光耦隔离放大工作原理及应用

本文所讨论的线性光耦隔离电路是借助于一般光电耦合器的特性，用偏置法和差分技术设计而成，是用来隔离计算机所输出电压源的数字信号与负载模拟信号之间的干扰。

线性光耦隔离电路的设计

所设计的线性光耦隔离电路是由两个光电耦合器、两个偏置输入电路和一个差分放大电路组成，框图如图1所示。

因为光电耦合器有其特有的工作线性区，偏置输入是用来调节光电耦合器(1)的输入电流，使其工作在线性区。而光电耦合器(2)和偏置输入(2)通过差分放大电路来耦合光电耦合器(1)的漂移和非线性。差分放大电路还用来得到放大的模拟信号。

光耦隔离放大电路采用TLP521-2光电耦合器、LF356普通一路放大器和LF347普通四路放大器。TLP521-2光电耦合器是集成了图1中光电耦合器(1)和(2)，LF356主要用于信号输入前的信号处理，一方面保证光电耦合器工作在线性区，另一方面，对输入信号作简单的放大。LF347则组成差分放大电路。所以光耦隔离放大电路的结构图如图2所示。

线性光耦隔离电路的接线原理如图3所示。

线性光耦隔离电路的工作原理

图中，LF356为放大器(1)，中间两个光电耦合器由TLP521-2构成，后面四个放大器由LF347构成。

光电耦合器的工作特性

TLP521-2光电耦合器是由两个单独的光电耦合器组成。一般来讲，光电耦合器由一个发光二极管和一个光敏器件构成。发光二极管的发光亮度L与电流成正比，当电流增大到引起结温升高时，发光二极管呈饱和状态，不再在线性工作区。光电二极管的光电流与光照度的关系可用IL∝Eu表述。其中，E为光照度，u=1±0.05，因此，光电流基本上随照度而线性增大。但一般硅光电二极管的光电流是几十微安，对于光敏三极管，由于其放大系数与集电极电流大小有关，小电流时，放大系数小，所以光敏三极管在低照度时灵敏度低，而在照度高时，光电流又呈饱和趋势。达不到线性效果。

因为不同的光电耦合器有不同的工作线性区，所以，在试验过程中，应该首先找到光电耦合器的线性区。光电耦合器TLP521-2的电流线性区大约为1～10mA。

光电耦合器的偏置输入电路可以决定输入它的电流的范围，偏置电路设计的好，可以使得输入电流在很大范围内变化时，光电耦合器依然工作在线性区。

差分放大电路工作原理

本电路中差分放大电路采用多运放、可增益、可调零电路。图3中，两个光电耦合器的输出分别通过放大器(2)和(3)输入到放大器(4)的同相端和反相端，再差分放大到输出。放大器(5)主要是用来调零。其中，光电耦合器(2)的偏置输入电路通过放大电路来补偿光电耦合器(1)的漂移以及非线性部分。一旦补偿奏效，电路的输出就只与光电耦合器(1)的输入有关。

线性光隔离电路在程控电压源中的应用

本电路所用输入电压是由PC机给定，该电压由程序控制，并且可调节。通过D/A转换，变成模拟信号后，送到光耦合隔离放大电路的输入端，由隔离放大电路隔离放大后从放大器(5)输出。同时在输出端找一个反馈点，同样通过隔离放大电路和A/D转换返回PC机，通过反馈调整程序，使输出更精确。

本实验所要求的PC机给定电压为0-5V，输出要求达到0-12V。

光耦合隔离电路在程控电压源中应用的框图如图4所示。

由于试验的目的是为了得到不受输入影响的精确模拟信号，电路首先要凋零，即在零输入状态下保证输出为零。调试步骤如下：

调节放大器(1)的反相端，使输入电压为零(即接地)。

为保证光电耦合器(1)工作在线性区，调节放大器(1)同相端的输入电压，使输出电压达到一个线性度较好的工作区。

调节光电耦合器(2)，使得两个耦合器的输入电流完全相同(因为其电流工作特l生)，从而使得输出电流也近似相同(因为电子元器件本身的误差，不可能完全相同)。

调节放大器(2)和(3)的正相输入电压，使两者相等。这样，在放大器(4)的输出端可以得到一个接近零的输出(也不能完全为零)。R12为放大倍数调节电阻。

调节R17使得放大器(5)输出端电压为零，即PR17为调零电阻。

根据所给输入电压Vin调节放大倍数，得到所需电压Vout。

通过试验及调试，得到一组线性度很好的数据。

调试中应注意的问题

电路中所有+Vcc均为+12V，-Vcc均为-12V，GND为地，但光电耦合器左右两边用两套电源，以避免信号干扰。

对单个放大器而言，在调试时，尽量让输出电压在12V以下。

光电耦合器的输入电流应在2～10mA为宜(这是光电耦合器的线性区，电流太大或太小都会偏离线性区)，本实验采用6.17mA(0V输入时)。且当输入电压Vin从0～5V改变时，光电耦合器(1)的输入电流应尽量在一个较小的范围内变化，这样可以尽可能保证输入电流在光电耦合器的线性区内变化。

电压放大过程实际由两部分组成，第一部分为放大器(1)，第二部分为后四个放大器组成的集成运放块。

结束语

研究结果表明，上述光耦隔离放大电路可用于多种模拟信号的隔离，尤其是隔离数字信号对模拟信号的干扰。它的优点主要体现在体积小、寿命长、价格便宜、输入与输出之间绝缘、单向传输信号，且工作频率可以高达上百千赫，可以用于频率要求较宽的电路设计。它除了具有通常光电耦合器所特有的性能外，还具有输出线性度好、光漂移影响小等特点，因此可以用来消除测控系统的外部干扰，抑制计算机的数字信号对模拟信号的干扰等。

光耦隔离放大电路由于其简单的电路设计及良好的输出特性，在数字电路上得到广泛的应用，尤其是对于小成本投入、高精度电路的设计，有很大的优势。