实现线性传输的非线性光耦隔离电路的设计与分析

摘 要： 针对采用光敏二极管进行光耦合的线性光耦所搭建电路线性输出范围较窄的问题，选用光敏三极管进行光耦合的非线性双路光耦设计电路，并对电路进行了直流分析和低频交流分析。实验证明，该电路扩展了线性输出范围，并能有效地完成信号的采集任务。
关键词： 电流传输比；双路光耦；直流分析；交流分析；误差分析

光电耦合器件把发光器件和光敏器件组装在一起，以光为媒介，实现输入和输出之间的电气隔离。光电耦合是一种简单有效的隔离技术，关键技术在于破坏了“地”干扰的传播途径，切断了干扰信号进入后续电路的途径，有效地抑制了尖脉冲和各种噪声干扰。电流传输比是光电耦合器件性能的一个重要标志[1]，定义为输出电流与输入电流的比值。
虽然光电耦合器具有非常好的隔离性能，但是由于非线性使其不能在模拟信号的隔离上大量使用。线性光耦的出现有效地解决了这个问题。但用其搭成电路后，电路线性输出范围较窄（在0～3 V左右）[2]，并且价格较高，在某种程度上影响了它的适用范围。本文利用双路光耦设计了非线性光耦的隔离电路，在实现线性传输完成信号采集的同时，增宽了电路的线性输出范围。
1 电路设计
1.1 设计原理
光敏二极管是光伏型器件，有光伏型和光电导型两种工作模式[3]。线性光耦内部大多采用光敏二极管进行光耦合，因此，线性光耦(如SLC800等)大多都有两种工作模式。光敏三极管虽然是光伏效应器件，但在零偏时，光敏三极管并无信号电流输出[4]。因此，利用光敏三极管进行光耦合的光耦器件仅具有光电导型工作模式。
光敏三极管是一种相当于将基极、集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器[4-5]，其原理如图1(a)所示。其工作过程可分为光电转换和光电流放大两个环节。当基极受光时，入射光子在基区及收集区被吸收而产生电子-空穴对，生成光生电压，由此产生的光生电流进入发射极，从而在集电极回路中得到了一个放大了β倍的信号电流。由此可知，在同样光照、同样偏压条件下，光敏三极管的输出电流是光敏二极管的β倍，所以光敏三极管构成的光耦电流传输比是光敏二极管的β倍，电路中与光耦串联的同一阻值电阻的分压也是β倍，如图1(b)所示。由此可通过利用光敏三极管进行光耦合的光耦器件设计一种线性输出范围较宽的线性光耦隔离电路。

1.2 电路组成
设计电路由光电耦合部分、输入部分和输出部分组成，如图2所示。
双路光耦采用TLP521-2，由两个发光二极管和两个光敏三极管构成。将两发光二极管串联使其通过相同的电流，进而使两光敏三极管受光相同。一光敏三极管构成伺服反馈回路，经运算放大器反馈到输入端，称为伺服光电管；另一光敏三极管构成输出回路，典型用法是后接运算放大器，称为传输光电管。常规发光二极管对时间和温度的响应都是非线性的。伺服反馈有利于发光二极管输出线性化，主要是利用运算放大器的功能特性，微调发光二极管的传输电流作保证。
电容C的选用是必要的，在电路的工作过程中它主要起反馈作用[6]，若不加电容在输出端会出现三角波，使运放两输入端的电压不能保持一致，影响电路的精度。为增大电路的输入阻抗并减小输出阻抗，在电路的输出端将运放A2作为跟随器使用，以提高电路的带负载能力。
为实现真正的隔离，必须对电路的输入和输出部分电路进行电源隔离[2]，运放A1和伺服光电管使用同一电源，输出光电管和运放A2使用同一电源。运放选用LM358。电容电阻的参数如表1所示。

2 电路分析
TLP521-2内部发光二极管在电流驱动下发光照射光敏三极管，光敏三极管受光后产生光生载流子注入发射区产生扩散电流，该电流在集电极和基极间被放大(要求在集电极和基极间加正向电压)。因此，可以认为驱动发光二极管的电流和通过光敏三极管的电流有一比例关系，设比例系数为k。集电极基极电流随光照的增强逐渐趋于饱和，即光电流与入射光照成非线性关系，所以，该比例系数k为一变量。
2.1 直流分析
由运放的工作特性可知，运放A1的输出端和输入端电压相等，即有Vi=V1+=V1-，所以电阻R5上的电压为Vi。伺服光电管和传输光电管受光导通后，在电源作用下生成电流Ip1和Ip2，并且有Ip1=Ip2。电流Ip2流过电阻R4后生成电压V4=Ip2×R4。因R1=R4，故Vi=V4。V4通过跟随器后得到输出电压Vo，最终得Vi=Vo。
由以上分析可知，该电路在采集直流信号时，信号的输出实现了光电隔离，但输出结果与光电器件无关。
2.2 低频交流分析
双路光耦TLP521-2中，两光敏三极管受光相同，反馈电阻R5和输出电阻R4上电压相同，可将反馈电压视为由R4上电压控制的受控电压源；将传输光电管等价为一个受控电流源[7]。反馈电路直接从输出端引出，并且输入信号和反馈信号分别加在运放的两个输入端上，所以该反馈为串联电压反馈[8]。
电压跟随器A2等效为放大倍数为1的受控电压源。在低频交流电路中由于电容C的阻抗很大，将电容C忽略不计。该电路的交流等效电路如图3所示。

