摘 要： 針對(duì)采用光敏二極管進(jìn)行光耦合的線性光耦所搭建電路線性輸出范圍較窄的問(wèn)題，選用光敏三極管進(jìn)行光耦合的非線性雙路光耦設(shè)計(jì)電路，并對(duì)電路進(jìn)行了直流分析和低頻交流分析。實(shí)驗(yàn)證明，該電路擴(kuò)展了線性輸出范圍，并能有效地完成信號(hào)的采集任務(wù)。
關(guān)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(shí)現(xiàn)輸入和輸出之間的電氣隔離。光電耦合是一種簡(jiǎn)單有效的隔離技術(shù)，關(guān)鍵技術(shù)在于破壞了“地”干擾的傳播途徑，切斷了干擾信號(hào)進(jìn)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(gè)重要標(biāo)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(hào)的隔離上大量使用。線性光耦的出現(xiàn)有效地解決了這個(gè)問(wèn)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(jià)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(shè)計(jì)了非線性光耦的隔離電路，在實(shí)現(xiàn)線性傳輸完成信號(hào)采集的同時(shí)，增寬了電路的線性輸出范圍。
1 電路設(shè)計(jì)
1.1 設(shè)計(jì)原理
光敏二極管是光伏型器件，有光伏型和光電導(dǎo)型兩種工作模式[3]。線性光耦內(nèi)部大多采用光敏二極管進(jìn)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(yīng)器件，但在零偏時(shí)，光敏三極管并無(wú)信號(hào)電流輸出[4]。因此，利用光敏三極管進(jìn)行光耦合的光耦器件僅具有光電導(dǎo)型工作模式。
光敏三極管是一種相當(dāng)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(guò)程可分為光電轉(zhuǎn)換和光電流放大兩個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)基極受光時(shí)，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(duì)，生成光生電壓，由此產(chǎn)生的光生電流進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到了一個(gè)放大了β倍的信號(hào)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(gòu)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(guò)利用光敏三極管進(jìn)行光耦合的光耦器件設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(gè)發(fā)光二極管和兩個(gè)光敏三極管構(gòu)成。將兩發(fā)光二極管串聯(lián)使其通過(guò)相同的電流，進(jìn)而使兩光敏三極管受光相同。一光敏三極管構(gòu)成伺服反饋回路，經(jīng)運(yùn)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(gòu)成輸出回路，典型用法是后接運(yùn)算放大器，稱為傳輸光電管。常規(guī)發(fā)光二極管對(duì)時(shí)間和溫度的響應(yīng)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(yùn)算放大器的功能特性，微調(diào)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(guò)程中它主要起反饋?zhàn)饔肹6]，若不加電容在輸出端會(huì)出現(xiàn)三角波，使運(yùn)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(yùn)放A2作為跟隨器使用，以提高電路的帶負(fù)載能力。
為實(shí)現(xiàn)真正的隔離，必須對(duì)電路的輸入和輸出部分電路進(jìn)行電源隔離[2]，運(yùn)放A1和伺服光電管使用同一電源，輸出光電管和運(yùn)放A2使用同一電源。運(yùn)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(nèi)部發(fā)光二極管在電流驅(qū)動(dòng)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(kuò)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(rèn)為驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的電流和通過(guò)光敏三極管的電流有一比例關(guān)系，設(shè)比例系數(shù)為k。集電極基極電流隨光照的增強(qiáng)逐漸趨于飽和，即光電流與入射光照成非線性關(guān)系，所以，該比例系數(shù)k為一變量。
2.1 直流分析
由運(yùn)放的工作特性可知，運(yùn)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(dǎo)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(guò)電阻R4后生成電壓V4=Ip2×R4。因R1=R4，故Vi=V4。V4通過(guò)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(hào)時(shí)，信號(hào)的輸出實(shí)現(xiàn)了光電隔離，但輸出結(jié)果與光電器件無(wú)關(guān)。
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(jià)為一個(gè)受控電流源[7]。反饋電路直接從輸出端引出，并且輸入信號(hào)和反饋信號(hào)分別加在運(yùn)放的兩個(gè)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(jì)。該電路的交流等效電路如圖3所示。

