一种高耐压光电隔离通信模块的制作方法

1.本实用新型属于光电通信技术领域，具体涉及一种高耐压光电隔离通信模块。


背景技术：

2.光通信模块因其卓越的隔离性能，在现代信息通信中，越来越受到人们的重视。由于传统的通信(如数据、语音、图像或以太网等)在传输距离和覆盖范围方面已不能满足实际要求，同时因光通信具有传输距离长、信息容量大、保密性好等优点，在近年来已得到广泛的应用。
3.对于普通的低速率光通信模块(如光电耦合器)仅能应用在对环境干扰要求不高或对通信耐压要求不高的场合使用。但对于特殊环境，如电磁炮信息的传输、高压线路信息的传输等，传统的光电器件因隔离电压不高(一般只能隔离1500v)是绝不能胜任的。对于这种特殊的应用场合，其光电信号的耐压要求达到万伏级以上，方能正常使用。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高耐压光电隔离通信模块，通过在信号线与电源之间设置二极管钳位电路，使输入或输出的数字信号线上可承受高达
‑
4000v到 4000v的电磁干扰冲击，从而使双向光通信模块的环境抗干扰能力强；同时将两个独立的双向光电通信电路通过光纤连接并集成在一个模块内，构成具有高耐压的双向光电通信链路，使模块内部在一次数据传输中产生两次光电转换，从而使光电隔离通信模块可以承受万伏级的高压；此外双向光电通信电路均由自行设计，可以容易的实现小型化和模块化，较市场上其它产品成本低廉，适用范围广，使用效果好。
5.为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种高耐压光电隔离通信模块，其特征在于：包括印制电路板和集成在所述印制电路板上的高耐压光电隔离通信电路；
6.所述高耐压光电隔离通信电路包括两个对称设置在所述印制电路板上的双向光电通信电路和连接在两个所述双向光电通信电路之间的光纤，所述双向光电通信电路包括激光收发电路、数字通信接口电路、连接在激光收发电路的输出端与数字通信接口电路的输入端之间的高速放大电平转换电路、以及连接在数字通信接口电路的输出端与激光收发电路的输入端之间的高速比较电流驱动电路；
7.所述数字通信接口电路包括与高速比较电流驱动电路连接的数字输入电路和与高速放大电平转换电路连接的数字输出电路，所述数字输入电路的信号输入端和所述数字输出电路的信号输出端上均设置有二极管钳位电路；
8.所述激光收发电路包括激光收发器，印制电路板上设置有与所述激光收发器配合的光纤接头，所述光纤的一端通过光纤接头与一个所述双向光电通信电路的所述激光收发器连接，所述光纤的另一端通过光纤接头与另一个所述双向光电通信电路的所述激光收发器连接。
9.本实施例中，所述光纤接头选用sc接头或st接头，以实现光纤与所述激光收发器的对接。
10.上述的一种高耐压光电隔离通信模块，其特征在于：所述激光收发器包括光敏二极管4v1和发光二极管4v2，光敏二极管4v1的阴极与三极管4v5的发射极连接，光敏二极管4v1的阳极分两路，一路经电阻4r1接地，另一路经电阻4r2与所述高速放大电平转换电路的输入端连接，三极管4v5的的基极与三极管4v5的集电极连接，三极管4v5的的集电极与dc电源连接；
11.所述发光二极管4v2的阳极与三极管4v3的发射极连接，发光二极管4v2的阴极经二极管4v4接地，三极管4v3的集电极经电阻4r3与光敏二极管4v1的阴极连接，三极管4v3的基极经电阻4r4与所述高速比较电流驱动电路的输出端连接。
12.上述的一种高耐压光电隔离通信模块，其特征在于：所述印制电路板上与光纤配合的位置开有光纤安装孔。
13.上述的一种高耐压光电隔离通信模块，其特征在于：所述光纤的长度为10mm～12mm。
