雙向信號光電隔離裝置及雙向信號光電隔離集成晶片的製作方法
2023-05-06 19:28:11
專利名稱：雙向信號光電隔離裝置及雙向信號光電隔離集成晶片的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種信號隔離裝置，尤其是一種雙向信號光電隔離裝置 及雙向信號光電隔離集成晶片。
背景技術：
目前，國內外生產的光電隔離器件為單總線信號單向隔離器，這種隔離 器只能實現單總線信號單向隔離傳輸。對於一些需要信號雙向光電隔離傳輸的領域，如滑鼠、^t盤或USB與主機信號的雙向隔離傳輸等，目前尚未實現。 世界上第一款能實現單總線信號雙向隔離的器件是美國AD公司推出的基於 電磁隔離技術的數字隔離器(型號為ADUM1250/1251 )。這種數字隔離器採 用的是電磁技術，結構複雜，成本高。實用新型內容本實用新型第一方面的目的是提供一種雙向信號光電隔離裝置，以解決 信號的雙向光電隔離傳輸問題，具有結構簡單，成本低等特點。為了實現上述目的，本實用新型第一方面提供一種雙向信號光電隔離 裝置，包括第一光電耦合器，所述第一光電耦合器的光發射元件與第一電壓端和第 一數據端串接，所述第一光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第一反向 截止元件與第二數據端串接；第二光電耦合器，所述第二光電耦合器的光發射元件與第二電壓端和第 二數據端串接，所述第二光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第二反向 截止元件與第一數據端串接；所述第一光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第一正嚮導通元件 與所述第二光電耦合器的光發射元件的電壓輸入端相連，所述第二光電耦合 器的光敏元件的數據輸出端通過第二正嚮導通元件與所述第一光電耦合器的 光發射元件的電壓輸入端相連。
本實用新型結構簡單，成本低，可以實現雙向數位訊號或雙向模擬信號 的光電隔離傳輸。
本實用新型第二方面的目的是提供一種雙向信號光電隔離集成晶片，以 解決多路信號的雙向光電隔離傳輸問題，具有結構筒單，成本低，易於實現 等特點。
為了實現上述目的，本實用新型第二方面提供了一種雙向信號光電隔 離集成晶片，所述雙向信號光電隔離集成晶片由一個以上所述雙向信號光
電隔離裝置構成，所述雙向信號光電隔離裝置包括
第一光電耦合器，所述第一光電耦合器的光發射元件與第一電壓端和第 一數據端串接，所述第一光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第一反向 截止元件與第二數據端串接；
第二光電耦合器，所述第二光電耦合器的光發射元件與第二電壓端和第 二數據端串接，所述第二光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第二反向 截止元件與第 一數據端串接；
所述第一光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第一正嚮導通元件與 所述第二光電耦合器的光發射元件的電壓輸入端相連，所述第二光電耦合器
的光敏元件的數據輸出端通過第二正嚮導通元件與所述第一光電耦合器的光 發射元件的電壓輸入端相連。
當有多個所述雙向信號光電隔離裝置時，多個所述雙向信號光電隔離 裝置並聯連接。
本實用新型結構簡單，成本低，可以實現多路雙向數位訊號或多路雙 向模擬信號的光電隔離傳輸。本實用新型提供了一種雙向信號光電隔離裝置，通過兩個光電耦合器、 兩個正嚮導通元件和兩個反向截止元件連接成雙向信號光電隔離裝置從而實 現雙向信號的光電隔離傳輸；本發明還提供了一種雙向信號光電隔離集成芯 片，由一個以上雙向信號光電隔離裝置並聯連接實現多路信號的光電隔離傳 輸。本實用新型結構簡單，成本低，抗幹擾能力強，速度快，易於集成化實
現，可以廣泛應用於開關電源、計算機電源、It總線、USB總線、CAN總線、 鍵盤及滑鼠等信號的隔離，並可替代目前的單向光耦。
下面通過附圖和實施例，對本實用新型的技術方案做進一步的詳細描述。
圖1為本實用新型雙向信號光電隔離裝置原理框圖2為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例一電路圖3為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例二電路圖4為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例三電路圖5為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例四電路圖6為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例五電路圖7為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例六電路圖8為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例七電路圖9為本實用新型雙向信號光電隔離集成晶片實施例一電路圖10為本實用新型雙向信號光電隔離集成晶片實施例二電路圖11為本實用新型雙向信號光電隔離集成晶片實施例三電路圖12為本實用新型雙向接口原理框圖13為本實用新型雙向接口實施例一電路圖14為本實用新型雙向接口實施例二電路圖15為本實用新型雙向接口實施例三電路圖16為本實用新型雙向接口實施例四電路圖。
