光耦隔離放大電路(二)

中文摘要本文主要通過光耦隔離放大電路,對光電耦合器4N25及放大電路和電壓跟隨器中的放大器件TL084的特性進行簡要描述和分析。光耦隔離放大電路主要由電壓串聯(lián)負反饋放大電路光電耦合器和電壓跟隨器三部分組成。其中光電耦合器是本次設(shè)計的關(guān)鍵。光耦的工作原理包括：光的發(fā)射、光的接收及信號放大三個環(huán)節(jié)。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管（LED）,使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比，光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。在放大電路中采用電壓串聯(lián)負反饋電路，對輸入的信號進行比例放大輸出，并且由于采用負反饋，這樣就可以使電路具有較好的恒壓輸出特性。在整個電路的輸出端與電壓更隨器連接，以進一步使電路達到良好穩(wěn)壓輸出效果。關(guān)鍵詞隔離放大器光耦電壓放大電路電壓跟隨器課程設(shè)計任務(wù)書 錯誤!未定義書簽。隔離放大電路的設(shè)計 錯誤!未定義書簽。模擬電子技術(shù)課程設(shè)計成績評定表 錯誤!未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"中文摘要 I目錄 1\o"CurrentDocument"1設(shè)計任務(wù)描述 2\o"CurrentDocument"1.1設(shè)計題目: 2\o"CurrentDocument"1.2設(shè)計要求： 2\o"CurrentDocument"1.2.1設(shè)計目的： 2\o"CurrentDocument"1.2.2基本要求： 2\o"CurrentDocument"1.2.3發(fā)揮部分： 2\o"CurrentDocument"設(shè)計思路 3\o"CurrentDocument"基本框架 4\o"CurrentDocument"4?模塊細節(jié)及各部分電路設(shè)計及參數(shù)計算 54.1方波信號輸入 54.2電源提供電流進入光耦圖 64.2.1光偶的一些參數(shù) 64.2.2分析 9\o"CurrentDocument"4.2.3放大電路的選擇及計算 9\o"CurrentDocument"4.2.4光耦簡圖 11\o"CurrentDocument"4.2.5CTR的計算 11\o"CurrentDocument"4.3_的計算 11\o"CurrentDocument"4.4電壓跟隨器的設(shè)計圖 12\o"CurrentDocument"4.5方波仿真信號輸出 12\o"CurrentDocument"4.6.注意的問題 13\o"CurrentDocument"5?電路元件清單 14\o"CurrentDocument"6?主要元器件介紹 15\o"CurrentDocument"6.1光耦數(shù)據(jù)單 15\o"CurrentDocument"6.2TLO84的數(shù)據(jù)單 17\o"CurrentDocument"7.小結(jié) 19\o"CurrentDocument"8?參考文獻 219?附錄 22設(shè)計任務(wù)描述1.1設(shè)計題目:1.2設(shè)計要求:1.2.1設(shè)計目的：掌握隔離放大電路的構(gòu)成，原理與設(shè)計方法;熟悉模擬元件的選擇，使用方法。1.2.2基本要求:輸入信號為方波，幅度IV,頻率100Hz?40kHz；采用適當?shù)母綦x設(shè)備不影響信號提供者；輸出信號上升及下降時間占有方波周期的5%以下;輸出信號幅度不低于3V。1.2.3發(fā)揮部分:t<100口s；pd幅度分段可調(diào);其他。

設(shè)計思路光耦合器(opticalcoupler,英文縮寫為0C)亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管(LED)，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。這就完成了電一光一電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入和輸出隔離的作用。光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離；輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強；由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻兀件，因而具有很強的共模抑制能力；另外，它還有工作穩(wěn)定,無觸點，使用壽命長，傳輸效率高等優(yōu)點。而我的電路圖設(shè)計步驟：確定目標：設(shè)計整個系統(tǒng)是由哪些模塊組成及明確他們的各自功能，通過各個模塊之間的信號傳輸，實現(xiàn)信號的比例放大、光-電-光轉(zhuǎn)化以及電壓跟隨等目的。并畫出線性直流穩(wěn)壓電源方框圖。系統(tǒng)分析：根據(jù)系統(tǒng)功能，選擇各模塊所用電路形式。功能分析：分析各模塊在此部分所起到的作用。參數(shù)選擇：根據(jù)系統(tǒng)指標的要求，確定各模塊電路中元件的參數(shù)?？傠娐穲D：連接各模塊電路，整體分析?；驹O(shè)計思路為：利用放大電路提供光耦所需的電流通過光耦對輸入信號進行隔離放大通過電壓跟隨器，使輸出信號穩(wěn)定方波信號輸入3.基本框架方波信號的放

