域范围广 可进行局部调光等特性 符合目前LCDTV高清节能的发展需求 因此背光的增长点将在笔记本 液晶电视等中大尺寸屏上的应用 CCFL 直下式背光 即LED布满整个液晶面板背部 通过区域亮度控制系统完成类似主动发光原理 虽然色彩逼真 色域覆盖度达到105 对比度更高 但LED使用数量大及区域亮度要求密度较大才可显现出色画质 成本较高 另外一种是侧入式背光 是将LED置于电视边框 LED光源通过多个导光板向屏幕中间反射 让光均匀的打亮面板每个角落 呈现画面 采用此种发光方式的产品 外观非常薄 更加美观 LED背光源液晶电视机采用了LED发光二极管作为背光源 它比冷阴极荧光管背光源有五大优点 一 超广色域 可以达到105 NTSE色域 因此色彩更鲜艳 二 超薄外观 最薄的达到1 99厘米 更加时尚 三 节能环保 能耗比冷阴极背光源低52 并且没有冷阴极管的汞污染 四 寿命长 达到将近10万小时 每天开10小时的话可以使用27年 五 可以达到100000 1的超高对比度 清晰度更高 Edgelighting的基本结构 LED发出的光线经由导光板 LightGuidePlate 的光学作用向上出射成面光源 再经由扩散板 DiffuserPlate 增光膜 BEF 在LCD面板处形成亮度与颜色均匀分布的光斑 1 直接耦合 2 间接耦合 按LCD的面积来设定需要LED点光源的个数 按LED的N串N并的点亮方式来选择不同工作原理 不同输出能力的LED驱动IC AP3031是BCD公司基于Polyemitter工艺研制的新一代背光驱动IC 其特点是将芯片供电电压的最大值由业界常见的6V提高至20V LED显示屏驱动LED显示屏作为一项高科技产品引起了人们的高度重视 采用计算机控制 将光 电融为一体的智能全彩显示屏已经在广泛领域得到应用 其像素点采用LED发光二极管 将许多发光二极管以点阵方式排列起来 构成LED阵列 进而构成LED屏幕 通过不同的LED驱动方式 可得到不同效果的图像 6 3半导体激光器LASER 是 LightAmplificationbyStimuIatadEmissionofRadiation 的缩写 受激发射的辐射光放大 固体激光器 Nd YAG Ti Sapphire等 由光学透明的晶体或玻璃作为固体激光器基质材料 掺以激活离子或其他激活物质构成 特点 器件小 坚固 使用方便 输出功率大连续100W以上脉冲峰值则更高 气体激光器 He Ne CO2 Ar 激光器等 利用气体或蒸气作为工作物质产生激光的器件 它由放电管内的激活气体 一对反射镜构成的谐振腔和激励源等三个主要部分组成特点 结构简单 造价低 操作方便 工作介质均匀 光束质量好 长时间稳定连续工作 占有市场的60 左右 液体激光器 燃料激光器等 特点 输出波长连续可调 覆盖面宽 但工作原理比较复杂 激光器的激活物质是某些有机染料溶解在乙醇 甲醇或水等液体中形成的溶液 为了激发它们发射出激光 一般采用高速闪光灯作激光源 或者由其他激光器发出很短的光脉冲 半导体激光器 LaserDiodeLD GaAlAs InGaAs等 利用半导体介质掺杂 特点 体积小 质量轻 寿命长 结构简单而坚固 6 3 1半导体激光器的发光原理半导体激光器的发光原理涉及受激辐射 粒子数反转与谐振三个关键问题 1 自发辐射与受激辐射当原子在E1与E2两个能级之间产生跃迁时将产生自发辐射 受激辐射和受激吸收三个基本过程 在激光物质中 外来的光子h 可以引起激发态原子的受激辐射 同时也可能被基态原子所吸收 这两个过程是同时存在的 且受激辐射与吸收的几率相同 在常温下基态原子比激发态原子数要多很多 因而吸收大于发射 要产生激光 必须使总发射大于总吸收 产生激光的必要条件之一是受激辐射占主导地位 2 粒子数反转 分布反转 粒子数的反转 粒子分布的反转 要使激光工作物质的受激辐射占主导地位 就必须从外部给工作物质提供能量 如光激励或正向pN结注入等 使处于激发态的载流子数远大于处于基态的载流子数 把载流子的正常分布倒转过来 粒子数的反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的必要条件 