具體實施方式
圖1為本實用新型雙向信號光電隔離裝置原理框圖，如圖l所示，本實 用新型雙向信號光電隔離裝置由兩個光電耦合器，兩個正嚮導通元件，兩個 反向截止元件組成。第一光電耦合器的光發射元件與第一電壓端和第一數據
端串接，第一光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第一反向截止元件與 第二數據端串接；
第二光電耦合器的光發射元件與第二電壓端和第二數據端串接，第二光 電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第二反向截止元件與第 一數據端串
接；
第 一 光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第一正嚮導通元件與所 述第二光電耦合器的光發射元件的電壓輸入端相連，第二光電耦合器的光敏 元件的數據輸出端通過第二正嚮導通元件與所述第一光電耦合器的光發射元 件的電壓輸入端相連。
本實用新型結構簡單，成本低，抗幹擾能力強，易於集成化實現。 再如圖2所示，為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例一電路圖， 本實用新型雙向信號光電隔離裝置包括作為第一光電耦合器的光電耦合器
Ul和作為第二光電耦合器的光電耦合器U2,作為第一反向截止元件的二極體 D3和作為第二反向截止元件的二極體D2，作為第一正嚮導通元件的二極體 D4和作為第二正嚮導通元件的二極體Dl，以及用於限流的負載元件電阻Rl 和電阻R2。
在本實施例中，光電耦合器U1的發光二極體的陽極與第一電壓端連接， 光電耦合器Ul的發光二極體的陰極與第一數據端DATA1連接，光電耦合器 Ul的光電三極體的集電極通過二極體D3與第二數據端DATA2相連接，光電 耦合器Ul的光電三極體的發射極接第二地GND2;也可以通過小阻值的電阻 或者小感抗的電感接GND2;也可以在光電耦合器Ul的數據輸入端或數據輸出端外接保護電路。
光電耦合器U2的發光二極體的陽極與第二電壓端連接，光電耦合器U2 的發光二極體的陽極通過二極體D4與光電耦合器Ul的光電三極體的集電極 連接，光電耦合器U2的發光二極體的陰極與第二數據端DATA2連接，光電耦 合器U2的光電三極體的集電極通過二極體D2與第一數據端DATA1連接，光 電耦合器U2的光電三極體的集電極通過二極體Dl與光電耦合器Ul的發光二 極管的陽極連接，光電耦合器U2的光電三極體的發射極接第一地GND1;也 可以通過小阻值的電阻或者小感抗的電感接GND2;也可以在光電耦合器Ul 的數據輸入端或數據輸出端外接保護電路。
在本實施例中，二極體Dl的陽極與光電耦合器U1的發光二極體的陽 極連接，其陰極與光電耦合器U2的光電三極體的集電極連接；二極體D2的 陽極與第一數據端DATA1連接，其陰極與光電耦合器U2的光電三極體的集電 極連接；二極體D3的陽極與第二數據端DATA2連接，其陰極與光電耦合器 Ul的光電三極體的集電極連接；二極體D4的陽極與光電耦合器U2的發光二 極管的陽極連接，其陰極與光電耦合器U1的光電三極體的集電極連接。
在本實施例中，為了限流，光電耦合器Ul和第一電壓端之間，光電 耦合器U2和第二電壓端之間還設置有負載元件，光電耦合器U1的發光二 極管的陽極通過電阻Rl與第一電壓端連接，光電耦合器U2的發光二極體 的陽極通過電阻R2與第二電壓端相連接。
針對現有技術沒有實現雙向信號的光電隔離傳輸的缺陷，本實用新型提 出了一種雙向信號光電隔離裝置，通過兩個光電耦合器、四個二極體和兩個 電阻連接成雙向信號光電隔離裝置從而實現雙向信號的隔離傳輸。本實用新 型結構簡單，成本低，抗幹擾能力強，易於集成化實現，可以廣泛應用在開 關電源、計算機電源、TC總線、USB總線、CAN總線、鍵盤及滑鼠等信號的 隔離，並可替代目前的單向光耦。