大光耦隔離電壓跟隨器方波信號輸出方波信號輸入3.基本框架方波信號的放

大光耦隔離電壓跟隨器方波信號輸出基本原理：通過電壓提供電流，利用放大器改變電流的大小，從而使輸入電流在所選光耦的線性區(qū)，使光耦起到隔離放大的作用。在光電耦合器輸入端加的電流信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，此光照射到封裝在一起的受光器上后，因光電效應(yīng)而產(chǎn)生了光電流，由受光器輸出端引出，這樣就實現(xiàn)了電一光一電的轉(zhuǎn)換。在電路中加入電壓跟隨器使其在電路中不至于消耗電壓。4.模塊細節(jié)及各部分電路設(shè)計及參數(shù)計算4.1方波信號輸入竊FunctionGenerator-X...AVavefarrmsAVavefarrmsFrequencyAkHzFrequencyAkHzDutyCyde|刊l%Amplitude|VpOffsetSign曰IOptionsSetRise/FallTimeCommonCommon輸入信號仿真圖輸入信號仿真圖

4.2電源提供電流進入光耦圖421光偶的一些參數(shù)MaximumRatingsT=25°CAEmitterTOC\o"1-5"\h\zReverseVoltage 6.0VForwardCurrent 60mASurgeCurrent(tW10口s) 2.5 APowerDissipation 100mWDetectorCollector-EmitterBreakdownVoltage 70 V

Emitter-BaseBreakdownVOltage 7.0 VCollectorCurrent 50 mACollectorCurrent(t<1.0ms) 100 mAPowerDissipation 150 mWPackageIsolationTestVoltage 5300 VRMSCreepage ±7.0mmClearance ±7.0mmIsolationThicknessbetweenEmitterandDetector ±0.4mmTOC\o"1-5"\h\zComparativeTrackingIndexperDINIEC112/VDE0303,part1 175IsolationResistance12V=500V,T=25°C 10 ?A11V=500VT=100°C 10?IOAStorageTemperature —55°Cto+150°COperatingTemperature .-55°Cto+100°CJunctionTemperature 100°CSolderingTemperature(max.10s,dipsoldering:distancetoseatingplane±1.5mm) 260°CFigure2.NormalizedNon-saturatedandSaturatedCTR,Z^=25°Cvs.LEDCurrentNormalizedio；Vce=10V,If^KCTRce(sat)Vce)m扎Ta=^5°C-0.4V/VNormalizedio；Vce=10V,If^KCTRce(sat)Vce)m扎Ta=^5°C-0.4V/VTa=25°CNCTR(SAT')NCTR1.00.50.0Figure1?ForwardVoltagevs.ForwardCurrentioIp-LEDCurrent-mA1001.40.7 1 1__IL-Lxd 11 1 1I—L-U~~L.1110100If?ForwardCurrent?mAMCT2/MCT2E—Chamderisties厲=藥吃EmitterSymbolhlImTyp.NklX?UnitConditionForwardVoltage—1.11.5V*=20mAAcvcrseCurrent——10mAVH=3.0VCapacilaoce—25—:::Vn=0.f=".0MHz

