由光耦組成的模擬信號放大電路的設計

光電耦合器是一種可把電信號轉換成為光信號，然后又將光信號恢復為電信號的半導體器件，它屬于一種電――光――電轉換器件。其基本結構是將光發射器和光敏接收器裝在同一密閉的殼體內，彼此間用透明絕緣體隔離。常見的光發射器為紅外發光二極管，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。當電信號送入光電耦合器的輸入端時，發光二極管通過電流而發光，其發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導通。而當輸入端無信號時，發光二極管不亮，光敏三極管截止，CE不通。從而實現了光電的傳輸和轉換。
隨著各類電氣設備控制電路的日益復雜，各功能電路之間的干擾不可避免。而光電耦合器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，故其性能穩定，抗干擾能力很強。一般情況下，電路間數字信號的傳輸，都可以使用光電耦合器進行徹底隔離。但在傳輸模擬信號時，由于光電耦合器的線性工作范圍較窄，非線性失真較大，而傳統的調制解調電路和非線性補償電路又復雜而龐大。因此，筆者設計了一種精度較高、電路簡單，并由光電耦合器組成的反饋式對稱溫度補償的模擬信號放大電路，通過該電路可以較好地完成模擬信號的隔離傳輸。
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放大電路如圖1所示。該電路中的電源電壓為5V，在電阻R3為1 kΩ的情況下，對光電耦合器4N25的在線測試數據如表1所列，4N25的傳輸特性如下：
(1)當輸入電流I1為0時，輸出電流I2為0，表明發光二極管不發光，光電三極管無光照而截止；
(2)當輸入電流I1為O．5 mA時，輸出電流I2為0．22 mA，此時Il>I2，表明發光二極管已開始發光，光電三極管有弱光照而脫離截止區。
(3)當輸入電流I1在1～4 mA時，輸出電流I2為0．7～4．19 mA，I1I2，表明在此范圍內，I2隨I1成線性變化。
(4)當輸入電流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。
根據以上分析，可以看出，I1的大小決定電路的工作狀態。I1過大或過小，電路均工作在非線性區，只有在一定的范圍內，4N25才工作在線性區。
2 工作原理
圖1中的2個光電耦合器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，可用于產生反饋比較信號，并可自動調整不同電流轉換效率時發光二極管的工作電流，保證光電耦合器可靠地工作在線性放大狀態，提高電路的線性度。由于兩個光電耦合器的發光二極管是串接在一起的，ICl和IC2的工作狀態完全對稱，公用同一激勵電流I1。且兩者的發射極電位，即兩個光敏三極管的集電極電流分別在R2和R4上所產生的壓降對稱，受輸入信號Ui線性控制，故可實現模擬信號的隔離和傳輸。
對于圖1所示電路，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 結束語
光電耦合器是一種由光電流控制的電流轉移器件，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，光電耦合器的共發射極電流傳輸系數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移特性與溫度的關系考慮，要使光電耦合器構成的模擬隔離電路能穩定工作，應盡量消除暗電流(Iceo)的影響，以提高線性度，并使靜態工作點能隨溫度的變化而自動調整，以使輸出信號保持對稱性，使輸入信號的動態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，保證電路工作狀態的穩定。因此，在實際應用中，除應選用線性范圍寬、線性度高的光電耦合器來實現模擬信號的傳輸外，在電路上也應采取有效措施。例如可以根據動態工作的要求，設置合適的靜態工作點，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的影響，從而獲得信號不失真的傳輸。