在本實施例中，第一數據端DATA1和第二數據端DATA2傳輸的信號均為數位訊號，第一電壓端和第二電壓端不同，第一電壓端供給光電耦合器U1的發光二極體和光電耦合器U2的光電三極體，二極體Dl和二極體D2傳輸信號 所需的電源電壓，第二電壓端供給光電耦合器U2的發光二極體和光電耦合器 Ul的光電三極體，二極體D4和二極體D3傳輸信號所需的電源電壓，與其對 應的是第一地GND1和第二地GND2。上電之後，第一數據端DATA1和第二數 據端DATA2均為高電平。以第一數據端DATA1向第二數據端DATA2發送數據 為例，第一電壓端的電源電壓經電阻R1加載到光電耦合器Ul的發光二極體 的兩端，當第一數據端DATA1有交變的信號時，即第一數據端DATA1有電壓 高低電平轉換時(如由電壓高電平變為低電平)，這時光電耦合器Ul的發光 二極體導通，有電流通過，光電耦合器Ul的發光二極體發光使得光電耦合器 Ul的光控三極體導通，這時c點變為低電平，c點電平變低的同時使第二數 據端DATA2和d點變為低電平，則光電耦合器U2的發光二極體不會導通，從 而光電耦合器U2的光控三極體處於截止狀態。這樣就不會有信號返回去串擾 DATA1端發出的數據信號，從而實現了信號由第一數據端DATA1經光電隔離 後同相的傳到了第二數據端DATA2。同理，信號可以由第二數據端DATA2經 光電隔離同相的傳到第一數據端DATA1。本實施例既可以實現數位訊號的低速隔離傳輸又可以實現數位訊號的高 速隔離傳輸。當需要數位訊號的高速隔離傳輸時，可以選用型號為6N137的 光電耦合器，使其工作在開關狀態即可傳輸數位訊號；當需要數位訊號的低 速隔離傳輸時，可以選用型號為PC817, TLP521-1， TLP521-2， TLP521-4以 及TLP621-1， TLP621-2, TLP 621-4等的光電耦合器，並使其工作在開關狀 態。高速光電耦合器和低速光電耦合器都可應用於光敏耦合開關電路中。進 一步地，本實施例既可以傳輸單極性數字/模擬信號，也可以傳輸雙極性數字 /模擬信號，當傳輸雙極性數字/模擬信號時，只需將信號的正電壓端 VDD1/VDD2端接到第一電壓端/第二電壓端，將信號的負電壓端VSS1/VSS2端 相應的接到GND1/GND2。同時第一數據端DATA1以第一正電壓端VDD1和第一負電壓端VSS1的公共地GND1為信號地，且第二數據端DATA2以第二正電壓 端VDD2和第二負電壓端VSS2的公共地GND2為信號地。本實用新型結構簡單，成本低，抗幹擾能力強，易於集成化實現。圖3為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例二電路圖，如圖3所示， 本實施例由作為第一光電耦合器的線性光電耦合器U3和作為第二光電耦合 器的線性光電耦合器U4 (本實施例以HCNR200/201為例)，作為第一反向截 止元件的二極體D3和作為第二反向截止元件的二極體D2,作為第一正嚮導 通元件的二極體D4和作為第二正嚮導通元件的二極體Dl，以及用於限流的 負載元件電阻R1和電阻R2組成。在本實施例中，線性光電耦合器U3的1腳與模擬信號端AS1相連，其2 腳通過電阻Rl與第一電壓端相連，其4腳接第一地GND1,其5腳接第二地 GND2，其6腳通過二極體D3與模擬信號端BS1相連，其中線性光電耦合器 U3的6腳接二極體D3的陰極，模擬信號端BS1接二極體D3的陽極；線性光 電耦合器U3的6腳與二極體D4的陰極相連接，二極體D4的陽極與線性光電 耦合器U4的2腳相連接。線性光電耦合器U3的1腳、2腳為信號輸入端，3、 4腳為信號反饋端，5、 6腳為信號輸出端。線性光電耦合器U4的1腳與模擬信號端BS1相連，其2腳通過電阻R2 與第二電壓端相連，其4腳接第二地GND2，其5腳接第一地GND1，其6腳通 過二極體D2與模擬信號端AS1相連，其中線性光電耦合器U4的6腳接二極 管D2的陰極，模擬信號端AS1接二極體D2的陽極；且線性光電耦合器U4的 6腳與二極體Dl的陰極相連接，二極體Dl的陽極與線性光電耦合器U3的2 腳相連接。線性光電耦合器U4的l腳、2腳為輸入端，3、 4腳為反饋端，5、 6腳為輸出端。在本實施例中，模擬信號端AS1和BS1傳輸的信號為模擬信號。上電後， 模擬信號端AS1和模擬信號端BS1均為高電平，以模擬信號端AS1向模擬信 號端BS1傳輸信號為例，第一電壓端的電源電壓經電阻R1和線性光電耦合器U3的發光二極體到模擬信號端AS1。當模擬信號端AS1有交變的信號時，即 模擬信號端AS1的電壓信號有電壓高低電平變化時，線性光電耦合器U3的發 光二極體有電流通過，即線性光電耦合器U3工作，從而線性光電耦合器U3 的兩個光電二極體導通，同時二極體D3、 D4導通，由於線性光電耦合器U4 的1、 2腳的電壓相等，使得線性光電耦合器U4的發光二極體中就不會有電 流流過，線性光電耦合器U4的光電二極體處於截止狀態，這樣就不會有信號 返回到模擬信號端AS1去串擾該端傳輸的模擬信號。這樣就實現了信號由模 擬信號端AS1經光電隔離同相地傳到了模擬信號端BS1。同理，模擬信號亦 可以由模擬信號端BS1經光電隔離同相的傳輸到模擬信號端AS1。本實施例可以實現模擬信號的雙向光電隔離傳輸，線性光電耦合器可以 選用HCNR200/201，由於其3辨咖4腳為反饋端，可以外接接口電路對輸出信號進 行反饋，使得傳輸模擬信號的線性效果更好；也可以選用型號為TLP521-1或 PC817的光電耦合器，使其工作在線性狀態即可實現傳輸模擬信號。