由光耦组成的模拟信号放大电路的设计

光电耦合器是一种可把电信号转换成为光信号，然后又将光信号恢复为电信号的半导体器件，它属于一种电――光――电转换器件。其基本结构是将光发射器和光敏接收器装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。常见的光发射器为红外发光二极管，其引脚作为输入端，用晶体管图示仪可观察到其特性曲线与一般二极管相似。光敏接收器为光敏二极管或光敏三极管，其引脚作为输出端。当电信号送入光电耦合器的输入端时，发光二极管通过电流而发光，其发光的强弱与信号电流成正比，亦即与流过二极管的正向电流的大小成正比，输出端的光敏三极管受到光照后CE导通。而当输入端无信号时，发光二极管不亮，光敏三极管截止，CE不通。从而实现了光电的传输和转换。
随着各类电气设备控制电路的日益复杂，各功能电路之间的干扰不可避免。而光电耦合器的输入端和输出端之间由于通过光信号来传输，因而两部分电路之间在电气上是完全隔离的，因而没有电信号的反馈和干扰，故其性能稳定，抗干扰能力很强。一般情况下，电路间数字信号的传输，都可以使用光电耦合器进行彻底隔离。但在传输模拟信号时，由于光电耦合器的线性工作范围较窄，非线性失真较大，而传统的调制解调电路和非线性补偿电路又复杂而庞大。因此，笔者设计了一种精度较高、电路简单，并由光电耦合器组成的反馈式对称温度补偿的模拟信号放大电路，通过该电路可以较好地完成模拟信号的隔离传输。
1 传输特性分析
本文介绍的反馈式对称温度补偿模拟信号放大电路如图1所示。该电路中的电源电压为5V，在电阻R3为1 kΩ的情况下，对光电耦合器4N25的在线测试数据如表1所列，4N25的传输特性如下：
(1)当输入电流I1为0时，输出电流I2为0，表明发光二极管不发光，光电三极管无光照而截止；
(2)当输入电流I1为O．5 mA时，输出电流I2为0．22 mA，此时Il>I2，表明发光二极管已开始发光，光电三极管有弱光照而脱离截止区。
(3)当输入电流I1在1～4 mA时，输出电流I2为0．7～4．19 mA，I1I2，表明在此范围内，I2随I1成线性变化。
(4)当输入电流I1为4．5mA时，输出电流I2为4．4 mA，I2>I1，表明I2随I1增大到一定程度时，已不能继续成线性变化。此后，电流传输比下降，光电耦合器开始进入饱和状态。
根据以上分析，可以看出，I1的大小决定电路的工作状态。I1过大或过小，电路均工作在非线性区，只有在一定的范围内，4N25才工作在线性区。
2 工作原理
图1中的2个光电耦合器ICl和IC2都选用的是4N25，其中ICl和R4组成输出级，用于隔离传输模拟信号。IC2和R2模仿输出形式，可用于产生反馈比较信号，并可自动调整不同电流转换效率时发光二极管的工作电流，保证光电耦合器可靠地工作在线性放大状态，提高电路的线性度。由于两个光电耦合器的发光二极管是串接在一起的，ICl和IC2的工作状态完全对称，公用同一激励电流I1。且两者的发射极电位，即两个光敏三极管的集电极电流分别在R2和R4上所产生的压降对称，受输入信号Ui线性控制，故可实现模拟信号的隔离和传输。
对于图1所示电路，如果运放A1的同相端电位由于干扰信号而正向偏离虚地，则运放Al的输出端的电位将升高，而光电耦合器IC2的发光强度将增强，进而使IC2的集射电压减小，最后使运放A1的反相端的电位降低并回到虚地。反之，若运放Al的反相端电位由于干扰信号负向偏离虚地，故其运放A1的输出端的电位将降低，进而使光电耦台器IC2的发光强度减弱，IC2的集射电压增大，最后使运放Al的反相端的电位升高而回到虚地。
3 结束语
光电耦合器是一种由光电流控制的电流转移器件，其输出特性与普通双极型晶体管的输出特性相似，因可以将其作为普通放大器直接构成模拟放大电路。然而，光电耦合器的线性工作范围较窄，且随温度变化而变化。同时，光电耦合器的共发射极电流传输系数和集电极反向饱和电流Iceo(即暗电流)受温度变化的影响比较明显。因此，出于光电耦合器的转移特性与温度的关系考虑，要使光电耦合器构成的模拟隔离电路能稳定工作，应尽量消除暗电流(Iceo)的影响，以提高线性度，并使静态工作点能随温度的变化而自动调整，以使输出信号保持对称性，使输入信号的动态范围随温度变化而自动变化，从而抵消B值随温度变化的影响，保证电路工作状态的稳定。因此，在实际应用中，除应选用线性范围宽、线性度高的光电耦合器来实现模拟信号的传输外，在电路上也应采取有效措施。例如可以根据动态工作的要求，设置合适的静态工作点，并采用反馈式对称温度补偿电路，来尽量消除温度变化对放大电路工作状态的影响，从而获得信号不失真的传输。