光耦隔离放大电路(二)

中文摘要

本文主要通过光耦隔离放大电路，对光电耦合器4N25及放大电路和电压跟随器中的放大器件TL084的特性进行简要描述和分析。

光耦隔离放大电路主要由电压串联负反馈放大电路光电耦合器和电压跟随器三部分组成。其中光电耦合器是本次设计的关键。

光耦的工作原理包括：光的发射、光的接收及信号放大三个环节。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比，光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。

在放大电路中采用电压串联负反馈电路，对输入的信号进行比例放大输出，并且由于采用负反馈，这样就可以使电路具有较好的恒压输出特性。在整个电路的输出端与电压更随器连接，以进一步使电路达到良好稳压输出效果。

关键词隔离放大器光耦电压放大电路电压跟随器

课程设计任务书 ............................................................................................. 错误！未定义书签。隔离放大电路的设计 ..................................................................................... 错误！未定义书签。模拟电子技术课程设计成绩评定表 ......................................................... 错误！未定义书签。中文摘要 ..................................................................................................................................... I

目录................................................................................................................................................. 1

1.设计任务描述 ............................................................................................................................... 2

1.1 设计题目: ........................................................................................................................... 2

1.2 设计要求： ........................................................................................................................ 2

1.2.1 设计目的： ........................................................................................................... 2

1.2.2 基本要求： ........................................................................................................... 2

1.2.3发挥部分： ............................................................................................................ 2

2.设计思路 ........................................................................................................................................ 3

3.基本框架 ........................................................................................................................................ 4

4.模块细节及各部分电路设计及参数计算 .................................................................................... 5

4.1方波信号输入 ..................................................................................................................... 5

4．2电源提供电流进入光耦图 .............................................................................................. 6

4.2.1 光偶的一些参数 ..................................................................................................... 6

4.2.2分析 .......................................................................................................................... 9

4.2.3放大电路的选择及计算 .......................................................................................... 9

4.2.4 光耦简图 ............................................................................................................. 11

4.2.5 CTR的计算 .......................................................................................................... 11

4.3 R4的计算 ........................................................................................................................ 11

4.4 电压跟随器的设计图 ...................................................................................................... 12

4.5 方波仿真信号输出 .......................................................................................................... 12

4.6.注意的问题 ....................................................................................................................... 13

5.电路元件清单 .............................................................................................................................. 14

6.主要元器件介绍 .......................................................................................................................... 15

6.1光耦数据单 ....................................................................................................................... 15

6.2 TLO84的数据单 .............................................................................................................. 17

7.小结............................................................................................................................................. 19

8.参考文献 ...................................................................................................................................... 21

9.附录.............................................................................................................................................. 22

1.设计任务描述

1.1 设计题目:

1.2 设计要求：

1.2.1 设计目的：

（1）掌握隔离放大电路的构成，原理与设计方法；

（2）熟悉模拟元件的选择，使用方法。

1.2.2 基本要求：

（1）输入信号为方波，幅度1V，频率100Hz～40kHz；

（2）采用适当的隔离设备不影响信号提供者;

（3）输出信号上升及下降时间占有方波周期的5%以下；

（4）输出信号幅度不低于3V。

1.2.3发挥部分：

（1）tpd

（2）幅度分段可调；

（3）其他。

2.设计思路

光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。

光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入和输出隔离的作用。

光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离；输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强；由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力；另外，它还有工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高等优点。

而我的电路图设计步骤：

（1）确定目标：设计整个系统是由哪些模块组成及明确他们的各自功能，通过各个模块之间的信号传输，实现信号的比例放大、光-电-光转化以及电压跟随等目的。并画出线性直流稳压电源方框图。

（2）系统分析：根据系统功能，选择各模块所用电路形式。

（3）功能分析：分析各模块在此部分所起到的作用。

（4）参数选择：根据系统指标的要求，确定各模块电路中元件的参数。

（5）总电路图：连接各模块电路，整体分析。

基本设计思路为：

1．利用放大电路提供光耦所需的电流

2．通过光耦对输入信号进行隔离放大

3．通过电压跟随器，使输出信号稳定

3.基本框架

→

基本原理：

1. 通过电压提供电流，利用放大器改变电流的大小，从而使输入电流在

所选光耦的线性区，使光耦起到隔离放大的作用。

2. 在光电耦合器输入端加的电流信号使发光源发光，光的强度取决

于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光

电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电

一光一电的转换。

3. 在电路中加入电压跟随器使其在电路中不至于消耗电压。

4.模块细节及各部分电路设计及参数计算

4.1方波信号输入

输入信号仿真图

4．2电源提供电流进入光耦图

图4.2.1

4.2.1 光偶的一些参数

Maximum Ratings T =25°C

Emitter

Reverse Voltage..........................................................................................6.0 V Forward Current ........................................................................................60 mA Surge Current (t≤10 μs)...............................................................................2.5 A Power Dissipation...................................................................................100 mW Detector