以上說明只是示意性的，並不是唯一的。光電耦合器、正嚮導通元件、 反向截止元件的種類和型號可以根據使用的需要靈活選用，如光電耦合器 的光敏元件可以為二極體型、三極體型、複合三極體型、金屬陶瓷高速光 電耦合器等；正嚮導通元件和反向截止元件為二極體、三極體、繼電器或 場效應管、電阻、電容、電感及其組合等；電阻的阻值也根據使用需要靈 活選用，如1K歐姆、500歐姆等，或者將電阻設置在外接電路中。圖4為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例三電路圖，如圖4所示， 本實施例與上述實施例的不同在於本實施例光電耦合器選用帶使能端的光 電耦合器，(本實施例以型號為6N137的光電耦合器為例)，在光電耦合器 U5的光敏元件上帶有使能端l腳，在光電耦合器U6的光敏元件上帶有使能 端2腳，使得光電耦合器的使用可控。如當需要光電耦合器U5工作時，可以 將l腳接高電平，當不需要光電耦合器U5工作時，可以將l腳接低電平。光 電耦合器U6的工作情況與光電耦合器U5相同。圖5為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例四電路圖，如圖5所示，本實施例與上述實施例的不同在於本實施例光電耦合器U7和U8的光敏元 件為兩個二極體組成，這種二極體為兩個方向導通，因其導通需要的電流比 較大，反應比較慢，更適合用於模擬信號的光電隔離傳輸。圖6為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例五電路圖，如圖6所 示，本實施例與上述實施例的不同在於本實施例光電耦合器U9、 U10的 光敏元件為一個光敏二極體，其反應速度比較慢，更適合用於模擬信號的 光電隔離傳輸。圖7為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例六電路圖，如圖7所示， 本實施例與上述實施例的不同在於在光電耦合器U1的發光二極體的陰極和 第一數據端DATA1之間，光電耦合器U2的發光二極體的陰極和第二數據端 DATA2之間還設置有接口電路，用於實現與不同信號接口的連接。如TTL/CM0S 接口為邏輯'0，(低電平)0V;邏輯'1，(高電平)5V， LVTS接口為 邏輯'0，(低電平)0V;邏輯T (高電平)3. 3V，型號為RS232的接口 為邏輯'0，:十9至+12V;邏輯T: -9至-12V，還有如信號為RS485的 接口為差分信號、USB接口、乙太網接口等。在本實施例中，接口電3各還可以為雙向接口 。再如圖7所示，並參見 圖12所示，圖12為本實用新型雙向接口原理框圖，雙向接口電路包括第 一電晶體電路和第二電晶體電路。當第一數據端DATA1向第二數據端 DATA2發送數據或信號時，要同時關閉第二數據端DATA2向第一數據端 DATA1發送數據或信號的通道，使得第二數據端DATA2的數據或信號不能 反饋到第一數據端DATA1去幹擾第一數據端DATA1發送數據或信號。同樣， 當第二數據端DATA2向第一數據端DATA1發送數據或信號時，要同時關閉 第一數據端MTA1向第二數據端DATA2發送數據或信號的通道，使得第一 數據端DATA1的數據或信號不能反饋到第二數據端DATA2去幹擾第二數據 端DATA2發送數據或信號。圖13為本實用新型雙向接口實施例一電路圖，如圖13所示，其工作原理為上電後第一數據端DATA1與第二數據端DATA2均為高電平。以 a點為例，當第一數據端DATA1向第二數據端DATA2傳輸數據時，a點電 壓變低，三極體Q1導通工作，使得b點電壓變低。根據PNP管的工作原 理可知基極電壓低於發射基電壓時PNP型三極體才能導通工作，故三極 管Ql導通工作時Q2不工作。這樣，b點電壓跟隨a點電壓變化，使得數 據或信號同相地由a點傳輸到b點，亦即數據或信號同相地由第一數據端 DATA1傳輸到第二數據端DATA2。同理，數據或信號亦可同相地由第二數 據端DATA2傳輸到第一數據端DATA1。當傳輸雙極性數字或模擬信號時，可將第一/第二電壓端接雙極性信 號的正電壓端VDD1/VDD2， GND1/GND2接負電壓端VSS1/VSS2，第一數據端 DATA1和第二數據端DATA2傳輸的信號以VDD1/VDD2和VSS1/VSS2的公共 地為信號地。在本實施例中，PNP三極體Ql和Q2可以用二極體代替，如圖M所 示，為本實用新型雙向接口實施例二電路圖；或者用複合PNP管代替，如 圖15所示，為本實用新型雙向接口實施例三電路圖，或兩個P溝道場效 應管來代替，如圖16所示，為本實用新型雙向接口實施例四電路圖。本實施例中雙向接口電路增強了信號的驅動能力，使得後續電路更易 於處理。圖8為本實用新型雙向信號光電隔離裝置實施例七電路圖，如圖8所示， 本實施例與上述實施例的不同在於本實施例第一正嚮導通元件為PNP三極 管，第二正嚮導通元件為複合三極體。