消除密勒电容实现光电耦合器快速工作的研究

崔建国,宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

0 引言

光电耦合器亦称光耦合器、光隔离器以及光电隔离器，简称光耦,它是以光(含可见光、红外线等)作为媒介来传输电信号的一组装置。

晶体管输出型光耦是最常见的光电耦合器，其输入端分为直流信号或交流信号控制型，输出端都是晶体管(单体或达林顿，后者具有更高的电流传输比)。

晶体管输出光耦的特点是：大电流传输比(CTR)、高耐压、低输入电流，因为这类光耦的光电接收器使用的是光敏三极管，所以缺点也是明显的：传输速度较慢，时序延时较大。晶体管型光电耦合器传输速度比较慢的原因，本质上是由于晶体管(包括场效应管)内部密勒电容的存在，密勒效应使得等效输入电容增大，导致频率特性降低[1]。

理论上说，只要减少密勒电容的值，密勒效应的影响即可减小，晶体管的工作频率即可升高。

1 密勒电容和密勒效应

电容与频率是离不开的，电容与频率有这样的关系：大容量的电容对高频的响应很差，对低频的响应却好，小容量的电容对低频的响应很差而对高频的响应却非常好。

1.1 密勒效应的产生

密勒电容就是跨接在放大器件或者电路的输出端与输入端之间的电容，密勒电容对于器件或者电路的频率特性的影响就称为密勒效应。

密勒效应是通过放大输入电容来起作用的，即密勒电容C可以使得器件或者电路的等效输入电容增大(1+AV)倍，其中Av即电路的电压增益。因此很小的密勒电容即可造成电路器件或者电路的频率特性大大降低。

简单说来：对于电子管而言，屏极与栅极之间的电容；对于晶体管而言，集电极与基极之间的电容即集电结电容的势垒电容；对于场效应管而言，漏极与栅极之间的电容，这些电容皆属于密勒电容。

这些管子作共发射极模式或共源极模式放大电路时，由于输出端电压与输入端电压相位相反，使得该电容(如集电结电容)的充电、放电电流增大，从器件或电路端输入端看进去，好像该电容增大了(1+AV)倍，这些现象都属于密勒效应[2]。

1.2 密勒电容的消除

可以采用平衡法(或叫中和法)等技术来适当地减弱密勒电容的影响，平衡法即是在电路的输出端与输入端之间并联连接一个所谓中和电容，并且让该中和电容上的电压与密勒电容上的电压相位相反，使得通过中和电容的电流恰恰与通过密勒电容的电流方向相反，以达到相互抵消的目的[3]。

2 实现光电耦合器快速工作的原理

光电耦合器一般由三部分组成：光电发射端、光电接收端、输出端信号放大及整形、驱动变换电路等，可以完成“电→光→电”的转换，最终起到输入、输出、隔离的作用。

市场上常见的光电耦合器，其光电接收端通常由光敏三极管构成，该光敏三极管的工作模式皆属于共发射极结构，所以如上文所言，这种普通共发射极接法的光电耦合器，虽然它有发射机和接收机间具有极好隔离性的优点，但其光电晶体管的输出用于数据通信时总嫌速度太慢，正是密勒电容造成的密勒效应所致。

在保持光耦隔离性好这个优点的基础上，为了改变光耦频率特性差的缺点，从而实现高速通信，可以设想将光电接收三极管的集电极维持恒定电位，从而可以使共发射极工作的光电三极管的密勒电容(基极—集电极电容)不起作用，消除了密勒效应的影响，实现了晶体管型光耦的快速工作，能够实现晶体管型光电耦合器快速工作的电气工作原理如图1所示。

图1 通过减少密勒电容实现晶体管型光电耦合器快速工作的电气原理

从图1可以看到，快速光电耦合器整体上看相当于一个级联放大电路，即原光耦的输出已经改变为级联放大电路输出，级联放大电路包括光耦输入电路、晶体管光电耦合器电路、射极跟随器电路、射极跟随器基极偏压产生电路、偏压稳定电路、负载电路等。

