基于光耦的模拟信号放大电路设计

 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。该电路中的电源电压为5V，在电阻R3为1 kΩ的情况下，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，I1

(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

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。

由于光电耦合器的输入和输出之间的信号传输是通过光信号来实现的，因此，它的输入输出两部分在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故其性能稳定，抗干扰能力强。
发光二极管和光敏管之间的耦合电容小、耐压高，故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。

此外，因其输入阻抗小，这对高内阻源的噪声相当于短接。因此，由光电耦合器构成的模拟信号放大电路具有优良的电气性能。

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。