當然也可以第一正嚮導通元件和第二 導通元件都選用PNP三極體或者都選用複合三極體，或者在第一光電耦合器 工作時，可以將第二光電耦合器的光發射元件端的電壓降為低電平的器件。本實用新型結構簡單，成本低，抗幹擾能力強，傳輸速度快，易於實 現，可以廣泛應用於"C總線、USB總線、CAN總線、鍵盤及滑鼠等數位訊號的隔離傳輸，並可替代目前的單向光耦。圖9為本實用新型雙向信號光電隔離集成晶片實施例一電路圖，如圖9 所示，本實施例是以It信號為例的具體應用來說明，兩個雙向信號光電隔離 裝置並聯組成的兩通道雙向信號光電隔離集成晶片。本實施例由光電耦合器U5、 U6、 Ull和U12 (本實施例以高速光電耦合器6N137為例)，二極體D1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7和D8 (本實施例以二極體4007為例)，電阻R1、 R2、 R3和R4 (本實施例以500歐電阻為例)，以及兩個^妄槽Jl、 J2組成。在本實施例中，光電耦合器U5的1腳通過電阻R1與第一電壓端連接， 其2腳與接槽Jl的3腳連接，其3腳與第二電壓端連接，其4腳通過二極體 D3與接槽J2的3腳連接，其中光電耦合器U5的4腳接二極體D3的陰極， 接槽J2的3腳接二極體D3的陽極，其5腳接第二地GND2。光電耦合器U6的1腳通過電阻R2與第二電壓端連接，其1腳還通過二 極管D4接光電耦合器U5的4腳，其中光電耦合器U6的1腳接二極體D4的 陽極，光電耦合器U5的4腳接二極體D4的陰極；其2腳與接槽J2的3腳連 接；其3腳與第一電壓端連接；其4腳通過二極體D2與接槽Jl的3腳連接， 其中光電耦合器U6的4腳接二極體D2的陰極，接槽Jl的3腳接二極體D2 的陽極；其4腳還通過二極體Dl與光電耦合器U5的1腳連接，其中光電耦 合器U6的4腳接二極體Dl的陰極，光電耦合器U5的1腳接二極體Dl的陽 極；其5腳接第一地GND1。光電耦合器Ull的1腳通過電阻R3與第一電壓端連接；其2腳與接 槽J1的2腳連接；其3腳與第二電壓端連接；其4腳通過二極體D8與接 槽J2的2腳連接，其中光電耦合器Ull的4腳接二極體D8的陰極，接槽 J2的2腳接二極體D8的陽極，其5腳接第二地GND2。光電耦合器U12的1腳通過電阻R4與第二電壓端連接，其1腳還通 過二極體D7接光電耦合器Ull的4腳，其中光電耦合器U12的1腳接二 極管D7的陽極，光電耦合器Ull的4腳接二極體D7的陰極；其2腳與接槽H的2腳連接；其3腳與第一電壓端連接；其4腳通過二極體D6與接 槽J1的2腳連接，其中光電耦合器U12的4腳接二極體D6的陰極，接槽 Jl的2腳接二極體D6的陽極；其4腳還通過二極體D5與光電耦合器Ull 的1腳連接，其中光電耦合器U12的4腳接二極體D5的陰極，光電耦合 器Ull的l腳接二極體D5的陽極；其5腳接第一地GND1。此外，接槽Jl的1腳接第一電壓端，其4腳接第一地GND1。接槽J2的 l腳接第二電壓端，其4腳接第二地GND2。在本實施例中，TC信號的傳輸特點為時鐘信號和數據信號同時發送， 且一個時鐘信號對應一位數據信號。接槽Jl的3腳為數據信號端DATA1， 其2腳為時鐘信號端CLK1，接槽J2的3腳為數據信號端DATA2,其2腳 為時鐘信號端CLK2。數據信號端和時鐘信號端傳輸的信號均為數位訊號。 上電之後，數據信號端DATA1， DATA2和時鐘信號端CLK1, CLK2均為高電 平。以數據信號端DATA1和時鐘信號端CLK1向數據信號端DATA2和時鐘 信號端C L K 2傳輸數據信號為例，第 一 電壓端的電源電壓經電阻R1加載到 光電耦合器U5的發光二極體的兩端，並經電阻R3加載到光電耦合器Ull 的發光二極體的兩端，當數據信號端DATA1有信號時，即數據信號端DATA1 由電壓高電平變為低電平，時鐘信號端CLK1同時有信號，時鐘信號端CLK1 也由電壓高電平變為低電平，這時光電耦合器U5和光電耦合器Ull的發 光二極體均導通，有電流通過；光電耦合器U5的發光二極體發光使得光 電耦合器U5的光控三極體導通，數據信號DATA2端變為低電平，光電耦 合器Ull的發光二極體同時發光使得光電耦合器Ull的光控三極體導通， 時鐘信號端CLK2變為低電平；則光電耦合器U6的發光二極體不會導通， 從而光電耦合器U6的光控三極體處於截止狀態；光電耦合器U12的發光 二極體不會導通，光電耦合器U12的光控三極體也處於截止狀態。這樣就 不會有信號返回去串擾數據信號端DATAr發出的數據信號和時鐘信號端 CLK1發出的時鐘信號，從而實現了信號由數據信號端DATA1經光電隔離後同相的傳到了數據信號端DATA2，同時由時鐘信號端CLK1經光電隔離後同 相的傳到了時鐘信號端CLK2。同理，信號可以由數據信號端DATA2經光電 隔離同相的傳到數據信號端DATA1,同時時鐘信號由CLK1經光電隔離同相 的傳到時鐘信號端CLK2。以上說明只是示意性的，並不是唯一的。