422分析由上面的數(shù)據(jù)單可知，發(fā)光二極管的工作區(qū)域的電流為 I為了使其工作在最佳狀態(tài)只有加一個放大器。由_I圖可知當―I時 I左右，這里我設(shè)置一個50匚的保護電阻，由此可推出放大后的電壓為 I ，所以放大器的放大倍數(shù)為四倍。4.2.3放大電路的選擇及計算1?放大電路我們根據(jù)已學的知識，優(yōu)先考慮集成運算放大器且講其設(shè)置成同相放小信號電路模型小信號電路模型圖中輸出通過負反饋的作用，使vn自動地跟蹤vp,即vp^vn,或V=vp—vn^O。這種現(xiàn)象稱為虛假短路，簡稱虛短。由于運放的輸入電阻歷很大，所以，運放兩輸入端之間的ip=-in=(vp—vn)/ri心0,這種現(xiàn)象稱為虛斷。根據(jù)虛短和虛斷的概念有vP~vn，ip=-in=03..根據(jù)虛短，續(xù)斷的概念有，由上面的分析有丨=4所以，這樣我將3..根據(jù)虛短，續(xù)斷的概念有，由上面的分析有丨=4所以，這樣我將4.2.4光耦簡圖4N251:ANODE(LED)2:CflTHODE(LED)4.2.4光耦簡圖4N251:ANODE(LED)2:CflTHODE(LED)3:N.C.4:CATHODE(SCR)5:ANODE(SCR)6：GATE*村&4.2.5.測得的IC與IF如圖所示呼■前"+;“」嚴￥1“”1I—30.(399mA瞬Multinn-eter-XMM2￡2~^L||| f2.796mAj |A V G|dB:1_ 」-+ Set...-伸.1I午4.2.5CTR的計算4.3口的計算由于我的目的是要得到3V的方波，由于我用萬用表測得的電流為有效值，而在此有峰值=2*有效值

4.4電壓跟隨器的設(shè)計圖 VBD ■■■■■■■I ■■■■■■■■■■■■■■■ T2V ■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■■ *VDD VSS__v$s-12V4.5方波仿真信號輸出嫁'0sci11Q^cope-XSC1

46注意的問題步驟如下:電路中所有+Vcc均為+12V,-Vcc均為-12V,GND為地。對單個放大器而言，在調(diào)試時，盡量讓輸出電壓在12V以下。光電耦合器的輸入電流應(yīng)在2?10mA為宜（這是光電耦合器的線性區(qū)，電流太大或太小都會偏離線性區(qū)）。發(fā)光二極管邊和三極管邊需要用兩個不同的接地，以避免不必要的干擾。5.電路元件清單元件名稱型號規(guī)格數(shù)量電阻30KQ1電阻10KQ1電阻5002光耦4N251放大器TL084ID2直流電源VSS1直流電源VDD1地1地1導(dǎo)線若干6.1光耦數(shù)據(jù)單6.主要元器件介紹DimensionsinInches(mm)131[21.249(6.30).256(6.50)pinoneID比J創(chuàng)創(chuàng).335(8.50).343(8.70)AnodeHCathode|~25CollectorNC13「300(7一能)--g”6Base4Emitter4°.130(3.30)T.150(3.81).039(1.00)Min..018(0.45).022(0.55)f.04&(0.45).022(0.55).031(0.80)min.亠.031(0.80j

.035(0.90].100(2.S4)typ.3°-9D.114(2.90)J30(3.0)"產(chǎn)a”誰dfL.30C^.347I*■*(7.62-G.ai)PowerDidpipn 100 mWDetectorGollector-ErritterBreakdownVoItage EnriilLer-BaseBreakdownVoltag& lr rr n： 50 mACollectorCurrents<1.0ms) I PackageIsolsitionTsstVoltage…………"“……,tIsolationThicknessbetweenEmitterandDetector ComparativeTrackingIndexperDINIEC112/VDEO3O3;part1 175IsolationResistanceV|O=500VTa=25°C 10l2Q 1011 GStorageTernpernlure Operating"Temperature ~55°Cto+100°CUn n Per：：：： 100&CSolderingTemperature(max.10s,dipsoldering;distancetoseatingplane>1.5mm) 260°C尸igure1?尸orwardVoltagevs.尸orwardCurrent1.41.31.41.31.21.11.00.90.B0.7?■Ta=-55?c|TA=25°C——T.口EC?廣一i1負一oO111丄]U」1111111■111?L】1U.1110100Ip-ForwardCurrent-mA

Figure3.NormalizedNon-saturatedandSaturatedCTR,7^=50°Cvs.LEDCurrent.o0.0.1-Nornnalizedto:.o0.0.1-Nornnalizedto:-Vg9=10V,If=1(-CTRce(sat)Vc&>nriA,Ta=25°0=0-4Vz[Ta^50qC加ri n iiitilli 1 JJLNCTR(SAT)NCTRLIJ1JbH110Ip-LEDCurrent-mA1006.2TLO84的數(shù)據(jù)單TL084TOC\o"1-5"\h\zIqperchannel(Max)(mA)2.8VIO(25degC)(Max)(mV)15CMRR(Min)(dB) 70VnatlkHz(Typ)(nV/rtHz)18IIB(Max)(pA) 400SlewRate(Min)(V/us)8SlewRate(Typ)(V/us)13GBW(Typ)(MHz) 3Spec'datVs(V) +/-15VIO(FullRange)(Max)(mV)20Vs(Min)(V) 7Vs(Max)(V) 36Pin/PackageVio(Max)(mV)Pin/PackageVio(Max)(mV)14SOIC,14TSSOP20

