基于光電耦合器的模擬信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

光電耦合器是一種可把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成為光信號(hào)，然后又將光信號(hào)恢復(fù)為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件，它屬于一種電——光——電轉(zhuǎn)換器件。

其基本結(jié)構(gòu)是將光發(fā)射器和光敏接收器裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。常見(jiàn)的光發(fā)射器為紅外發(fā)光二極管，其引腳作為輸入端，用晶體管圖示儀可觀(guān)察到其特性曲線(xiàn)與一般二極管相似。

光敏接收器為光敏二極管或光敏三極管，其引腳作為輸出端。當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí)，發(fā)光二極管通過(guò)電流而發(fā)光，其發(fā)光的強(qiáng)弱與信號(hào)電流成正比，亦即與流過(guò)二極管的正向電流的大小成正比，輸出端的光敏三極管受到光照后CE導(dǎo)通。而當(dāng)輸入端無(wú)信號(hào)時(shí)，發(fā)光二極管不亮，光敏三極管截止，CE不通。從而實(shí)現(xiàn)了光電的傳輸和轉(zhuǎn)換。

隨著各類(lèi)電氣設(shè)備控制電路的日益復(fù)雜，各功能電路之間的干擾不可避免。而光電耦合器的輸入端和輸出端之間由于通過(guò)光信號(hào)來(lái)傳輸，因而兩部分電路之間在電氣上是完全隔離的，因而沒(méi)有電信號(hào)的反饋和干擾，故其性能穩(wěn)定，抗干擾能力很強(qiáng)。

一般情況下，電路間數(shù)字信號(hào)的傳輸，都可以使用光電耦合器進(jìn)行徹底隔離。但在傳輸模擬信號(hào)時(shí)，由于光電耦合器的線(xiàn)性工作范圍較窄，非線(xiàn)性失真較大，而傳統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)電路和非線(xiàn)性補(bǔ)償電路又復(fù)雜而龐大。

因此，筆者設(shè)計(jì)了一種精度較高、電路簡(jiǎn)單，并由光電耦合器組成的反饋式對(duì)稱(chēng)溫度補(bǔ)償?shù)?a class="contentlabel" href="http://butianyuan.cn/news/listbylabel/label/模擬信號(hào)">模擬信號(hào)放大電路，通過(guò)該電路可以較好地完成模擬信號(hào)的隔離傳輸。

1 傳輸特性分析

本文介紹的反饋式對(duì)稱(chēng)溫度補(bǔ)償模擬信號(hào)放大電路。該電路中的電源電壓為5V，在電阻R3為1 kΩ的情況下，4N25的傳輸特性如下：

(1)當(dāng)輸入電流I1為0時(shí)，輸出電流I2為0，表明發(fā)光二極管不發(fā)光，光電三極管無(wú)光照而截止;

(2)當(dāng)輸入電流I1為O.5 mA時(shí)，輸出電流I2為0.22 mA，此時(shí)Il>I2，表明發(fā)光二極管已開(kāi)始發(fā)光，光電三極管有弱光照而脫離截止區(qū)。

(3)當(dāng)輸入電流I1在1～4 mA時(shí)，輸出電流I2為0.7～4.19 mA，I1

(4)當(dāng)輸入電流I1為4.5mA時(shí)，輸出電流I2為4.4 mA，I2>I1，表明I2隨I1增大到一定程度時(shí)，已不能繼續(xù)成線(xiàn)性變化。此后，電流傳輸比下降，光電耦合器開(kāi)始進(jìn)入飽和狀態(tài)。

根據(jù)以上分析，可以看出，I1的大小決定電路的工作狀態(tài)。I1過(guò)大或過(guò)小，電路均工作在非線(xiàn)性區(qū)，只有在一定的范圍內(nèi)，4N25才工作在線(xiàn)性區(qū)。