光電耦合器、正嚮導通元件、 反向截止元件的種類和型號可以根據使用的需要靈活選用，如光電耦合器 的光敏元件可以為二極體型、三極體型、複合三極體型、金屬陶瓷高速光 電耦合器等；正嚮導通元件和反向截止元件為二極體、三極體、繼電器或 場效應管、電阻、電容、電感及其組合等；電阻的阻值也根據使用需要靈 活選用，如1K歐姆、500歐姆等，或者將電阻設置在外接電路中。本實用新型結構筒單，成本低，抗幹擾能力強，易於集成化實現。圖10為本實用新型雙向信號光電隔離集成晶片實施例二電路圖，如 圖IO所示，本實施例為兩個雙向信號光電隔離裝置並聯組成的兩通道雙向 信號光電隔離集成晶片。本實施例由線性光電耦合器U3、 U4、 U13和U14， 二極體D1、 D2、 D3、 D4、 D5、 D6、 D7和D8，電阻R1、 R2、 R3、 R4組成。在本實施例中，線性光電耦合器U3的1腳與接槽H的3腳相連，其2 腳通過電阻Rl與第一電壓端相連，其4腳接第一地GND1，其5腳接第二地 GND2,其6腳通過二極體D3與接槽Jl的3腳相連，其中光電耦合器U3的6 腳接二極體D3的陰極，接槽Jl的3腳接二極體D3的陽極。線性光電耦合器U4的1腳與接槽Jl的3腳連接，其2腳通過電阻R2與 第二電壓端相連，其4腳接第二地GND2，其5腳接第一地GND1，其6腳通過 二極體D2與接槽J2的3腳連接。其中光電耦合器U4的6腳接二極體D2的 陰極，接槽J2的3腳接二極體D2的陽極。線性光電耦合器U13的1腳與接槽J2的2腳相連，其2腳通過電阻R3 與第一電壓端相連，其4腳接第一地GND1，其5腳接第二地GND2，其6腳通 過二極體D7與接槽Jl的2腳相連。線性光電耦合器U14的1腳與接槽Jl的2腳連接，其2腳通過電阻R4 與第二電壓端相連，其4腳接第二地GND2，其5腳接第一地GND1，其6腳通 過二極體D6與接槽J2的2腳連接。此外，接槽J2的l腳接第一電壓端，其4腳接第一地GND1。接槽J1的 l腳接第二電壓端，其4腳接第二地GND2。在本實施例中，接槽J2的3腳為模擬信號端AS1，其2腳為模擬信號 端AS2，接槽Jl的3腳為模擬信號端BS1，其2腳為模擬信號端BS2，均傳 輸模擬信號，且模擬信號端AS1和AS2，或模擬信號端BS1和BS2可以同時 傳輸信號。上電後，模擬信號端AS1、 AS2和模擬信號端BS1、 BS2均為高電 平，以;漠擬信號端ASl, AS2向BS1、 BS2端傳輸信號為例，第一電壓端的電 源電壓經電阻Rl和線性光電耦合器U3的發光二極體到模擬信號端AS1,同 時經電阻R3和線性光電耦合器U13的發光二極體到模擬信號端AS2;當模擬 信號端AS1和AS2有信號時，即模擬信號端AS1和AS2由高電壓變低時，則 線性光電耦合器U3和線性光電耦合器U13的發光二極體有電流通過，即線性 光電耦合器U3和線性光電耦合器U13工作，從而線性光電耦合器U3和U13 的兩個光控三極體導通，線性光電耦合器U4的發光二極體中就不會有電流流 過，線性光電耦合器U4的光控三極體處於截止狀態，這樣就不會有信號返回 到模擬信號端AS1去串擾該端的模擬信號；同時線性光電耦合器U14的發光 二極體中就不會有電流流過，線性光電耦合器U14的光控三極體處於截止狀 態，這樣就不會有信號返回到模擬信號端AS2去串擾此端的模擬信號。這樣 就實現了信號由模擬信號端AS1和AS2經光電隔離同相地傳到了模擬信號端 BS1和BS2。同理，模擬信號亦可以由模擬信號端BS1和BS2經光電隔離同相 的傳到模擬信號端AS1和AS2。以上說明只是示意性的，並不是唯一的，例如光電耦合器、二極體 的種類和型號可以根據使用的需要靈活選用，如二極體型、三極體型、復 合三極體型、金屬陶瓷高速光電耦合器、單向低通導型光耦模擬開關、雙向低通導型光耦模擬開關和線性光耦等；二極體可以釆用三極體、場效應 管、繼電器、電阻、電容、電感及其組合；也可以外接保護電路；電阻也 根據使用需要靈活選用，如1K歐姆、500歐姆等。或者將電阻設置在外接 電路中。當多個雙向信號光電隔離裝置並聯時，可以設置接口電路，用於 實現與不同信號接口的連接。如TTL/CMOS接口為邏輯'0，(低電平) OV;邏輯T (高電平)5V， LVTS接口為邏輯'0，(低電平)OV; 邏輯T (高電平)3. 3V，型號為RS232的接口為邏輯'0， +9 至+12V;邏輯'1， -9至-12V，還有如信號為RS485的接口為差分信 號、USB接口、乙太網接口等。圖11為本實用新型雙向信號光電隔離集成晶片實施例三電路圖，如 圖11所示，本實施例與上述實施例的不同在於組成本實施例的兩個雙 向信號光電隔離裝置不同，光電耦合器U3、光電耦合器U4為線性光電耦 合器，光電耦合器U3、 U4， 二極體D1、 D2、 D3和D4，電阻R1、 R2組成的 雙向信號光電隔離裝置用於實現模擬信號的雙向光電隔離傳輸，線性光電耦 合器可以選用HCNR200/201,由於其3腳和4腳為反饋端，可以外接接口電 路對輸出信號進行反饋，使得傳輸模擬信號的線性效果更好。