光耦隔離放大工作原理及應(yīng)用

本文所討論的線性光耦隔離電路是借助于一般光電耦合器的特性，用偏置法和差分技術(shù)設(shè)計(jì)而成，是用來(lái)隔離計(jì)算機(jī)所輸出電壓源的數(shù)字信號(hào)與負(fù)載模擬信號(hào)之間的干擾。

線性光耦隔離電路的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的線性光耦隔離電路是由兩個(gè)光電耦合器、兩個(gè)偏置輸入電路和一個(gè)差分放大電路組成，框圖如圖1所示。

因?yàn)楣怆婑詈掀饔衅涮赜械墓ぷ骶€性區(qū)，偏置輸入是用來(lái)調(diào)節(jié)光電耦合器(1)的輸入電流，使其工作在線性區(qū)。而光電耦合器(2)和偏置輸入(2)通過(guò)差分放大電路來(lái)耦合光電耦合器(1)的漂移和非線性。差分放大電路還用來(lái)得到放大的模擬信號(hào)。

光耦隔離放大電路采用TLP521-2光電耦合器、LF356普通一路放大器和LF347普通四路放大器。TLP521-2光電耦合器是集成了圖1中光電耦合器(1)和(2)，LF356主要用于信號(hào)輸入前的信號(hào)處理，一方面保證光電耦合器工作在線性區(qū)，另一方面，對(duì)輸入信號(hào)作簡(jiǎn)單的放大。LF347則組成差分放大電路。所以光耦隔離放大電路的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

線性光耦隔離電路的接線原理如圖3所示。

線性光耦隔離電路的工作原理

圖中，LF356為放大器(1)，中間兩個(gè)光電耦合器由TLP521-2構(gòu)成，后面四個(gè)放大器由LF347構(gòu)成。

光電耦合器的工作特性

TLP521-2光電耦合器是由兩個(gè)單獨(dú)的光電耦合器組成。一般來(lái)講，光電耦合器由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏器件構(gòu)成。發(fā)光二極管的發(fā)光亮度L與電流成正比，當(dāng)電流增大到引起結(jié)溫升高時(shí)，發(fā)光二極管呈飽和狀態(tài)，不再在線性工作區(qū)。光電二極管的光電流與光照度的關(guān)系可用IL∝Eu表述。其中，E為光照度，u=1±0.05，因此，光電流基本上隨照度而線性增大。但一般硅光電二極管的光電流是幾十微安，對(duì)于光敏三極管，由于其放大系數(shù)與集電極電流大小有關(guān)，小電流時(shí)，放大系數(shù)小，所以光敏三極管在低照度時(shí)靈敏度低，而在照度高時(shí)，光電流又呈飽和趨勢(shì)。達(dá)不到線性效果。

因?yàn)椴煌墓怆婑詈掀饔胁煌墓ぷ骶€性區(qū)，所以，在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)該首先找到光電耦合器的線性區(qū)。光電耦合器TLP521-2的電流線性區(qū)大約為1～10mA。

光電耦合器的偏置輸入電路可以決定輸入它的電流的范圍，偏置電路設(shè)計(jì)的好，可以使得輸入電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，光電耦合器依然工作在線性區(qū)。

差分放大電路工作原理

本電路中差分放大電路采用多運(yùn)放、可增益、可調(diào)零電路。圖3中，兩個(gè)光電耦合器的輸出分別通過(guò)放大器(2)和(3)輸入到放大器(4)的同相端和反相端，再差分放大到輸出。放大器(5)主要是用來(lái)調(diào)零。其中，光電耦合器(2)的偏置輸入電路通過(guò)放大電路來(lái)補(bǔ)償光電耦合器(1)的漂移以及非線性部分。一旦補(bǔ)償奏效，電路的輸出就只與光電耦合器(1)的輸入有關(guān)。