Zi1、Zi2分別為運(yùn)放A1的輸入和輸出阻抗，Av1、Av2分別為運(yùn)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(qū)動(dòng)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(lái)的噪聲、信號(hào)源引入的噪聲等；器件引起的噪聲在于集成電路內(nèi)部器件工作時(shí)生成的噪聲，例如光敏二極管暗電流帶來(lái)的噪聲。外部噪聲可以通過(guò)電磁兼容設(shè)計(jì)降噪，而內(nèi)部噪聲是不能通過(guò)電路改變的。
光耦引起的誤差是該電路的主要誤差來(lái)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(nèi)表現(xiàn)為兩者的疊加[1]。半導(dǎo)體表面的一些缺陷（重金屬雜質(zhì)、位錯(cuò)）可在禁帶中引入一些淺陷阱能級(jí)和深陷阱能級(jí)，造成表面1/f噪聲，是1/f噪聲噪聲的主要來(lái)源；光敏三極管發(fā)射結(jié)空間電荷區(qū)深能級(jí)對(duì)載流子俘獲和發(fā)射，引起了結(jié)區(qū)兩端電勢(shì)的漲落，該漲落又以指數(shù)的形式調(diào)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(nèi)部的兩個(gè)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(huì)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(jìn)行工程應(yīng)用前必須先對(duì)光耦的性能進(jìn)行測(cè)試，挑選性能好的雙路光耦搭建電路。
在工程實(shí)際中，電阻的阻值是其標(biāo)稱阻值允許偏差范圍內(nèi)的任意值，一般電阻的允許誤差可達(dá)20%，精密電阻為5%。對(duì)電路中的電阻R4和R5，若其阻值存在較大偏差，就會(huì)使電路的輸出出現(xiàn)誤差?？蓪㈦娮鑂4或R5分成一個(gè)固定阻值和一個(gè)電位器的串聯(lián)，利用電位器進(jìn)行調(diào)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(yīng)相等，但以上分析都是建立在理想模型上，在實(shí)際工程中，其結(jié)果有一定的差別。這是系統(tǒng)誤差不可避免的。
3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試
由電路分析可知，無(wú)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(huì)使輸出與輸入有較小的差值。
3.1 直流電路電壓測(cè)試
按電路組成搭建電路，選取運(yùn)放A1兩輸入端和運(yùn)放A2輸出端作為測(cè)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中間隔0.5 V，測(cè)量各測(cè)點(diǎn)電壓一次。測(cè)得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可知，在0~4.5 V范圍內(nèi)輸出與輸入差值僅在毫伏級(jí)，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(cè)試結(jié)果可以看出，采用光敏三極管進(jìn)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(kuò)展。
3.2 低頻交流電路電壓測(cè)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(hào)。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(hào)。用示波器采得輸出端波形如圖4所示。
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該電路滿足低頻下交流信號(hào)隔離的要求，即可實(shí)現(xiàn)除幅值和相位外，信號(hào)無(wú)其他變化，實(shí)現(xiàn)了電路的設(shè)計(jì)目的。
本文采用光敏三極管進(jìn)行光耦合的雙路光耦TLP521-2搭建了實(shí)現(xiàn)線性輸出的信號(hào)采集電路，該電路在保證測(cè)試精度的基礎(chǔ)上擴(kuò)展了電路的線性輸出范圍，完成了測(cè)試目的。但需要指出的是，本文沒(méi)有對(duì)電路的帶寬及響應(yīng)時(shí)間做出理論分析及實(shí)驗(yàn)測(cè)試。這些問(wèn)題還需進(jìn)行深一步的研究。
參考文獻(xiàn)
[1] 胡瑾，杜磊，莊奕琪，等.光電耦合器電流傳輸比的噪聲表征[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào)，2007，28(4)：597-603.
[2] 郭慶亮.非線性光耦實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)線性隔離[J].機(jī)械與電子，2010(1)：106.
[3] 謝云山，石祥聰.SLC800線性光電耦合器在隔離放大電路中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2006(2)：34-35.
[4] 田等先，龔全寶，張幼平，等.半導(dǎo)體光電器件[M].重慶：機(jī)械工業(yè)出版社，1982：225-262.
[5] 錢俊霞，鄭堅(jiān)立.光電檢測(cè)技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993：42-56.
[6] 張亢，李應(yīng)輝.高壓隔離高線性度光電耦合器[J].半導(dǎo)體光電，2004，25(4)：264-267.
[7] 楊孟琢.反饋放大器的穩(wěn)定性理論及其應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，1992：27-85.
[8] 秦增煌.電工學(xué)(下)[M]第六版.北京：高等教育出版社,2004：125-138.