光電耦合器U5、 U6和二極體D5、 D6、 D7和D8，電阻R3、 R4組成的雙向信號光電耦合器用於 實現數位訊號的高速或低速雙向隔離傳輸，當需要數位訊號的高速隔離傳輸 時，可以選用型號為6N137的光電耦合器，使其工作在開關狀態即可高速 傳輸數位訊號；當需要數位訊號的低速隔離傳輸時，可以選用型號為 PC817， TLP521-1， TLP521-2, TLP521-4以及TLP62卜1 ， TLP621-2， TLP621-4 等的光電耦合器，並使其工作在開關狀態。進一步地，本實施例既可以傳 輸單極性數字/模擬信號，也可以傳輸雙極性數字/模擬信號，當傳輸雙極 性數字/模擬信號時，只需將信號的正電壓端VDD1/VDD2端接到第一電壓 端/第二電壓端，將信號的負電壓端VSS1/VSS2端相應的接到GND1/GND2。 同時第一數據端DATA1以第一正電壓端VDD1和第一負電壓端VSS1的公共地GND1為信號地，且第二數據端DATA2以第二正電壓端VDD2和第二負電 壓端VSS2的/>共地GND2為信號地。在上述雙向信號光電隔離集成晶片的實施例中，組成雙向信號光電隔 離集成晶片的各個雙向信號光電隔離裝置的第一電壓端可以相同，並連接 到同一電壓端，其第二電壓端也可以相同，並連接到異於第一電壓端的同 一電壓端。在本實施例中，在光電耦合器U3、 U4的1腳和第一數據端DATAl/第 二數據端DATA2之間，光電耦合器U5、 U6的2腳和第一數據端DATAl/第 二數據端D A T A 2之間還可以設置有接口電路，用於實現與不同信號接口的 連接。如TTL/CM0S接口為邏輯'0，(低電平)0V;邏輯T (高電平) 5V, LVTS接口為邏輯'0，(低電平)0V;邏輯'1，(高電平)3. 3V， 型號為RS232的接口為邏輯'0， +9至+ 12V;邏輯T : -9至-12V, 還有如信號為RS485的接口為差分信號、USB接口、乙太網接口等。在上述技術方案中，接口電路還可以為雙向接口。參見圖12所示， 為雙向接口原理框圖，雙向接口電路包括第一電晶體電路和第二電晶體電 路。當第一數據端DATA1向第二數據端MTA2發送數據或信號時，要同時 關閉第二數據端DATA2向第一數據端DATA1發送數據或信號的通道，使得 第二數據端DATA2的數據或信號不能反饋到第一數據端DATA1去幹擾第一 數據端DATA1發送數據或信號。同樣，當第二數據端DATA2向第一數據端 DATA1發送數據或信號時，要同時關閉第一數據端DATA1向第二數據端 DATA2發送數據或信號的通道，使得第一數據端DATA1的數據或信號不能 反饋到第二數據端DATA2去幹擾第二數據端DATA2發送數據或信號。圖13為雙向接口實施例一電路圖，如圖13所示，其工作原理為 上電後第一數據端DATA1與第二數據端DATA2均為高電平。以a點為例， 當第一數據端DATA1向第二數據端DATA2傳輸數據時，a點電壓變低，三 極管Q1導通工作，使得b點電壓變低。根據PNP管的工作原理可知基極電壓低於發射基電壓時PNP型三極體才能導通工作，故三極體Ql導通工作時Q2不工作。這樣，b點電壓跟隨a點電壓變化，使得數據或信號同 相地由a點傳輸到b點，亦即數據或信號同相地由第一數據端DATA1傳輸 到第二數據端DATA2。同理，數據或信號亦可同相地由第二數據端DATA2 傳輸到第一數據端DATA1。當傳輸雙極性數字或模擬信號時，可將第一/第二電壓端接雙極性信 號的正電壓端VDD1/VDD2, GND1/GND2接負電壓端VSS1/VSS2，第一數據端 DATA1和第二數據端DATA2傳輸的信號以VDD1/VDD2和VSS1/VSS2的公共 地為信號地。其中，PNP三極體Ql和Q2可以用二極體代替，如圖14所示，為本 實用新型雙向接口實施例二電路圖；或者用複合PNP管代替，如圖15所 示，為本實用新型雙向接口實施例三電路圖，或兩個P溝道場效應管來代 替，如圖16所示，為本實用新型雙向接口實施例四電路圖。雙向接口電路增強了信號的驅動能力，使得後續電路更易於處理。 本實用新型適用於多路信號的傳輸，比如數據總線有8位、16位、32位、 64位等，就分別需要8個、16個、32個、64個雙向信號光電隔離裝置並聯 連接。在溫度和其它電參數的一致性方面本實用新型要優於單個雙向信號光 電隔離裝置，而且具有易於加工、焊接、制板等優點。本實用新型結構簡單， 成本〗氐，抗幹擾能力強，傳輸速度快，易於實現，可以廣泛應用於rc總線、 USB總線、CAN總線、鍵盤及滑鼠以及CPU的數據、地址和控制總線等數字信 號的雙向隔離傳輸，並可替代目前的單向光耦。最後應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其 限制；儘管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術 人員應當理解其依然可以對前述實施例所記載的技術方案進行修改，或者 對其中部分技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明實施例技術方案的精神和範圍。