在图1的级联放大电路中，原光电三极管T1已经集成在此级联放大电路中，总体观察级联放大电路，光电管T1为共射极放大模式，故存在密勒效应。晶体管T2为共基极模式不存在密勒效应，电路信号从T2的集电极输出，故理论上说级联放大电路存在密勒效应。

2.1 晶体管的动态电阻

光电管T1既然为共发射极工作模式，那么T1的输出伏安特性曲线一定也如下图2所示。

图2 晶体管的输出伏安特性曲线

图2中横轴uCE为光电管T1的集电极—发射极之间的压降，iC为T1的集电极电流，场效应管的输出伏安特性曲线也与图2相似，故双极型晶体管(三极管)和场效应晶体管的输出伏安特性曲线基本上是水平的，即输出电流iC基本上不随电压uCE而变化，因此光电管T1可看成是一种恒流源[4]。

同时水平的特性曲线也表明光电管T1的输出交流电阻(即动态电阻)近似为无穷大。实际上，由于Early效应(对于BJT，双极性管)，或者由于沟道长度调制效应等(对于FET，场效应管)的影响，其输出伏安特性曲线并不完全水平，但动态电阻必定是很大的。

元器件的伏安特性曲线越是平坦，其交流电导就越小，交流电导(动态电导)的倒数也就是交流电阻，或称为动态电阻也就越大。

2.2 实现光电管T1集电极电位恒定

上文提到，只要能实现光电三极管T1的集电极电位保持恒定，即可实现T1的密勒效应被消除，故需要分析由晶体管T2及外围电路组成的共基极放大器，其能否保证T1的集电极电位恒定。

光电管T1的动态电阻近似无穷大，此动态电阻作为晶体管T2的发射极电阻；电阻R1、R2组成的分压器电路为T2的基极提供偏置电压，如果晶体管T2的基极电流IB2可以忽略不计，对于T2的分析会简单很多。

只要晶体管T2的参数选取满足IR2≫IB2，那么IR1≈IR2，其中IR1为通过电阻R1的电流，IR2为通过电阻R2的电流。这时B点(电阻R1、R2的交点，见图1)的电位

上式表明T2基极电位几乎仅决定于电阻R1、R2对VCC分压，而与环境温度无关，即当温度变化时UB基本不变。

由图1可知，T2所用型号为BC547B，其B处于200～400之间；T2的发射极电阻就是光电管T1的动态电阻，几乎无穷大；按照图1所示参数，Rb2=6.5//1=0.82kΩ。

故以上求UB的公式成立。

由求UB公式可以算出，分压器R1、R2使晶体管T2的基极电位稳定偏置在1.5V，电容器C1的作用是确保电流出现快速波动时，使该基极偏压基本稳定不变，晶体管T2的发射结电压保持0.8V不变。

通过观察T1、T2的连接方式，站在T2的角度看，实际上可以将T2看作一个射极跟随器电路，这样就很清楚，光电管T1的集电极总能保持一恒定(直流)电压，那么光电管T1电路的电压放大倍数AV≈0，这样就使光电管T1的密勒电容(集电结电容)不起作用。

所以以上级联电路之所以工作速度较快的原因在于，由于光电管集电极电压能保持恒定，故可以不考虑晶体管内部密勒电容的影响，结果光电管的工作速度可以变得很快。

3 注意事项

该快速光电耦合器有一个缺点，就是它的输出信号电平不能下降到0,但最佳电平可为1，TTL集成电路就具有这种特性，只不过TTL的工作电压是使用12V。

该电路基本上可以工作于5V电源，只需适当改变R1阻值，使用CMOS集成电路当然更好些。

当实验验证此电路时，注意不要超过光电耦合器TIL111(图1所示)中发光管的最大工作电流100mA,这可以由降压电阻RV来保证，RV可由下式计算：

式中Uin单位为伏特，ILED单位为安培。

4 结语

共射极放大电路由于密勒电容的存在，导致晶体管型光电耦合器频率特性较差，但共基极放大电路不存在密勒电容，频率特性很好,将共基极放大电路作为光电管的负载，这时的共基极放大电路可以当作射极跟随器应用，通过调节共基极放大电路的基极偏压，使光电管的集电极电位保持恒定，从而消除了密勒效应。