Collector-Emitter Breakdown Voltage...........................................................70 V

Emitter-Base Breakdown Voltage................................................................7.0 V Collector Current.......................................................................................50 mA Collector Current(t

Isolation Test Voltage..........................................................................5300 V RMS

Creepage.............................................................................................. ≥7.0 mm Clearance ............................................................................................. ≥7.0 mm Isolation Thickness between Emitter and Detector............................... ≥0.4 mm Comparative Tracking Index per DIN IEC 112/VDE0303, part 1.................. 175 Isolation Resistance

=500 V, T =25°C...............................................................................10 ?

IO A

V =500 V, T =100°C............................................................................ 10 ? IO A

Storage Temperature................................................................–55°C to +150°C Operating Temperature............................................................–55°C to +100°C Junction Temperature................................................................................ 100°C Soldering Temperature (max. 10 s, dip soldering:

distance to seating plane ≥1.5 mm)...................................................... 260°C

4.2.2分析

1.由上面的数据单可知，发光二极管的工作区域的电流为IF5mA~60mA为了使其工作在最佳状态只有加一个放大器。

2.由IFVF图可知当VF1.2V时IF50mA左右，这里我设置一个50的保护电阻，由此可推出放大后的电压为VIF*50VF3.7V，所以放大器的放大倍数为四倍。

4.2.3放大电路的选择及计算

1.放大电路我们根据已学的知识，优先考虑集成运算放大器且讲其设置成同相放大器。

2. 同相比例放大

电路图：

小信

号电路模型

图中输出通过负反馈的作用，使

自动地跟踪

vp，即vp≈vn，或vid＝

很

vp－vn≈0。这种现象称为虚假短路，简称虚短。由于运放的输入电阻ri

大，所以，运放两输入端之间的 ip＝-in ＝ (vp－vn) / ri ≈0，这种现象称为虚断。根据虚短和虚断的概念有vp≈vn， ip＝-in＝0

3..根据虚短，续断的概念有AVF

V0R2R3R

12，由上面的分析有AVF=4VFR3R3

所以R23R3，这样我将R31K R2

3K

4.2.4 光耦简图

4.2.5.测得的IC与IF如图所示

4.2.5 CTR的计算

IC30.1235.2% IF12.796

CTR

4.3 R4的计算

由于我的目的是要得到3V的方波，由于我用万用表测得的电流为有效值，而在此有峰值=2*有效值

R4

50

0.03*2

4.4 电压跟随器的设计图

4.5 方波仿真信号输出

4.6.注意的问题

步骤如下：

1. 电路中所有+Vcc均为+12V，-Vcc均为-12V，GND为地。对单个放大器而言，在调试时，尽量让输出电压在12V以下。

2. 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)。

3. 发光二极管边和三极管边需要用两个不同的接地，以避免不必要的干扰。

5.电路元件清单

6.主要元器件介绍

6.1光耦数据单

6.2 TLO84的数据单

TL084 Iq per channel(Max)(mA) 2.8 VIO (25 deg C)(Max)(mV) 15 CMRR(Min)(dB) 70 Vn at 1kHz(Typ)(nV/rtHz) 18 IIB(Max)(pA) 400 Slew Rate(Min)(V/us) 8 Slew Rate(Typ)(V/us) 13 GBW(Typ)(MHz) 3 Spec'd at Vs(V) +/-15 VIO (Full Range)(Max)(mV) 20 Vs(Min)(V) 7 Vs(Max)(V) 36

14PDIP, 14SO,

Pin/Package

14SOIC, 14TSSOP

Vio(Max)(mV) 20

Supply Voltage 5(V) No Open Loop Gain(Min)(dB) 88 Offset Drift(Typ)(uV/C) 18 IQ Per Amp (+/-)(Max)(mA) 2.8 Offset Voltage