權利要求1.一種雙向信號光電隔離裝置，其特徵在於包括第一光電耦合器，所述第一光電耦合器的光發射元件與第一電壓端和第一數據端(DATA1)串接，所述第一光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第一反向截止元件與第二數據端(DATA2)串接；第二光電耦合器，所述第二光電耦合器的光發射元件與第二電壓端和第二數據端(DATA2)串接，所述第二光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第二反向截止元件與第一數據端(DATA1)串接；所述第一光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第一正嚮導通元件與所述第二光電耦合器的光發射元件的電壓輸入端相連，所述第二光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第二正嚮導通元件與所述第一光電耦合器的光發射元件的電壓輸入端相連。
2. 根據權利要求1所述的雙向信號光電隔離裝置，其特徵在於還包 括第一負載元件和/或第二負載元件，所述第一光電耦合器的光發射元件的第一端通過所述第一負載元件與所 述第一電壓端相連；和/或所述第二光電耦合器的光發射元件的第一端通過所述第二負載元 件與所述第二電壓端相連。
3. 根據權利要求1所述的雙向信號光電隔離裝置，其特徵在於所述 第一正嚮導通元件、第二正嚮導通元件、第一反向截止元件及第二反向截止 元件為二極體、三極體、繼電器或場效應管。
4. 根據權利要求1所述的雙向信號光電隔離裝置，其特徵在於所述 第一光電耦合器、第二光電耦合器為帶反饋端的線性光電耦合器。
5. —種雙向信號光電隔離集成晶片，其特徵在於所述雙向信號光電 隔離集成晶片由一個以上所述雙向信號光電隔離裝置構成，所述雙向信號 光電隔離裝置包括第 一光電耦合器，所述第 一光電耦合器的光發射元件與第 一電壓端和第 一數據端串接，所述第 一光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第 一反向截止元件與第二數據端串接；第二光電耦合器，所述第二光電耦合器的光發射元件與第二電壓端和第 二數據端串接，所述第二光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第二反向 截止元件與第一數據端串接；所述第一光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第一正嚮導通元件與 所述第二光電耦合器的光發射元件的電壓輸入端相連，所述第二光電耦合器 的光敏元件的數據輸出端通過第二正嚮導通元件與所述第一光電耦合器的光 發射元件的電壓輸入端相連。
6. 根據權利要求5所述的雙向信號光電隔離集成晶片，其特徵在於 還包括第 一 負載元件和/或第二負載元件，所述第一光電耦合器的光發射元件的第一端通過所述第一 負載元件與所 述第一電壓端相連；和/或所述第二光電耦合器的光發射元件的第一端通過所述第二負載元 件與所述第二電壓端相連。
7. 根據權利要求5所述的雙向信號光電隔離集成晶片，其特徵在於 所述第一光電耦合器、第二光電耦合器為帶反饋端的線性光電耦合器。
8. 根據權利要求5所述的雙向信號光電隔離集成晶片，其特徵在於 所述第一正嚮導通元件、第二正嚮導通元件、第一反向截止元件及第二反向 截止元件為二極體、三極體、繼電器或場效應管。
9. 根據權利要求5 -8所述任一的雙向信號光電隔離集成晶片，其特徵 在於當有多個所述雙向信號光電隔離裝置時，多個所述雙向信號光電隔 離裝置並聯連接。
10. 根據權利要求5-8所述任一的雙向信號光電隔離集成晶片，其特徵 在於多個所述雙向信號光電隔離裝置的第一電壓端連接和/或多個所述 雙向信號光電隔離裝置的第二電壓端連接。
專利摘要本實用新型涉及一種雙向信號光電隔離裝置及雙向信號光電隔離集成晶片，該裝置包括第一光電耦合器，其光發射元件與第一電壓端和第一數據端串接，其光敏元件的數據輸出端通過第一反向截止元件與第二數據端串接；第二光電耦合器，其光發射元件與第二電壓端和第二數據端串接，其光敏元件的數據輸出端通過第二反向截止元件與第一數據端串接；第一光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第一正嚮導通元件與第二光電耦合器的光發射元件的電壓輸入端相連，第二光電耦合器的光敏元件的數據輸出端通過第二正嚮導通元件與第一光電耦合器的光發射元件的電壓輸入端相連。本實用新型結構簡單，成本低，易於集成化實現。
文檔編號G02B6/42GK201133951SQ20072019043
公開日2008年10月15日 申請日期2007年11月28日 優先權日2007年11月28日
發明者張敬彬 申請人:張敬彬