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基于光電耦合器的模擬信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)

作者: 時(shí)間:2012-07-26 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

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。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/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(hào)送入的輸入端時(shí),發(fā)光二極管通過電流而發(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(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(hào)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(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。但在傳輸時(shí),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(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、電路簡單,并由光電耦合器組成的反饋式對(duì)稱溫度補(bǔ)償?shù)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/模擬信號(hào)">模擬信號(hào)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(duì)稱溫度補(bǔ)償模擬信號(hào)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)成線性變化。此后,電流傳輸比下降,光電耦合器開始進(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(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性狀態(tài),提高電路的線性度。

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,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,受輸入信號(hào)Ui線性控制,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)傳輸是通過光信號(hào)來實(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

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(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)選用線性范圍寬、線性度高的光電耦合器來實(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)稱溫度補(bǔ)償電路,來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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