(+/-)(Max)(mV)

Number of Channels 4 Approx. Price (US$) 0.20 | 1ku

Operating Temperature -40 to 125,-40 to Range(°C) 85,0 to 70 Total Supply Voltage

(V)(Min)(+5V=5, +/-5V=10) Total Supply Voltage (V)(Max)(+5V=5, +/-5V=10)

TL084放大器的原理图

7.小结

通过这次对光耦隔离放大电路的设计和分析，使我们深刻认识到了电子世界的神奇和自己知识的缺乏，也使我们更加清醒的认识了自己的不足，同时强烈的刺激了我们对进一步学习电子知识兴趣和好奇心。

在电路设计的过程中，我们由起初的无从下手，渐渐的认识到各种器件的参数和工作原理，再通过进一步整合形成一个电路的基本框架，又经过更一步的参数分析和设定和仿真，使电路基本达到课程要求。

我们组有4名成员，在开始每个人都被分配了具体的任务，比如对放大器和光耦资料的搜集包括参数、原理以及使用环境，对器件的删选和留用，还有电路设计中相关参数的设定和电路的仿真等等。

在设计我们相互独立而又密切配合，并且得到了老师的关键性建议，使我们很快明确了我们每一步的设计目的和具体思路。我们决定将电路模块化，以减少工作复杂性和增大每个模块的可操作性，这是我们工作中的一个不可不说的亮点。我们根据之前查阅的资料，根据每个模块的特性和功能，配以不同参数的器件，使每个模块实现预期的功能，通过输入设计要求的参数，使每个模块输出我们想要的结果，结果在各模块中一级级传递和变化，最终达到设计要求。

这次课程设计使我们学到了我们在书本中永远学不到的知识，使我们可以更加清晰认识到自己动手的重要性。如果没有这次课程设计，我们可能永远迷信在自己的“理所当然”里，不会去发现我们平时忽略的细节和在思想里已经根深蒂固的错误。这是一次对电路的设计，同时也是对自己思想的检验和错误的更正，使我们避免以后更大更深的错误，让我们学会用实践去验证真理和用实践得来的结论去帮助解决我们书本中难题。

虽然这次课程设计只有一周，但其中我们却觉得每一天都那么的充实，每一天都会有不同的知识充实着我们的大脑，使我们迫切希望去发现问题，去解决问题。我们收获着知识的同时，也收获着对设计和学习的自信，通过实践我们得到了我们假设的结论，证明了自己在学习上的进步！

课设悄然结束了，在此谢谢和我一起团结合作过的伙伴，也谢谢自始至终帮我们排忧解难的老师，最后感谢学校安排了这次认识自我、提高自我的课设实践课程。

8.致谢

这次课程设计计时5天，任务艰巨，但在老师的耐心讲解和伙伴的精诚合作下，我顺利的结束了我的课程设计，在此一并感谢。

在设计之初，我真的很茫然，对于光耦隔离放大电路，我几乎已无所知，什么是光耦？什么是隔离？它有怎样的工作原理？我一点概念都没有，更不用提具体的电路设计了，后来经过老师对我们电路的详细分析并告诉我们从何入手，我得到了很大的信心，开始有了自己的设计思路。在具体电路设计时，面对从来没有亲手尝试的仿真环境，我更显无力，找不到一个器件。在同学的帮助下，我慢慢熟悉了仿真环境，可以自己进行查找和参数设定，并且可以独立测量和调试，真的很感谢在此设计中帮助过我的黄硕老师和同学，也感谢在设计过程中，为我生活提供便利的每一个人。

在设计中，我们成员之间相互交流意见，相互探讨，相互鼓励，每一个进步都离不开成员组的每一个人的努力和帮助，我一次又一次的尝试，一次又一次的失败，让我不放弃的源动力是你们的鼓励和督促，在你们的帮助下，我开始熟悉电路的原理和仿真环境，使我从原来的一无所知和茫然，开始了自信的面对这次课程设计,最后没有辜负你们的帮助,顺利完成任务.

一周的课设结束了，但我会永远记住曾给予我帮助的每个人——我亲爱的同学、我敬爱的黄老师！在此再次深表谢意！

8.参考文献

电子技术基础（模拟部分）第五版

广电电器网。

光耦隔离放大电路

9.附录

方波仿真输入输出图