也是产生激光发射的必要条件 方法 固体激光器常采用适当谱线的强光对激光物质进行照射 气体激光常采用使气体电离的方法 半导体激光器采用注入载流子的方法使基态的原子跃迁到激发态 并不断地补充高能原子 3 谐振腔为使发射光束具有激光的特点 还必须使其产生 振荡 形成谐振 方法 在激光物质的两侧放置相互平行的反光镜 形成光的 共振 现象 装置称为 共振腔 或 谐振腔 只有与轴线平行的自发辐射光子才能产生 共振 现象而被增强 形成受激辐射 谐振腔是产生激光的又一个必要条件 光子在腔内来回一次所感生出来的光子数比损耗的多得多 即腔内的增益远超过损耗 便可以产生激光谐振 光在两个反射面之间的反射形成两列相反方向传播的光波 只有这两列光波叠加形成驻波时 这种振荡才是稳定的 产生稳定振荡的条件 共振腔的长度L恰好等于辐射光半波长的整数倍 谐振腔的纵模 在共振腔内沿腔轴方向形成的各种可能的驻波 谐振腔的谐振频率 纵模频率 获得激光输出的3个必要条件 1 必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去 为此需要泵浦源 2 要有大量的粒子数反转 使受激辐射足以克服损耗 3 有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益 用以维持受激辐射的持续振荡 法布里 泊罗光学谐振腔 两端的解理面即起反射镜的作用解理面作为反射镜的反射率为 为增益介质的折射率 其典型值为3 5 解理面的反射率为30 只有当增益等于或大于总损耗时 才能建立起稳定的振荡 这一增益被称为阈值增益 为达到阈值增益所要求的注入电流称为阈值电流 设一振幅为E0 频率为 波数K n c的平面波 在长度为L 功率增益系数为g的光腔中往返一次后 其振幅将增大 相位变化 2KL 振幅变化 稳定工作时 平面波在腔内往返一次强度E0应保持不变 等式两边振幅和相位分别相等 或 激光器稳定工作的两个条件 振幅和相位振幅 规定增益和电流的最小值 相位 规定激光器的振荡频率 必为中的一个频率 频率对应于纵向模式 简称纵模 与光学谐振腔的长度有关 一个纵模只有在其增益大于或等于损耗时 才能成为工作模式 即在该频率上形成激光输出 多纵模激光器 多模激光器 有2个以上纵模激励的激光器 单纵模激光器 单模激光器 通过在谐振腔中加入色散元件或采用外腔反馈等方法 可以使激光器只有一个模式激励 6 3 1半导体激光器的结构半导体激光器有电子束激励和注入式两种 1 PN结型二极管注入式激光器 1 结构与原理激光器一般由激发装置 泵源 工作物质及谐振腔等3部分组成 法布里 帕罗共振腔 将工作物质制成PN结并切成长方块 为实现分布反转 结区的两侧都要求是重掺杂半导体材料 杂质浓度一般为1018 lO19cm 3 使费米能级分别进入导带及价带内 平衡态时 P区价带顶没有电子 N区导带底有高浓度的电子 当PN结加上正向偏压后 势垒降低 外加电压U使N区和P区的费米能级分开并分别进入导带和价带内 大量电子由N区越过势垒与p区的空穴复合 发射出能量等于h 的光子 空穴也可由P区流入N区与电子复合发射光子 当外加电压足够大 qU Eg 使hv Eg时 在势垒区和它的两侧一个扩散长度范围内将出现一个分布反转区 这就是发射激光的工作区 加上端面反射的反馈便会产生激光 2 主要特征1 激光阈值条件及影响阈值的因素在激光器中 要维持激光振荡 不仅需要使光子的产生速率超过吸收速率 而且还要超过光子在结区的损耗率 阈值 这种刚好抵偿吸收与损耗的光子产生速率 影响阈值的因素很多 图6 24表示的是衬底相同 共振腔的长度不同时 在不同温度下得到的实验结果 激光器长度L越大 则阈值电流Ith越小 在室温以下的全部温度范围内都能保持良好的线性关系 Ith还与结区表面的透过损耗有关 激光二极管的表面反射率是决定阈值的一个重要因素 反射率的大小依赖于半导体基质 阈值电流对温度很敏感 在低温下Ith随掺杂浓度而增大 在高温下则与T3成正比 要达到同一增益 低温下所需的Ith小 