線性光隔離電路在程控電壓源中的應(yīng)用

本電路所用輸入電壓是由PC機(jī)給定，該電壓由程序控制，并且可調(diào)節(jié)。通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，變成模擬信號(hào)后，送到光耦合隔離放大電路的輸入端，由隔離放大電路隔離放大后從放大器(5)輸出。同時(shí)在輸出端找一個(gè)反饋點(diǎn)，同樣通過(guò)隔離放大電路和A/D轉(zhuǎn)換返回PC機(jī)，通過(guò)反饋調(diào)整程序，使輸出更**。

本實(shí)驗(yàn)所要求的PC機(jī)給定電壓為0-5V，輸出要求達(dá)到0-12V。

光耦合隔離電路在程控電壓源中應(yīng)用的框圖如圖4所示。

由于試驗(yàn)的目的是為了得到不受輸入影響的**模擬信號(hào)，電路首先要凋零，即在零輸入狀態(tài)下保證輸出為零。調(diào)試步驟如下：

調(diào)節(jié)放大器(1)的反相端，使輸入電壓為零(即接地)。

為保證光電耦合器(1)工作在線性區(qū)，調(diào)節(jié)放大器(1)同相端的輸入電壓，使輸出電壓達(dá)到一個(gè)線性度較好的工作區(qū)。

調(diào)節(jié)光電耦合器(2)，使得兩個(gè)耦合器的輸入電流完全相同(因?yàn)槠潆娏鞴ぷ魈豯生)，從而使得輸出電流也近似相同(因?yàn)殡娮釉骷旧淼恼`差，不可能完全相同)。

調(diào)節(jié)放大器(2)和(3)的正相輸入電壓，使兩者相等。這樣，在放大器(4)的輸出端可以得到一個(gè)接近零的輸出(也不能完全為零)。R12為放大倍數(shù)調(diào)節(jié)電阻。

調(diào)節(jié)R17使得放大器(5)輸出端電壓為零，即PR17為調(diào)零電阻。

根據(jù)所給輸入電壓Vin調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，得到所需電壓Vout。

通過(guò)試驗(yàn)及調(diào)試，得到一組線性度很好的數(shù)據(jù)。

調(diào)試中應(yīng)注意的問(wèn)題

電路中所有+Vcc均為+12V，-Vcc均為-12V，GND為地，但光電耦合器左右兩邊用兩套電源，以避免信號(hào)干擾。

對(duì)單個(gè)放大器而言，在調(diào)試時(shí)，盡量讓輸出電壓在12V以下。

光電耦合器的輸入電流應(yīng)在2～10mA為宜(這是光電耦合器的線性區(qū)，電流太大或太小都會(huì)偏離線性區(qū))，本實(shí)驗(yàn)采用6.17mA(0V輸入時(shí))。且當(dāng)輸入電壓Vin從0～5V改變時(shí)，光電耦合器(1)的輸入電流應(yīng)盡量在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，這樣可以盡可能保證輸入電流在光電耦合器的線性區(qū)內(nèi)變化。

電壓放大過(guò)程實(shí)際由兩部分組成，**部分為放大器(1)，**部分為后四個(gè)放大器組成的集成運(yùn)放塊。

結(jié)束語(yǔ)

研究結(jié)果表明，上述光耦隔離放大電路可用于多種模擬信號(hào)的隔離，尤其是隔離數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。它的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在體積小、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜、輸入與輸出之間絕緣、單向傳輸信號(hào)，且工作頻率可以高達(dá)上百千赫，可以用于頻率要求較寬的電路設(shè)計(jì)。它除了具有通常光電耦合器所特有的性能外，還具有輸出線性度好、光漂移影響小等特點(diǎn)，因此可以用來(lái)消除測(cè)控系統(tǒng)的外部干擾，抑制計(jì)算機(jī)的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾等。

光耦隔離放大電路由于其簡(jiǎn)單的電路設(shè)計(jì)及良好的輸出特性，在數(shù)字電路上得到廣泛的應(yīng)用，尤其是對(duì)于小成本投入、高精度電路的設(shè)計(jì)，有很大的優(yōu)勢(shì)。