光電隔離放大電路講解

1、光電耦合器件光電耦合器件把發(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。雖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)問題

2、。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。1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)

3、，光敏三極管并無信號(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[45]，其原理如圖1(a)所示。其工作過程可分為光電轉(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

4、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。2電路分析TLP5212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

5、)。因此，可以認(rèn)為驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的電流和通過光敏三極管的電流有一比例關(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。2.1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流過電阻R4后生成電壓V4=

6、Ip2R4。因R1=R4，故Vi=V4。V4通過跟隨器后得到輸出電壓Vo，最終得Vi=Vo。由以上分析可知，該電路在采集直流信號(hào)時(shí)，信號(hào)的輸出實(shí)現(xiàn)了光電隔離，但輸出結(jié)果與光電器件無關(guān)。2.2低頻交流分析雙路光耦TLP5212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)