高温下所需的Ith大 半导体激光器多在低温下使用 半导体激光器的阈值电流都比较大 GaAs激光器 在T 4 2K Ith 130A cm2室温下Ith 106A cm2 由于激光器工作时需要的电流很大 Ith电流通过结和串联电阻时 将使结的温度上升 这又将导致阀值电流上升 所以阀值电流很高的激光器 通常用脉冲电流来激励 以降低平均热损耗 2 频谱分布结型激光器的频谱分布取决于组成激光器的半导体材料GaAs激光器的输出波长在77K时为840nm InP在30K时为9lOnm 这时在某一特殊频率时被增强得最多 这个特定频率为谐振腔内形成的驻波频率 也是激光器发出的激光频率 2 异质结激光器为了降低激光器在室温下的阈值电流 实现室温下的连续振荡 1963年有人提出 在较窄禁带宽度材料的两侧加上较宽禁带宽度的材料构成异质结 以限制载流子 这种限制作用 增大了结区载流子浓度 从而提高了受激辐射的效率 1 单异质结激光器 单异质结激光器在低温下阈值电流密度与同质结差不多 但在温度变化时 异质结激光器的阈值随温度的变化较小 室温下的阈值电流密度可降至800OA cm2 但也只能实现室温下的脉冲振荡 2 双异质结激光器 由于两个界面处折射率都发生较大突变 所以光子被更有效地限制在作用区内 双异质结激光器的阈值电流进一步降低到1000一3000A cm2 实现了室温下的连续振荡 阈值电流随温度的变化也较小 异质结激光器的主要改进方向 进一步降低阈值电流密度 提高效率 扩展异质结激光器的光谱波段 3 分布反馈式 DFB 半导体激光器分布反馈 DFB 式半导体激光器 谐振腔内的光反馈是利用周期结构 或衍射光栅 的布拉格反射建立的 而不再用解理面来做光反馈 符合集成光路中将调制器 开关 光波导和光源等制作在一块单片上的要求 易于获得单模单频率的输出 容易与光纤及调制器耦合 l DFB的工作原理 若光程差 L是波长 的整数倍时 则衍射波彼此加强 由于波纹光栅提供反馈的结果 使前向和后向两种光波得到了相互耦合 晶体表面的波纹结构作用 使光波在介质中能自左向右或自右向左来回反射 即实现了腔内的光反馈 起到了没有两端腔反射镜的谐振腔作用 当介质内实现粒子数反转时 光波在来回的反馈作用中不断得以加强 一旦增益满足振荡阈值条件后便可产生激光 DFB激光器的输出激光频率完全由波纹结构周期T所决定 在DFB激光器中 由于周期波纹的存在 其激活层的厚度被周期性调制 0由布拉格条件给出 q 纵模指数 b 满足布拉格条件的波长 波纹结构的作用是使介质的折射率n和增益系数g做周期性变化 DFB结构与普通结构相比 虽然纵模间隔仍为T 2L L为波纹光栅总长度 但是 由于不同纵模到达激励所需要的阈值增益不相同 其中最低次模所要求的阈值增益最低 在一定增益值下 只能激发起最低次模 从而可使DFB激光器获得比普通激光窄得多的谱线输出 2 DFB激光器的结构形式和工作特性 在有源区P GaAs一侧刻制光栅 可用全息照相法或离子刻蚀法制作 周期T为341 6nm 光栅深度为9Onm左右 做成条形结构 条宽5O m 有源区厚1 3 m L 630 m 阈值电流密度Jth 9kA cm2 阈值工作电流为2 6A 峰值发光光谱为811 2nm处 谱线宽为0 03 m 输出谱线为偏振光 偏振面平行于结平面 波长随温度的变化为0 O5nm K 在T 82K时 采用5Ons脉冲测得的单纵模发射光谱 3 分布布拉格反射 DBR 式激光器DFB激光器中的波纹光栅直接刻制在激活区上 从而使光损耗增大 器件发光效率低 工作寿命缩短 通常只能以脉冲方式工作 DBR激光器的主要特点是 将激活区与波纹光栅分开 因而可减小损耗和提高发光效率 降低阈值电流 实现室温下连续工作 Ith 3 5kA cm2 激光波长为89Onm 线宽小于0 Olnm 6 4光电耦合器件光电耦合器件是发光器件与光接收器件组合的一种器件 它是以光作为媒介把输入端的电信号耦合到输出端 也称为光耦合器 他的发送端和接收端是电 磁绝缘的 只有光信息相连 6 4 1光电耦合器件的结构与电路符号1 光电耦合器件的结构 发光器件与光电接收器件靠得很近 