光电隔离放大电路讲解

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1、光电耦合器件把发光器件和光敏器件组装在一起，以光为媒介，实现输入和输出之间的电气隔离。光电耦合是一种简单有效的隔离技术，关键技术在于破坏了“地干扰的传播途径，切断了干扰信号进入后续电路的途径，有效地抑制了尖脉冲和各种噪声干扰。电流传输比是光电耦合器件性能的一个重要标志[1]，定义为输出电流与输入电流的比值。　　虽然光电耦合器具有非常好的隔离性能，但是由于非线性使其不能在模拟信号的隔离上大量使用。线性光耦的出现有效地解决了这个问题。但用其搭成电路后，电路线性输出范围较窄（在0～3V左右）[2]，并且价格较高，在某种程度上影响了它的适用范围。本文利用双路光耦设计了非线

2、性光耦的隔离电路，在实现线性传输完成信号采集的同时，增宽了电路的线性输出范围。　　1电路设计　　1.1设计原理　　光敏二极管是光伏型器件，有光伏型和光电导型两种工作模式[3]。线性光耦内部大多采用光敏二极管进行光耦合，因此，线性光耦(如SLC800等)大多都有两种工作模式。光敏三极管虽然是光伏效应器件，但在零偏时，光敏三极管并无信号电流输出[4]。因此，利用光敏三极管进行光耦合的光耦器件仅具有光电导型工作模式。　　光敏三极管是一种相当于将基极、集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器[4-5]，其原理如图1(a)所示。其工作过程可分为光电转换和光电流放大两

3、个环节。当基极受光时，入射光子在基区及收集区被吸收而产生电子-空穴对，生成光生电压，由此产生的光生电流进入发射极，从而在集电极回路中得到了一个放大了β倍的信号电流。由此可知，在同样光照、同样偏压条件下，光敏三极管的输出电流是光敏二极管的β倍，所以光敏三极管构成的光耦电流传输比是光敏二极管的β倍，电路中与光耦串联的同一阻值电阻的分压也是β倍，如图1(b)所示。由此可通过利用光敏三极管进行光耦合的光耦器件设计一种线性输出范围较宽的线性光耦隔离电路。 　　1.2电路组成　　设计电路由光电耦合部分、输入部分和输出部分组成，如图2所示。　　双路光耦采用TLP521-2，由两

4、个发光二极管和两个光敏三极管构成。将两发光二极管串联使其通过相同的电流，进而使两光敏三极管受光相同。一光敏三极管构成伺服反馈回路，经运算放大器反馈到输入端，称为伺服光电管；另一光敏三极管构成输出回路，典型用法是后接运算放大器，称为传输光电管。常规发光二极管对时间和温度的响应都是非线性的。伺服反馈有利于发光二极管输出线性化，主要是利用运算放大器的功能特性，微调发光二极管的传输电流作保证。　　电容C的选用是必要的，在电路的工作过程中它主要起反馈作用[6]，若不加电容在输出端会出现三角波，使运放两输入端的电压不能保持一致，影响电路的精度。为增大电路的输入阻抗并减小输出阻

5、抗，在电路的输出端将运放A2作为跟随器使用，以提高电路的带负载能力。　　为实现真正的隔离，必须对电路的输入和输出部分电路进行电源隔离[2]，运放A1和伺服光电管使用同一电源，输出光电管和运放A2使用同一电源。运放选用LM358。电容电阻的参数如表1所示。　　2电路分析　　TLP521-2内部发光二极管在电流驱动下发光照射光敏三极管，光敏三极管受光后产生光生载流子注入发射区产生扩散电流，该电流在集电极和基极间被放大(要求在集电极和基极间加正向电压)。因此，可以认为驱动发光二极管的电流和通过光敏三极管的电流有一比例关系，设比例系数为k。集电极基极电流随光照的增强逐渐趋

6、于饱和，即光电流与入射光照成非线性关系，所以，该比例系数k为一变量。　　2.1直流分析　　由运放的工作特性可知，运放A1的输出端和输入端电压相等，即有Vi=V1+=V1-，所以电阻R5上的电压为Vi。伺服光电管和传输光电管受光导通后，在电源作用下生成电流Ip1和Ip2，并且有Ip1=Ip2。电流Ip2流过电阻R4后生成电压V4=Ip2×R4。因R1=R4，故Vi=V4。V4通过跟随器后得到输出电压Vo，最终得Vi=Vo。　　由以上分析可知，该电路在采集直流信号时，信号的输出实现了光电隔离，但输出结果与光电器件无关。　　2.2低频交流分析　　双路光耦TLP521-2

7、中，两光敏三极管受光相同，反馈电阻R5和输出电阻R4上电压相同，可将反馈电压视为由R4上电压控制的受控电压源；将传输光电管等价为一个受控电流源[7]。反馈电路直接从输出端引出，并且输入信号和反馈信号分别加在运放的两个输入端上，所以该反馈为串联电压反馈[8]。　　电压跟随器A2等效为放大倍数为1的受控电压源。在低频交流电路中由于电容C的阻抗很大，将电容C忽略不计。该电路的交流等效电路如图3所示。　　Zi1、Zi2分别为运放A1的输入和输出阻抗，Av1、Av2分别为运放A1、A2的放大倍数，Zd为发光二极管阻抗，k为光电流与驱动电流的比值，Zg为光敏三极管输出阻抗，Z

8、if、Fv