SupplyVoltage5(V) NoOpenLoopGain(Min)(dB)88OffsetDrift(Typ)(uV/C)18IQPerAmp(+/-)(Max)(mA)2.8OffsetVoltage(+/-)(Max)(mV)NumberofChannelsApprox.Price(US$)OperatingTemperatureRange(°C)2040.20|1ku2040.20|1ku-40to125,-40to85,0to70TotalSupplyVoltage(V)(Max)(+5V=5,+/-5V=10)36vcc*TL084放大器的原理圖7.小結(jié)通過這次對光耦隔離放大電路的設(shè)計和分析，使我們深刻認識到了電子世界的神奇和自己知識的缺乏，也使我們更加清醒的認識了自己的不足，同時強烈的刺激了我們對進一步學習電子知識興趣和好奇心。在電路設(shè)計的過程中，我們由起初的無從下手，漸漸的認識到各種器件的參數(shù)和工作原理，再通過進一步整合形成一個電路的基本框架，又經(jīng)過更一步的參數(shù)分析和設(shè)定和仿真，使電路基本達到課程要求。我們組有4名成員，在開始每個人都被分配了具體的任務(wù)，比如對放大器和光耦資料的搜集包括參數(shù)、原理以及使用環(huán)境，對器件的刪選和留用，還有電路設(shè)計中相關(guān)參數(shù)的設(shè)定和電路的仿真等等。在設(shè)計我們相互獨立而又密切配合，并且得到了老師的關(guān)鍵性建議，使我們很快明確了我們每一步的設(shè)計目的和具體思路。我們決定將電路模塊化，以減少工作復(fù)雜性和增大每個模塊的可操作性，這是我們工作中的一個不可不說的亮點。我們根據(jù)之前查閱的資料，根據(jù)每個模塊的特性和功能，配以不同參數(shù)的器件，使每個模塊實現(xiàn)預(yù)期的功能，通過輸入設(shè)計要求的參數(shù)，使每個模塊輸出我們想要的結(jié)果，結(jié)果在各模塊中一級級傳遞和變化，最終達到設(shè)計要求。這次課程設(shè)計使我們學到了我們在書本中永遠學不到的知識，使我們可以更加清晰認識到自己動手的重要性。如果沒有這次課程設(shè)計，我們可能永遠迷信在自己的“理所當然”里,不會去發(fā)現(xiàn)我們平時忽略的細節(jié)和在思想里已經(jīng)根深蒂固的錯誤。這是一次對電路的設(shè)計，同時也是對自己思想的檢驗和錯誤的更正，使我們避免以后更大更深的錯誤，讓我們學會用實踐去驗證真理和用實踐得來的結(jié)論去幫助解決我們書本中難題。雖然這次課程設(shè)計只有一周，但其中我們卻覺得每一天都那么的充實，每一天都會有不同的知識充實著我們的大腦，使我們迫切希望去發(fā)現(xiàn)問題，去解決問題。我們收獲著知識的同時，也收獲著對設(shè)計和學習的自信，通過實踐我們得到了我們假設(shè)的結(jié)論，證明了自己在學習上的進步！課設(shè)悄然結(jié)束了，在此謝謝和我一起團結(jié)合作過的伙伴，也謝謝自始至終幫我們排憂解難的老師，最后感謝學校安排了這次認識自我、提高自我的課設(shè)實踐課程。

8.致謝這次課程設(shè)計計時5天，任務(wù)艱巨，但在老師的耐心講解和伙伴的精誠合作下，我順利的結(jié)束了我的課程設(shè)計，在此一并感謝。在設(shè)計之初，我真的很茫然，對于光耦隔離放大電路，我?guī)缀跻褵o所知，什么是光耦？什么是隔離？它有怎樣的工作原理？我一點概念都沒