但不接触 图中的发光二极管泛指一切发光器件 图中的光电二极管也泛指一切光电接收器件 光电开关 检测两臂间是否存在物体 以及物体的运动速度等参数 2 光电耦合器件的特点 具有电隔离的功能它的输入 输出信号间完全没有电路的联系 所以输入和输出回路的电子零位可以任意选择 绝缘电阻高达1010 l012 击穿电压高达100 25kV 耦合电容小于1PF 信号传输方式信号传输是单向性的 不论脉冲 直流都可以使用 适用于模拟信号和数字信号 具有抗干扰和噪声的能力它作为继电器和变压器使用时 可以使线路板上看不到磁性元件 它不受外界电磁干扰 电源干扰和杂光影响 响应速度快一般可达微秒数量级 甚至纳秒数量级 它可传输的信号频率在直流至10MHz之间 实用性强具有一般固体器件的可靠性 体积小 重量轻 抗震 密封防水 性能稳定 耗电省 成本低 工作温度范围在 55 l00 之间 即具有耦合特性又具有隔离特性它能很容易地把不同电位的两组电路互连起来 圆满地完成电平匹配 电平转移等功能 6 4 2光电耦合器件的特性参数传输特性 输入与输出间的特性隔离特性 输入与输出间隔离 1 传输特性 1 电流传输比 Ic IF在直流工作状态下 光电耦合器件的集电极电流Ic与发光二极管的注入电流IF之比 在工作点Q 它所对应的发光电流为IFQ 对应的集电极电流为ICQ 该点的电流传输比为 Q ICQ IFQ 100 讨论 Q1点 值变小 Q3点 值变小 交流电流传输比 以微小变量定义的传输比 Ic IF 100 电流传输比 随发光电流IF的变化曲线 随环境温度的变化曲线 2 输入与输出间的寄生电容CFCCFC变大的影响 工作频率下降 共模抑制比CMRR下降 系统噪音容易反馈到前面系统中 一般的光电耦合器件 其CFC仅仅为几个pF 高频电路要注意 3 最高工作频率fm分别取决于发光器件与光电接收器件的频率特性 由发光二极管与光电二极管组成的光电耦合器件的频率响应最高 最高工作频率fm接近于10MHz 减小负载电阻会使光电耦合器件的最高工作频率fM增高 4 脉冲上升时间tr和下降时间tf光电耦合器在脉冲电压信号的作用下的时间响应特性用输出端的上升时间tr和下降时间tf描述 减小负载电阻也可获得更好的时间响应特性 传送正弦信号用fm衡量传送脉冲信号用tr和tf衡量 2 隔离特性 1 输入与输出间隔离电压BVCFO一般低压使用时隔离特性都能满足要求 高压使用时 隔离电压成为重要的参数 已经可以制造出用于高压隔离应用的耐压高达几千伏或上万伏的光电耦合器件 BVCFO和 的矛盾关系 2 输入与输出间的绝缘电阻RFC光电耦合器的隔离电阻一般在109 1013 之间 与耐压密切相关 与 的矛盾关系 3 光电耦合器件的抗干扰特性 1 光电耦合器件抗干扰强的原因 光电耦合器件的输入阻抗很低 一般为10 1k 干扰源的内阻很大 为103 106 按分压比计算 能够馈送到光电耦合器件输入端的干扰噪声变得很小 由于干扰噪声源的内阻很大 干扰电压供出的能量却很小 只能形成很弱的电流 而发光二极管只有在通过一定的电流时才能发光 光电耦合器件的输入 输出是用光耦合的 且被密封在管壳内 不会受到外界光的干扰 光电耦合器件的输入 输出间寄生电容很小 为0 5 2pF 绝缘电阻大 为1011 1013 因而输出系统的各种干扰噪音很难通过光电耦合器件反馈到输入系统 6 5光电耦合器件的应用6 5 1用于电平转换工业控制系统所用集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度常不尽相同 如TTL的电源为5V HTL 高阈值逻辑HighThresholdLogic 为12V PMOS为 22V CMOS则为5 20V 实现PMOS电路的电平与TTL电路电平的转换电路 6 5 2用于逻辑门电路两个光电耦合器组成的与门电路输入端Ui1和Ui2同时输入高电平 1 输出端就呈现高电平 1 Uo Ui1 Ui2 光电耦合器件还可以构成与非 或 或非 异或等逻辑电路 由于光电耦合的抗干扰性比晶体管好 因此 用光电耦合器组成的逻辑电路要比晶体管可靠得多 图6 4