摘 要： 針對采用光敏二極管進行光耦合的線性光耦所搭建電路線性輸出范圍較窄的問題，選用光敏三極管進行光耦合的非線性雙路光耦設計電路，并對電路進行了直流分析和低頻交流分析。實驗證明，該電路擴展了線性輸出范圍，并能有效地完成信號的采集任務。
關鍵詞： 電流傳輸比；雙路光耦；直流分析；交流分析；誤差分析
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，關鍵技術在于破壞了“地”干擾的傳播途徑，切斷了干擾信號進入后續(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重要標志[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的隔離上大量使用。線性光耦的出現(xiàn)有效地解決了這個問題。但用其搭成電路后，電路線性輸出范圍較窄（在0～3 V左右）[2]，并且價格較高，在某種程度上影響了它的適用范圍。本文利用雙路光耦設計了非線性光耦的隔離電路，在實現(xiàn)線性傳輸完成信號采集的同時，增寬了電路的線性輸出范圍。
1 電路設計
1.1 設計原理
光敏二極管是光伏型器件，有光伏型和光電導型兩種工作模式[3]。線性光耦內部大多采用光敏二極管進行光耦合，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器件，但在零偏時，光敏三極管并無信號電流輸出[4]。因此，利用光敏三極管進行光耦合的光耦器件僅具有光電導型工作模式。
光敏三極管是一種相當于將基極、集電極光敏二極管的電流加以放大的普通晶體管放大器[4-5]，其原理如圖1(a)所示。其工作過程可分為光電轉換和光電流放大兩個環(huán)節(jié)。當基極受光時，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，生成光生電壓，由此產(chǎn)生的光生電流進入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到了一個放大了β倍的信號電流。由此可知，在同樣光照、同樣偏壓條件下，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行光耦合的光耦器件設計一種線性輸出范圍較寬的線性光耦隔離電路。
1.2 電路組成
設計電路由光電耦合部分、輸入部分和輸出部分組成，如圖2所示。
雙路光耦采用TLP521-2，由兩個發(fā)光二極管和兩個光敏三極管構成。將兩發(fā)光二極管串聯(lián)使其通過相同的電流，進而使兩光敏三極管受光相同。一光敏三極管構成伺服反饋回路，經(jīng)運算放大器反饋到輸入端，稱為伺服光電管；另一光敏三極管構成輸出回路，典型用法是后接運算放大器，稱為傳輸光電管。常規(guī)發(fā)光二極管對時間和溫度的響應都是非線性的。伺服反饋有利于發(fā)光二極管輸出線性化，主要是利用運算放大器的功能特性，微調發(fā)光二極管的傳輸電流作保證。
電容C的選用是必要的，在電路的工作過程中它主要起反饋作用[6]，若不加電容在輸出端會出現(xiàn)三角波，使運放兩輸入端的電壓不能保持一致，影響電路的精度。為增大電路的輸入阻抗并減小輸出阻抗，在電路的輸出端將運放A2作為跟隨器使用，以提高電路的帶負載能力。
為實現(xiàn)真正的隔離，必須對電路的輸入和輸出部分電路進行電源隔離[2]，運放A1和伺服光電管使用同一電源，輸出光電管和運放A2使用同一電源。運放選用LM358。電容電阻的參數(shù)如表1所示。
2 電路分析
TLP521-2內部發(fā)光二極管在電流驅動下發(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)。因此，可以認為驅動發(fā)光二極管的電流和通過光敏三極管的電流有一比例關系，設比例系數(shù)為k。集電極基極電流隨光照的增強逐漸趨于飽和，即光電流與入射光照成非線性關系，所以，該比例系數(shù)k為一變量。
2.1 直流分析
由運放的工作特性可知，運放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=Ip2×R4。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時，信號的輸出實現(xiàn)了光電隔離，但輸出結果與光電器件無關。
