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          基于光電耦合器的模擬信號放大電路設(shè)計

          作者: 時間:2012-07-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          是一種可把電信號轉(zhuǎn)換成為光信號,然后又將光信號恢復(fù)為電信號的半導(dǎo)體器件,它屬于一種電——光——電轉(zhuǎn)換器件。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/186061.htm

          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察到其特性曲線與一般二極管相似。

          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)電信號送入的輸入端時,發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光,其發(fā)光的強弱與信號電流成正比,亦即與流過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)輸入端無信號時,發(fā)光二極管不亮,光敏三極管截止,CE不通。從而實現(xiàn)了光電的傳輸和轉(zhuǎn)換。

          隨著各類電氣設(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。而的輸入端和輸出端之間由于通過光信號來傳輸,因而兩部分電路之間在電氣上是完全隔離的,因而沒有電信號的反饋和干擾,故其性能穩(wěn)定,抗干擾能力很強。

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

          因此,筆者設(shè)計了一種精度較高、電路簡單,并由光電耦合器組成的反饋式對稱溫度補償?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/模擬信號">模擬信號電路,通過該電路可以較好地完成的隔離傳輸。

          1 傳輸特性分析

          本文介紹的反饋式對稱溫度補償模擬信號電路。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,輸出電流I2為0,表明發(fā)光二極管不發(fā)光,光電三極管無光照而截止;

          (2)當(dāng)輸入電流I1為O.5 mA時,輸出電流I2為0.22 mA,此時Il>I2,表明發(fā)光二極管已開始發(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,輸出電流I2為0.7~4.19 mA,I1

          (4)當(dāng)輸入電流I1為4.5mA時,輸出電流I2為4.4 mA,I2>I1,表明I2隨I1增大到一定程度時,已不能繼續(xù)成線性變化。此后,電流傳輸比下降,光電耦合器開始進入飽和狀態(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過大或過小,電路均工作在非線性區(qū),只有在一定的范圍內(nèi),4N25才工作在線性區(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,用于隔離傳輸模擬信號。IC2和R2模仿輸出形式,可用于產(chǎn)生反饋比較信號,并可自動調(diào)整不同電流轉(zhuǎn)換效率時發(fā)光二極管的工作電流,保證光電耦合器可靠地工作在線性狀態(tài),提高電路的線性度。

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

          由于光電耦合器的輸入和輸出之間的信號傳輸是通過光信號來實現(xiàn)的,因此,它的輸入輸出兩部分在電氣上完全隔離,沒有電信號的反饋和干擾,故其性能穩(wěn)定,抗干擾能力強。

          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)成的模擬信號放大電路具有優(yōu)良的電氣性能。

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

          反之,若運放Al的反相端電位由于干擾信號負向偏離虛地,故其運放A1的輸出端的電位將降低,進而使光電耦臺器IC2的發(fā)光強度減弱,IC2的集射電壓增大,最后使運放Al的反相端的電位升高而回到虛地。

          3 結(jié)束語

          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,光電耦合器的線性工作范圍較窄,且隨溫度變化而變化。同時,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,以提高線性度,并使靜態(tài)工作點能隨溫度的變化而自動調(diào)整,以使輸出信號保持對稱性,使輸入信號的動態(tài)范圍隨溫度變化而自動變化,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。

          在實際應(yīng)用中,除應(yīng)選用線性范圍寬、線性度高的光電耦合器來實現(xiàn)模擬信號的傳輸外,在電路上也應(yīng)采取有效措施。例如可以根據(jù)動態(tài)工作的要求,設(shè)置合適的靜態(tài)工作點,并采用反饋式對稱溫度補償電路,來盡量消除溫度變化對放大電路工作狀態(tài)的影響,從而獲得信號不失真的傳輸。

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