2 工作原理

光電耦合器Icl和IC2都選用的是4N25，其中Icl和R4組成輸出級(jí)，用于隔離傳輸模擬信號(hào)。IC2和R2模仿輸出形式，可用于產(chǎn)生反饋比較信號(hào)，并可自動(dòng)調(diào)整不同電流轉(zhuǎn)換效率時(shí)發(fā)光二極管的工作電流，保證光電耦合器可靠地工作在線(xiàn)性放大狀態(tài)，提高電路的線(xiàn)性度。

由于兩個(gè)光電耦合器的發(fā)光二極管是串接在一起的，Icl和IC2的工作狀態(tài)完全對(duì)稱(chēng)，公用同一激勵(lì)電流I1。且兩者的發(fā)射極電位，即兩個(gè)光敏三極管的集電極電流分別在R2和R4上所產(chǎn)生的壓降對(duì)稱(chēng)，受輸入信號(hào)Ui線(xiàn)性控制，故可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的隔離和傳輸。

由于光電耦合器的輸入和輸出之間的信號(hào)傳輸是通過(guò)光信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此，它的輸入輸出兩部分在電氣上完全隔離，沒(méi)有電信號(hào)的反饋和干擾，故其性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

發(fā)光二極管和光敏管之間的耦合電容小、耐壓高，故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間的絕緣電阻。

此外，因其輸入阻抗小，這對(duì)高內(nèi)阻源的噪聲相當(dāng)于短接。因此，由光電耦合器構(gòu)成的模擬信號(hào)放大電路具有優(yōu)良的電氣性能。

如果運(yùn)放A1的同相端電位由于干擾信號(hào)而正向偏離虛地，則運(yùn)放Al的輸出端的電位將升高，而光電耦合器IC2的發(fā)光強(qiáng)度將增強(qiáng)，進(jìn)而使IC2的集射電壓減小，最后使運(yùn)放A1的反相端的電位降低并回到虛地。

反之，若運(yùn)放Al的反相端電位由于干擾信號(hào)負(fù)向偏離虛地，故其運(yùn)放A1的輸出端的電位將降低，進(jìn)而使光電耦臺(tái)器IC2的發(fā)光強(qiáng)度減弱，IC2的集射電壓增大，最后使運(yùn)放Al的反相端的電位升高而回到虛地。

3 結(jié)束語(yǔ)

光電耦合器是一種由光電流控制的電流轉(zhuǎn)移器件，其輸出特性與普通雙極型晶體管的輸出特性相似，因可以將其作為普通放大器直接構(gòu)成模擬放大電路。

然而，光電耦合器的線(xiàn)性工作范圍較窄，且隨溫度變化而變化。同時(shí)，光電耦合器的共發(fā)射極電流傳輸系數(shù)和集電極反向飽和電流Iceo(即暗電流)受溫度變化的影響比較明顯。

因此，出于光電耦合器的轉(zhuǎn)移特性與溫度的關(guān)系考慮，要使光電耦合器構(gòu)成的模擬隔離電路能穩(wěn)定工作，應(yīng)盡量消除暗電流(Iceo)的影響，以提高線(xiàn)性度，并使靜態(tài)工作點(diǎn)能隨溫度的變化而自動(dòng)調(diào)整，以使輸出信號(hào)保持對(duì)稱(chēng)性，使輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍隨溫度變化而自動(dòng)變化，從而抵消B值隨溫度變化的影響，保證電路工作狀態(tài)的穩(wěn)定。

在實(shí)際應(yīng)用中，除應(yīng)選用線(xiàn)性范圍寬、線(xiàn)性度高的光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的傳輸外，在電路上也應(yīng)采取有效措施。例如可以根據(jù)動(dòng)態(tài)工作的要求，設(shè)置合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，并采用反饋式對(duì)稱(chēng)溫度補(bǔ)償電路，來(lái)盡量消除溫度變化對(duì)放大電路工作狀態(tài)的影響，從而獲得信號(hào)不失真的傳輸。

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