2.2 低頻交流分析
雙路光耦TLP521-2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；將傳輸光電管等價為一個受控電流源[7]。反饋電路直接從輸出端引出，并且輸入信號和反饋信號分別加在運放的兩個輸入端上，所以該反饋為串聯(lián)電壓反饋[8]。
電壓跟隨器A2等效為放大倍數(shù)為1的受控電壓源。在低頻交流電路中由于電容C的阻抗很大，將電容C忽略不計。該電路的交流等效電路如圖3所示。
Zi1、Zi2分別為運放A1的輸入和輸出阻抗，Av1、Av2分別為運放A1、A2的放大倍數(shù)，Zd為發(fā)光二極管阻抗，k為光電流與驅動電流的比值，Zg為光敏三極管輸出阻抗，Zif、Fv分別為反饋電路的輸入阻抗和放大倍數(shù)。
2.3 誤差分析
電路噪聲包括外部噪聲和由器件引起的噪聲。外部噪聲很多，有電磁干擾帶來的噪聲、信號源引入的噪聲等；器件引起的噪聲在于集成電路內部器件工作時生成的噪聲，例如光敏二極管暗電流帶來的噪聲。外部噪聲可以通過電磁兼容設計降噪，而內部噪聲是不能通過電路改變的。
光耦引起的誤差是該電路的主要誤差來源。光耦的低頻噪聲包括1/f噪聲和g-r噪聲，在很寬的頻率范圍內表現(xiàn)為兩者的疊加[1]。半導體表面的一些缺陷（重金屬雜質、位錯）可在禁帶中引入一些淺陷阱能級和深陷阱能級，造成表面1/f噪聲，是1/f噪聲噪聲的主要來源；光敏三極管發(fā)射結空間電荷區(qū)深能級對載流子俘獲和發(fā)射，引起了結區(qū)兩端電勢的漲落，該漲落又以指數(shù)的形式調制了基區(qū)電流，最終表現(xiàn)為大幅度的g-r噪聲。
雖然雙路光耦TLP521-2內部的兩個光耦物理特性較為一致且封裝在一起，但是兩發(fā)光二極管的發(fā)光程度和兩光敏二極管的受光程度仍會有所差別。電路中兩光敏二極管的電源使用的不是同一電源，在有差異的正向電壓下工作的光敏二極管的光敏特性也有所不同。因此，在進行工程應用前必須先對光耦的性能進行測試，挑選性能好的雙路光耦搭建電路。
在工程實際中，電阻的阻值是其標稱阻值允許偏差范圍內的任意值，一般電阻的允許誤差可達20%，精密電阻為5%。對電路中的電阻R4和R5，若其阻值存在較大偏差，就會使電路的輸出出現(xiàn)誤差?？蓪㈦娮鑂4或R5分成一個固定阻值和一個電位器的串聯(lián)，利用電位器進行調整使其阻值相等。
由電路的直流和交流分析可知，輸出電壓和輸入電壓應相等，但以上分析都是建立在理想模型上，在實際工程中，其結果有一定的差別。這是系統(tǒng)誤差不可避免的。
3 實驗測試
由電路分析可知，無論是直流還是低頻交流，電路的放大倍數(shù)都為1。只是由于誤差的存在會使輸出與輸入有較小的差值。
3.1 直流電路電壓測試
按電路組成搭建電路，選取運放A1兩輸入端和運放A2輸出端作為測點，實驗中間隔0.5 V，測量各測點電壓一次。測得實驗結果如表2所示。
由表2可知，在0~4.5 V范圍內輸出與輸入差值僅在毫伏級，在4.5 V~5 V之間的差值也在0.01 V左右，5 V以后差值開始變大。由理論分析和表中的測試結果可以看出，采用光敏三極管進行光耦合的光耦器件輸出電流較大，使光耦的電流傳輸比增大，提高了所搭建電路的性能，主要表現(xiàn)為搭成的電路線性輸出范圍得到了較大的擴展。
3.2 低頻交流電路電壓測試
給電路輸入幅值為2 V、頻率為50 Hz的正弦交流電壓信號。由分析可知，電路的放大倍數(shù)約為1，所以，電路的輸出仍為同樣波形的電壓信號。用示波器采得輸出端波形如圖4所示。
由實驗結果可知，該電路滿足低頻下交流信號隔離的要求，即可實現(xiàn)除幅值和相位外，信號無其他變化，實現(xiàn)了電路的設計目的。
本文采用光敏三極管進行光耦合的雙路光耦TLP521-2搭建了實現(xiàn)線性輸出的信號采集電路，該電路在保證測試精度的基礎上擴展了電路的線性輸出范圍，完成了測試目的。但需要指出的是，本文沒有對電路的帶寬及響應時間做出理論分析及實驗測試。這些問題還需進行深一步的研究。
參考文獻
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