光電隔離放大電路講解

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1、光電耦合器件把發(fā)光器件和光敏器件組裝在一起，以光為媒介，實(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離。光電耦合是一種簡(jiǎn)單有效的隔離技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)在于破壞了“地干擾的傳播途徑，切斷了干擾信號(hào)進(jìn)入后續(xù)電路的途徑，有效地抑制了尖脈沖和各種噪聲干擾。電流傳輸比是光電耦合器件性能的一個(gè)重要標(biāo)志[1]，定義為輸出電流與輸入電流的比值?！　‰m然光電耦合器具有非常好的隔離性能，但是由于非線性使其不能在模擬信號(hào)的隔離上大量使用。線性光耦的出現(xiàn)有效地解決了這個(gè)問(wèn)題。但用其搭成電路后，電路線性輸出范圍較窄（在0～3V左右）[2]，并且價(jià)格較高，在某種程度上影響了它的適用范圍。本文利用雙路光

2、耦設(shè)計(jì)了非線性光耦的隔離電路，在實(shí)現(xiàn)線性傳輸完成信號(hào)采集的同時(shí)，增寬了電路的線性輸出范圍?！　?電路設(shè)計(jì)　　1.1設(shè)計(jì)原理　　光敏二極管是光伏型器件，有光伏型和光電導(dǎo)型兩種工作模式[3]。線性光耦內(nèi)部大多采用光敏二極管進(jìn)行光耦合，因此，線性光耦(如SLC800等)大多都有兩種工作模式。光敏三極管雖然是光伏效應(yīng)器件，但在零偏時(shí)，光敏三極管并無(wú)信號(hào)電流輸出[4]。因此，利用光敏三極管進(jìn)行光耦合的光耦器件僅具有光電導(dǎo)型工作模式。　　光敏三極管是一種相當(dāng)于將基極、集電極光敏二極管的電流加以放大的普通晶體管放大器[4-5]，其原理如圖1(a)所示。其工作過(guò)程可分

3、為光電轉(zhuǎn)換和光電流放大兩個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)基極受光時(shí)，入射光子在基區(qū)及收集區(qū)被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，生成光生電壓，由此產(chǎn)生的光生電流進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到了一個(gè)放大了β倍的信號(hào)電流。由此可知，在同樣光照、同樣偏壓條件下，光敏三極管的輸出電流是光敏二極管的β倍，所以光敏三極管構(gòu)成的光耦電流傳輸比是光敏二極管的β倍，電路中與光耦串聯(lián)的同一阻值電阻的分壓也是β倍，如圖1(b)所示。由此可通過(guò)利用光敏三極管進(jìn)行光耦合的光耦器件設(shè)計(jì)一種線性輸出范圍較寬的線性光耦隔離電路。?　　1.2電路組成　　設(shè)計(jì)電路由光電耦合部分、輸入部分和輸出部分組成，如圖2所示?！?/p>

4、　雙路光耦采用TLP521-2，由兩個(gè)發(fā)光二極管和兩個(gè)光敏三極管構(gòu)成。將兩發(fā)光二極管串聯(lián)使其通過(guò)相同的電流，進(jìn)而使兩光敏三極管受光相同。一光敏三極管構(gòu)成伺服反饋回路，經(jīng)運(yùn)算放大器反饋到輸入端，稱為伺服光電管；另一光敏三極管構(gòu)成輸出回路，典型用法是后接運(yùn)算放大器，稱為傳輸光電管。常規(guī)發(fā)光二極管對(duì)時(shí)間和溫度的響應(yīng)都是非線性的。伺服反饋有利于發(fā)光二極管輸出線性化，主要是利用運(yùn)算放大器的功能特性，微調(diào)發(fā)光二極管的傳輸電流作保證?！　‰娙軨的選用是必要的，在電路的工作過(guò)程中它主要起反饋?zhàn)饔肹6]，若不加電容在輸出端會(huì)出現(xiàn)三角波，使運(yùn)放兩輸入端的電壓不能保持一致，

5、影響電路的精度。為增大電路的輸入阻抗并減小輸出阻抗，在電路的輸出端將運(yùn)放A2作為跟隨器使用，以提高電路的帶負(fù)載能力。　　為實(shí)現(xiàn)真正的隔離，必須對(duì)電路的輸入和輸出部分電路進(jìn)行電源隔離[2]，運(yùn)放A1和伺服光電管使用同一電源，輸出光電管和運(yùn)放A2使用同一電源。運(yùn)放選用LM358。電容電阻的參數(shù)如表1所示。　　2電路分析　　TLP521-2內(nèi)部發(fā)光二極管在電流驅(qū)動(dòng)下發(fā)光照射光敏三極管，光敏三極管受光后產(chǎn)生光生載流子注入發(fā)射區(qū)產(chǎn)生擴(kuò)散電流，該電流在集電極和基極間被放大(要求在集電極和基極間加正向電壓)。因此，可以認(rèn)為驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的電流和通過(guò)光敏三極管的電流有

6、一比例關(guān)系，設(shè)比例系數(shù)為k。集電極基極電流隨光照的增強(qiáng)逐漸趨于飽和，即光電流與入射光照成非線性關(guān)系，所以，該比例系數(shù)k為一變量?！　?.1直流分析　　由運(yùn)放的工作特性可知，運(yùn)放A1的輸出端和輸入端電壓相等，即有Vi=V1+=V1-，所以電阻R5上的電壓為Vi。伺服光電管和傳輸光電管受光導(dǎo)通后，在電源作用下生成電流Ip1和Ip2，并且有Ip1=Ip2。電流Ip2流過(guò)電阻R4后生成電壓V4=Ip2×R4。因R1=R4，故Vi=V4。V4通過(guò)跟隨器后得到輸出電壓Vo，最終得Vi=Vo?！　∮梢陨戏治隹芍撾娐吩诓杉绷餍盘?hào)時(shí)，信號(hào)的輸出實(shí)現(xiàn)了光電隔離，但輸

7、出結(jié)果與光電器件無(wú)關(guān)?！　?.2低頻交流分析　　雙路光耦TLP521-2中，兩光敏三極管受光相同，反饋電阻R5和輸出電阻R4上電壓相同，可將反饋電壓視為由R4上電壓控制的受控電壓源；將傳輸光電管等價(jià)為一個(gè)受控電流源[7]。反饋電路直接從輸出端引出，并且輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加在運(yùn)放的兩個(gè)輸入端上，所以該反饋為串聯(lián)電壓反饋[8]。　　電壓跟隨器A2等效為放大倍數(shù)為1的受控電壓源。在低頻交流電路中由于電容C的阻抗很大，將電容C忽略不計(jì)。該電路的交流等效電路如圖3所示?！　i1、Zi2分別為運(yùn)放A1的輸入和輸出阻抗，Av1、Av2分別為運(yùn)放A1、A2的放大

8、倍數(shù)，Zd為發(fā)光二極管阻抗，k為光電流與驅(qū)動(dòng)電流的比值，Zg為光敏三極管輸出阻抗，Zif、Fv