14.上述的一种高耐压光电隔离通信模块，其特征在于：所述数字输入电路包括场效应管1v3，场效应管1v3的栅极与电阻1r1的一端连接，场效应管1v3的漏极与dc电源连接，场效应管1v3的源极分两路，一路经电阻1r2接地，另一路为所述数字输入电路的输出端；电阻1r1的另一端分三路，一路与二极管1v1的阳极连接，第二路与二极管1v2的阴极连接，第三路为所述数字输入电路的输入端，二极管1v1的阴极与dc电源连接，二极管1v2的阳极接地，场效应管1v3的栅极与电阻1r1的连接端经电容1c1接地；所述数字输出电路包括场效应管1v6，场效应管1v6的栅极为所述数字输出电路的输入端，场效应管1v6的漏极与dc电源连接，场效应管1v6的源极分四路，第一路经电阻1r3接地，第二路与二极管1v4的阳极连接，第三路与二极管1v5的阴极连接，第四路为所述数字输出电路的输出端，二极管1v4的阴极与dc电源连接，二极管1v5的阳极接地，二极管1v1与二极管1v2、以及二极管1v4与二极管1v5分别组成两个所述二极管钳位电路。
15.上述的一种高耐压光电隔离通信模块，其特征在于：所述高速比较电流驱动电路包括高速比较器2u1和三极管2v2，高速比较器2u1的反相输入端分两路，一路经二极管2v1接地，另一路经电阻2r2与dc电源连接，高速比较器2u1的同相输入端分两路，一路经电阻2r1接地，另一路经电容2c1与所述数字输入电路的输出端连接，高速比较器2u1的输出端与三极管2v2的基极连接，三极管2v2集电极与dc电源连接，三极管2v2的发射极分两路，一路经电阻2r3接地，另一路为所述高速比较电流驱动电路的输出端。
16.上述的一种高耐压光电隔离通信模块，其特征在于：所述高速放大电平转换电路包括高速运算放大器3u1和三极管3v1，高速运算放大器3u1的反相输入端经电阻3r2接地，高速运算放大器3u1的同相输入端分两路，一路经电阻3r1接地，另一路与电容3c1的一端连接，电容3c1的另一端为所述高速放大电平转换电路的输入端，高速运算放大器3u1的输出端与三极管3v1的基极连接，三极管3v1的集电极与dc电源连接，三极管3v1的发射极分三路，一路经并联的电阻3r4和二极管3v2接地，第二路经电阻3r3与高速运算放大器3u1的反相输入端连接，第三路与所述数字输出电路的输入端连接。
17.本实用新型与现有技术相比具有以下优点：
18.本实用新型通过在信号线与电源之间设置二极管钳位电路，使输入或输出的数字信号线上可承受高达
‑
4000v到 4000v的电磁干扰冲击，从而使双向光通信模块的环境抗干扰能力强；同时将两个独立的双向光电通信电路通过光纤连接并集成在一个模块内，构成具有高耐压的双向光电通信链路，使模块内部在一次数据传输中产生两次光电转换，从而使光电隔离通信模块可以承受万伏级的高压；此外双向光电通信电路均由自行设计，可以容易的实现小型化和模块化，较市场上其它产品成本低廉，适用范围广，使用效果好。
19.下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
20.图1为本实用新型的电路原理框图。
21.图2为本实用新型激光收发电路的电路原理图。
22.图3为本实用新型数字输入电路的电路原理图。
23.图4为本实用新型数字输出电路的电路原理图。
24.图5为本实用新型高速比较电流驱动电路的电路原理图。
25.图6为本实用新型高速放大电平转换电路的电路原理图。
26.图7为本实用新型印制电路板与光纤的安装关系示意图。
27.附图标记说明:
[0028]1‑
激光收发电路；
ꢀꢀ2‑
数字通信接口电路；
[0029]3‑
高速放大电平转换电路；
ꢀꢀ4‑
高速比较电流驱动电路；
[0030]5‑
光纤；
ꢀꢀ6‑
印制电路板；
ꢀꢀ7‑
光纤安装孔；
[0031]8‑
光纤接头。
具体实施方式
[0032]
如图1、图2、图3、图4和图7所示，本实用新型包括印制电路板6和集成在所述印制电路板6上的高耐压光电隔离通信电路；
[0033]
所述高耐压光电隔离通信电路包括两个对称设置在所述印制电路板上的双向光电通信电路和连接在两个所述双向光电通信电路之间的光纤5，所述双向光电通信电路包括激光收发电路1、数字通信接口电路2、连接在激光收发电路1的输出端与数字通信接口电路2的输入端之间的高速放大电平转换电路3、以及连接在数字通信接口电路2的输出端与激光收发电路1的输入端之间的高速比较电流驱动电路4；
[0034]