Zi1、Zi2分别为运放A1的输入和输出阻抗，Av1、Av2分别为运放A1、A2的放大倍数，Zd为发光二极管阻抗，k为光电流与驱动电流的比值，Zg为光敏三极管输出阻抗，Zif、Fv分别为反馈电路的输入阻抗和放大倍数。

2.3 误差分析
电路噪声包括外部噪声和由器件引起的噪声。外部噪声很多，有电磁干扰带来的噪声、信号源引入的噪声等；器件引起的噪声在于集成电路内部器件工作时生成的噪声，例如光敏二极管暗电流带来的噪声。外部噪声可以通过电磁兼容设计降噪，而内部噪声是不能通过电路改变的。
光耦引起的误差是该电路的主要误差来源。光耦的低频噪声包括1/f噪声和g-r噪声，在很宽的频率范围内表现为两者的叠加[1]。半导体表面的一些缺陷（重金属杂质、位错）可在禁带中引入一些浅陷阱能级和深陷阱能级，造成表面1/f噪声，是1/f噪声噪声的主要来源；光敏三极管发射结空间电荷区深能级对载流子俘获和发射，引起了结区两端电势的涨落，该涨落又以指数的形式调制了基区电流，最终表现为大幅度的g-r噪声。
虽然双路光耦TLP521-2内部的两个光耦物理特性较为一致且封装在一起，但是两发光二极管的发光程度和两光敏二极管的受光程度仍会有所差别。电路中两光敏二极管的电源使用的不是同一电源，在有差异的正向电压下工作的光敏二极管的光敏特性也有所不同。因此，在进行工程应用前必须先对光耦的性能进行测试，挑选性能好的双路光耦搭建电路。
在工程实际中，电阻的阻值是其标称阻值允许偏差范围内的任意值，一般电阻的允许误差可达20%，精密电阻为5%。对电路中的电阻R4和R5，若其阻值存在较大偏差，就会使电路的输出出现误差。可将电阻R4或R5分成一个固定阻值和一个电位器的串联，利用电位器进行调整使其阻值相等。
由电路的直流和交流分析可知，输出电压和输入电压应相等，但以上分析都是建立在理想模型上，在实际工程中，其结果有一定的差别。这是系统误差不可避免的。
3 实验测试
由电路分析可知，无论是直流还是低频交流，电路的放大倍数都为1。只是由于误差的存在会使输出与输入有较小的差值。
3.1 直流电路电压测试
按电路组成搭建电路，选取运放A1两输入端和运放A2输出端作为测点，实验中间隔0.5 V，测量各测点电压一次。测得实验结果如表2所示。

由表2可知，在0~4.5 V范围内输出与输入差值仅在毫伏级，在4.5 V~5 V之间的差值也在0.01 V左右，5 V以后差值开始变大。由理论分析和表中的测试结果可以看出，采用光敏三极管进行光耦合的光耦器件输出电流较大，使光耦的电流传输比增大，提高了所搭建电路的性能，主要表现为搭成的电路线性输出范围得到了较大的扩展。
3.2 低频交流电路电压测试
给电路输入幅值为2 V、频率为50 Hz的正弦交流电压信号。由分析可知，电路的放大倍数约为1，所以，电路的输出仍为同样波形的电压信号。用示波器采得输出端波形如图4所示。
由实验结果可知，该电路满足低频下交流信号隔离的要求，即可实现除幅值和相位外，信号无其他变化，实现了电路的设计目的。
本文采用光敏三极管进行光耦合的双路光耦TLP521-2搭建了实现线性输出的信号采集电路，该电路在保证测试精度的基础上扩展了电路的线性输出范围，完成了测试目的。但需要指出的是，本文没有对电路的带宽及响应时间做出理论分析及实验测试。这些问题还需进行深一步的研究。
参考文献
[1] 胡瑾，杜磊，庄奕琪，等.光电耦合器电流传输比的噪声表征[J].半导体学报，2007，28(4)：597-603.
[2] 郭庆亮.非线性光耦实现模拟信号线性隔离[J].机械与电子，2010(1)：106.
[3] 谢云山，石祥聪.SLC800线性光电耦合器在隔离放大电路中的应用[J].自动化与仪器仪表，2006(2)：34-35.
[4] 田等先，龚全宝，张幼平，等.半导体光电器件[M].重庆：机械工业出版社，1982：225-262.
[5] 钱俊霞，郑坚立.光电检测技术[M].北京：机械工业出版社，1993：42-56.
[6] 张亢，李应辉.高压隔离高线性度光电耦合器[J].半导体光电，2004，25(4)：264-267.
[7] 杨孟琢.反馈放大器的稳定性理论及其应用[M].北京：高等教育出版社，1992：27-85.
[8] 秦增煌.电工学(下)[M]第六版.北京：高等教育出版社,2004：125-138.