基于光電耦合器的模擬信號放大電路設計

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。該電路中的電源電壓為5V，在電阻R3為1 kΩ的情況下，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，I1

(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

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。

由于光電耦合器的輸入和輸出之間的信號傳輸是通過光信號來實現的，因此，它的輸入輸出兩部分在電氣上完全隔離，沒有電信號的反饋和干擾，故其性能穩定，抗干擾能力強。

發光二極管和光敏管之間的耦合電容小、耐壓高，故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間的絕緣電阻。

此外，因其輸入阻抗小，這對高內阻源的噪聲相當于短接。因此，由光電耦合器構成的模擬信號放大電路具有優良的電氣性能。

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。

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。

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