所述数字通信接口电路2包括与高速比较电流驱动电路4连接的数字输入电路和与高速放大电平转换电路3连接的数字输出电路，所述数字输入电路的信号输入端和所述数字输出电路的信号输出端上均设置有二极管钳位电路；
[0035]
所述激光收发电路1包括激光收发器，印制电路板6上设置有与所述激光收发器配合的光纤接头8，所述光纤5的一端通过光纤接头8与一个所述双向光电通信电路的所述激光收发器连接，所述光纤5的另一端通过光纤接头8与另一个所述双向光电通信电路的所述激光收发器连接。
[0036]
本实施例中，所述激光收发器包括光敏二极管4v1和发光二极管4v2，光敏二极管4v1的阴极与三极管4v5的发射极连接，光敏二极管4v1的阳极分两路，一路经电阻4r1接地，
另一路经电阻4r2与所述高速放大电平转换电路3的输入端连接，三极管4v5的的基极与三极管4v5的集电极连接，三极管4v5的的集电极与dc电源连接；
[0037]
所述发光二极管4v2的阳极与三极管4v3的发射极连接，发光二极管4v2的阴极经二极管4v4接地，三极管4v3的集电极经电阻4r3与光敏二极管4v1的阴极连接，三极管4v3的基极经电阻4r4与所述高速比较电流驱动电路4的输出端连接。
[0038]
需要说明的是，光敏二极管4v1和发光二极管4v2组成激光收发器，当光纤有信号输入时，通过光敏二极管4v1把光变成ir电流信号，经电阻4r1将ir电流信号变成输入电压信号，由电阻4r2传至所述高速放大电平转换电路3的输入端进行信号处理发光二极管4v2在三极管4v3和三极管4v4的激励下，将所述高速比较电流驱动电路4输出的电信号变成光信号，并由光纤传输至下一模块，电阻4r1和电阻4r2的阻值均为1kω，电阻4r3的阻值为4.7kω，电阻4r4的阻值为100ω。
[0039]
本实施例中，所述印制电路板6上与光纤5配合的位置开有光纤安装孔7。
[0040]
需要说明的是，两个所述双向光电通信电路分设在光纤安装孔7两侧，且完全对称布设，减小电路占用面积。
[0041]
本实施例中，所述光纤5的长度为10mm～12mm。
[0042]
需要说明的是，1mm的光纤可以承受2kv的高压，本实施例中，模块可以承受两万伏以上的高压。
[0043]
本实施例中，两个所述双向光电通信电路独立供电。
[0044]
本实施例中，所述数字输入电路包括场效应管1v3，场效应管1v3的栅极与电阻1r1的一端连接，场效应管1v3的漏极与dc电源连接，场效应管1v3的源极分两路，一路经电阻1r2接地，另一路为所述数字输入电路的输出端；电阻1r1的另一端分三路，一路与二极管1v1的阳极连接，第二路与二极管1v2的阴极连接，第三路为所述数字输入电路的输入端，二极管1v1的阴极与dc电源连接，二极管1v2的阳极接地，场效应管1v3的栅极与电阻1r1的连接端经电容1c1接地；所述数字输出电路包括场效应管1v6，场效应管1v6的栅极为所述数字输出电路的输入端，场效应管1v6的漏极与dc电源连接，场效应管1v6的源极分四路，第一路经电阻1r3接地，第二路与二极管1v4的阳极连接，第三路与二极管1v5的阴极连接，第四路为所述数字输出电路的输出端，二极管1v4的阴极与dc电源连接，二极管1v5的阳极接地，二极管1v1与二极管1v2、以及二极管1v4与二极管1v5分别组成两个二极管钳位电路。
[0045]
本实施例中，二极管1v1和二极管1v2、以及二极管1v4和二极管1v5分别组成两个二极管钳位电路，将二极管钳位电路设置在信号线与电源之间，使txd或rxd的数字信号线上可承受高达
‑
4000v到 4000v的电磁干扰冲击；
[0046]
需要说明的是，当干扰正电压大于dc电源的大小时，该干扰正电压就被二极管钳制到了dc电源的大小值；当干扰负电压小于0v时，该干扰负电压就被二极管钳制到了0.7v左右的电压值上，使信号线上的电压值始终稳定在一定的电压区间内，以保护电路的安全。
[0047]
所述电阻1r1和电容1c1组成rc滤波电路，以进一步消除输入信号的高频干扰，电阻1r1和电容1c1的参数由数字信号频率调整，场效应管1v3和电阻1r2组成高速共源极输出电路，可直接匹配标准的ttl电平；
[0048]
