光电耦合器在线性隔离放大器中的应用

《电测与仪表》199815总第35卷第389期

光电耦合器在线性隔离放大器中的应用

郑州轻工业学院 谢宋和　黄布毅

摘要　介绍了一种光电耦合器应用于隔离放大器的新方法,采用差分电路原理来补偿光电耦合器的非线性误差,以提高隔离放大器的线性度。实验表明,这种隔离放大器具有电路结构简单、成本低、线性度较好等优点,有一定的实用价值。

关键词　光电耦合器　隔离放大器　模拟信号

一、引　言

干扰信号对计算机测控系统以及其它电子信息系统的影响,是几乎每个电子技术工程人员常遇到的重要问题。外界的各种干扰信号大多是以共模信号的形式通过信号线、电源、地线等途径串入电子系统,影响其正常工作。实践证明信号隔离技术是克服共模信号干扰的有效措施。一般而言,信号的隔离分为数字信号隔离和模拟信号隔离两种。前者采用光电隔离方法,经大量实践证明是十分有效的。对于后者来讲,问题的解决要复杂得多。

随着电子信息系统性能的不断提高,对高线性度、高速度的信号隔离放大器的需求也就更加迫切。传统的变压器耦合型隔离放大器不仅体积大、电路复杂、成本高,而且由于寄生耦合电容的存在使得频率特性很难提高;采用电容耦合型隔离放大器,以昂贵的工艺代价换取的性能改善也是十分有限的。显然,光电耦合器件是实现高速隔离放大器的可期望器件,然而其电流传输系数非线性特性成为它应用于隔离放大器的重要障碍。

本文介绍一种光电耦合器在线性隔离放大器中的具体应用方法,采用差分电路原理来补偿光电耦合器的非线性特性,以提高放大器的线性度。实验表明:这种隔离放大器具有电路

结构简单、体积小、成本低、线性度较好等优点,

可以满足大多数电子应用系统的技术要求,有一定的实用价值。

二、隔离放大器电路原理11电路结构由两块特性比较一致的光电耦合器TL 1

和TL 2构成的线性隔离放大器如下图1和图2所示。其中D 1、D 2分别表示TL 1、TL 2的输入发光部件,T 1、T 2分别表示TL 1、TL 2的输出接收部件,且一般选择R 2=R 3,R 4=R 5,R 8=R 9,R 10=R 11。

21电路工作原理

图1　V/I 信号转换电路

图1实质上是一个V/I 变换电路(且为负载共地方式),负责将输入电压信号V i 稳定地转换成对应的电流信号I i ,并经光电耦合器TL 1将信号传输到后级信号调理电路,起信号隔离传输作用。其中R 2和R 3为输入电阻,R 4和R 5为反馈电阻,R 6为限流电阻,R 7为偏置电阻,R f 为电流反馈采样电阻。由于运算放大器的输入阻抗很高,反馈采样电阻R f 采样到的电流信号以电压的形式加到运算放大器的输入端,起到并联电流负反馈作用。当R f 远小于R 4和R 5时,运算放大器的反相输入端电位为

2

3

V A =

R 4R 2+R 4V i +

R 2

R 2+R 4

(R f I i +V D1)(1)

运算放大器的同相输入端电位为

V B =R 5R 3+R 5V C +R 3

R 3+R 5V

D1

(2)

其中V D1表示光电耦合器TL 1输入端口的压

降。由于V A =V B ,因此有

I i =

R 4

R 2R f (V C -V i )(3)调节电位器RW 1可改变V/I 变换电路的零点迁移。当V i =0时,有

I i0=

R 4

R 2R f V C

(4)

改变光耦的静态偏置电流I i0,可以改善两

个光电耦合器传输特性的不一致性。

图2　后级信号调理电路

图2主要由两大功能单元组成,其中DW 、R 15、R 13、RW 4和Q 3组成一个典型的恒流源电

路,通过调节RW 4使恒流值与图1中的静态输入电流相等,即I i0=I C3。两个光电耦合器的输出端口接成对称互补结构形成,实现电流深度负反馈,提高对输入电流的跟随精度。此如,当输入电压升高时,由(3)式可知,I i 将下降,通过TL 1的接收端口将会产生如下过程:

I i ↓→{I C1I C2

}↑↓　→{V D ↑

V E ↓}→V F ↑→I 0′↓→I C2↓最终导致

I C1=I C2,V D =V E ,I i =I 0′

(5)

通过类似的分析不难总结出如下结论:

当V i =0时,I i =I 0′=I i0,I 0=0,V 0=0当V i >0时,I i =I 0′0,V 0>0当V i <0时,I i =I 0′>I i0,I 0<0,V 0<0

且I 0=I i0-I i =R 4

R 2R f V

i (6)V 0=R 16I 0=R 16R 4

R 2R f V

i

(7)由(7)式可见,上述电路可以实现模拟信号的线性隔离放大,且当R 16R 4=R 2R f 时,有

V 0=V i

(8)三、主要元件及参数

图1和图2中的光电耦合器和运算放大器分别选用TL P521-1和OP -27,对应的电路结构图如图3和图4所示,详细的电气参数见文献[3]。根据对应的参数要求,

可以确定有关

的电路参数。

图3　TL P521

-1内部原理图

图4　OP -27内部原理图

由于运算放大器的输入阻抗高达410M Ω,

输入偏置电流仅±10nA ,因此,输入电阻R 2和R 3的取值范围较宽,可取R 2=R 3=100k Ω,而要求R 4=R 5µR f ,可取R 4=R 5=20k Ω。当取V C =6V 时,根据静态偏置电流(4)式和光电耦合器的正向电流要求,R f 可取100Ω,则I i0=12mA 。

为了使恒流源的电流I C3=I i0,若取U DW =516V ,则(R 15+RW 4)应约为450Ω,可取R 15

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