本实施例中，双向光电通信电路集成在pcb板上，形成双向光通信模块，实现高强的抗电磁干扰的能力。
[0049]
本实施例中，电阻1r1、电阻1r2和电阻1r3的阻值均为10kω，电容1c1的容值为0.1μf，dc电源为 24v直流稳压电源。
[0050]
需要说明的是，通过将二极管1v1和二极管1v2、以及二极管1v4和二极管1v5分别组成的两个二极管钳位电路设置在信号线与电源之间，使txd或rxd的数字信号线上可承受高达
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4000v到 4000v的电磁干扰冲击，从而使双向光通信模块的环境抗干扰能力强；此外双向光电通信电路均由自行设计，可以容易的实现小型化和模块化，较市场上其它产品成本低廉，适用范围广，使用效果好。
[0051]
如图5所示，本实施例中，所述高速比较电流驱动电路4包括高速比较器2u1和三极管2v2，高速比较器2u1的反相输入端分两路，一路经二极管2v1接地，另一路经电阻2r2与dc电源连接，高速比较器2u1的同相输入端分两路，一路经电阻2r1接地，另一路经电容2c1与所述数字输入电路的输出端连接，高速比较器2u1的输出端与三极管2v2的基极连接，三极管2v2集电极与dc电源连接，三极管2v2的发射极分两路，一路经电阻2r3接地，另一路为所述高速比较电流驱动电路4的输出端。
[0052]
需要说明的是，所述高速比较电流驱动电路4实为高速比较电路和电流驱动电路的组合，电阻2r1和电容2c1组成高通滤波器，电阻2r1和电容2c1的时常数决定高频滤波特性，根据实际高频响应特性，可适当调整电阻2r1和电容2c1的参数，本实施例中，电容2c1的容值为1μf，电阻2r1的阻值为1kω；二极管2v1和电阻2r2组成电平调节电路，通过二极管2v1与电阻2r2的电平取样所得到的vb点的电压值与输入信号va点的电压值实时比较，当va>vb时，高速比较器2u1输出高电平，当va<vb时，高速比较器2u1输出低电平，电阻2r2的阻值为1kω；高速比较器2u1的比较特性应选开环增益大于150db、带宽大于50ghz、输入阻抗大于100mω、输出阻抗小于10ω、响应时间小于10ns的单电源供电器件；三极管2v2与电阻2r3组成电流驱动电路，电阻2r3的取值在5.1kω到20kω之间，三极管2v2的延时时间小于5ns，电流放大倍数大于100倍，以达到驱动激光收发电路1的能力。
[0053]
如图6所示，本实施例中，所述高速放大电平转换电路3包括高速运算放大器3u1和三极管3v1，高速运算放大器3u1的反相输入端经电阻3r2接地，高速运算放大器3u1的同相输入端分两路，一路经电阻3r1接地，另一路与电容3c1的一端连接，电容3c1的另一端为所述高速放大电平转换电路3的输入端，高速运算放大器3u1的输出端与三极管3v1的基极连接，三极管3v1的集电极与dc电源连接，三极管3v1的发射极分三路，一路经并联的电阻3r4和二极管3v2接地，第二路经电阻3r3与高速运算放大器3u1的反相输入端连接，第三路与所述数字输出电路的输入端连接。
[0054]
需要说明的是，所述高速放大电平转换电路3实为高速放大电路和电平转换电路的组合，电阻3r1和电容3c1组成交流耦合电路，电阻3r1和电容3c1的时间常数决定信号的频率带宽，改变电阻3r1和电容3c1的参数可调节信号的低频特性，本实施例中，电容3c1的容值为1μf，电阻3r1的阻值为1kω；高速运算放大器3u1选择低噪宽带放大器，带宽大于100ghz、输入阻抗大于100mω、输出阻抗小于10ω的轨到轨单电源运算放大器；三极管3v1、电阻3r4和二极管3v2组成电平转换电路，通过三极管3v1的射极跟随以及二极管3v2的限幅可实现信号的电平转换，电阻3r4的阻值为10kω；高速运算放大器3u1组成深度负反馈的同相增益电路，其电压放大倍数为1 3r3/3r2，根据实际的信号放大需要调整电阻3r3和电阻3r2的比值。
[0055]
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。