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1 前言 通常隔離放大器都具有極好的抗共模干擾能力，還可有效阻斷現場(chǎng)和數據采集系統之間的電聯(lián)系，但并不切斷它們之間的信號傳遞，在通信、工業(yè)、醫療器材、電源及測試裝置等系統之中，電路的隔離是必要的，傳統的實(shí)現的隔離都是由變壓器及光耦合元件完成的，其中變壓器用于耦合交流信號;而光耦合器則用于直流信號的耦合。與一般的光耦合元件不同，LOC11X 光耦合器可工作在伺服模式，并能用以補償發(fā)光二極管的非線(xiàn)性時(shí)間及溫度特性，除此之外，LOC11X光耦合器還能同時(shí)耦合交流及直流信號，為設計者提供了可取代大體積變壓器及非線(xiàn)性光耦合元件的更佳選擇。 2 結構原理 LOC11X光耦合器有LOC110、LOC111和LOC112三種型號，其內部結構為一個(gè)紅外線(xiàn)發(fā)光二極管與兩個(gè)光電三極管形成的光耦合。其中的一個(gè)光電三極管可在伺服反饋機制中對發(fā)光二極管的導通電流予以補償;另一個(gè)光電三極管用于提供輸入及輸出電路間的電流隔離。圖1所示是LOC11X的內部結構及引腳排列。LOC11X光耦合器有DIP和表面貼裝兩種封裝形式，它們均能耦合模擬和數字信號，且具有高增益穩定性，其帶寬大于200kHz，線(xiàn)性度可達0.01%。 由于LOC11X光耦合器內部有一對線(xiàn)性光耦合器，應當用在電流隔離，可保持正確的交流及直流信號的耦合以及輸入/輸出的線(xiàn)性，它有光電壓和光電導兩種工作模式。 2.1 光電導模式 圖2是LOC11X光耦合器在光電導模式下工作的典型電路，該電路被配置成光電三極管的集電極與基極反向偏壓，這是LOC11X光耦合器在光電導模式下運作的典型接法。 當輸入電壓VIN在0V且IF為0mA時(shí)，U1有一個(gè)大的開(kāi)環(huán)增益值，而隨著(zhù)VIN值的升高，U1的輸出值開(kāi)始進(jìn)入VCC1的軌跡上，隨著(zhù)U1輸出的增大，IF開(kāi)始有電流值，發(fā)光二極管也進(jìn)入工作狀態(tài)。接著(zhù)，光電三極管受到發(fā)光二極管所發(fā)出光的照射而導通并產(chǎn)生電流I1，當I1流經(jīng)R1時(shí)，將在U1的反相端產(chǎn)生電壓VA，從而使得放大器進(jìn)入負反饋工作狀態(tài)。當VA的值與VIN相等時(shí)，IF的值便不再增加，而且電路將穩定在閉環(huán)狀態(tài)。假如VIN被改變，VA將會(huì )跟隨VIN變化，發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光同樣也照射在輸出光電三極管上，并可產(chǎn)生一輸出電流。這一電流與發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光及流過(guò)的電流成正比，且該電流立刻反映在I1上，從而使放大器的輸出電壓為I2 R2。 當放大器所應用的帶寬達200kHz時(shí)，必須使用光電導模式。在此模式下，該電路的線(xiàn)性特性及漂移特性與有±1位元線(xiàn)性誤差的8位元D/A變流器(Converter)相類(lèi)似。光電導模式所以有如此高的頻寬，原因之一是輸出光電三極管的基極和集電極間的結面在反向偏壓時(shí)比在順向偏壓及無(wú)偏壓時(shí)具有更寬的耗盡區，而較寬的耗盡區會(huì )造成較低的結面電容，因而有著(zhù)較快的反應時(shí)間常數。隨著(zhù)反向偏壓的增加，結面的耗盡區會(huì )變得越來(lái)越寬，從而使其生成的結面電容更小。 2.2 光電壓模式 在光電壓模式下，使用LOC11X光耦合器可達到最佳的線(xiàn)性度、最低的干擾及漂移性能。在這種模式下，電路線(xiàn)性度可以達到12位元，然而，這卻是以40kHz的較小帶寬為代價(jià)的，圖3為典型的光電壓模式隔離放大電路。 在光電壓模式下，LOC11X光耦合器中光電三極管的作用類(lèi)似一個(gè)電壓發(fā)生器。此時(shí)所有的光電器件都呈現出一些電壓線(xiàn)性相關(guān)的特性，在光電三極管上，維持0V偏壓可解決這一問(wèn)題，同時(shí)可改善其線(xiàn)性度。假如一個(gè)小電阻被連接在光電三極管的兩個(gè)端點(diǎn)上，其輸出電流與發(fā)光二極管的電流將成線(xiàn)性關(guān)系。為達到這一目的，可將LOC11X中的一個(gè)光電三極管連接到運算放大器的兩個(gè)輸入端，這樣，隨著(zhù)VIN的增加，流經(jīng)發(fā)光二極管的電流也會(huì )增加，所產(chǎn)生的光也增加，同時(shí)，發(fā)光二極管光源的光打在伺服光電三極管上，將產(chǎn)生一個(gè)起始電流I1。由于此電流是由運算放大器的反相輸入端流至光電三極管的，因而與VIN成線(xiàn)性關(guān)系，即I1=VIN/R1，這樣就可使運算放大器反相輸入端的電壓維持在0V。 由于發(fā)光二極管產(chǎn)生的光也照在輸出端的光電三極管上而產(chǎn)生光電流I2，該電流會(huì )首先從運算放大器的反相輸入端流出，緊接著(zhù)由輸出端流入一股電流逐漸取代由運算放大器反相端流出的電流I2，同時(shí)運放輸出端點(diǎn)的電壓將逐漸升高以產(chǎn)生輸出電壓。 光電壓模式下的光電三極管與光電導模式下的接法不同，由于光電壓模式下有一個(gè)外加電源加在集電極上。如果沒(méi)有外部電源接在光電三極管上，那么，將沒(méi)有暗電流的存在。 3 具體應用 3.1 使用LOC11X光耦合器時(shí)的設計原則 在使用LOC11X進(jìn)行隔離放大時(shí)，通常應遵守如下原則： (1)在200kHz的帶寬應用時(shí)，當線(xiàn)性度與±1LSB(Least Significant Bit)線(xiàn)性誤差的8位D/A轉換器相同時(shí)，應使用光電導模式。 (2)在40kHz的帶寬應用時(shí)，其線(xiàn)性度要求與±1 LSB線(xiàn)性誤差(0.01%)的12～13位D/A轉換器相當時(shí)，可使用光電壓模式。 (3)為維持最佳線(xiàn)性度，同時(shí)為了使總諧波失真(Total Harmonic Distortion;THD)降至最小，可以使用三極管作為緩沖來(lái)驅動(dòng)LED。 (4)要求高電阻值(＞30kΩ)時(shí)，可在運算放大器的輸出端與反相輸入端之間加一個(gè)100pF的電容(見(jiàn)圖2)，以防止振蕩。 (5)與LOC11X光耦合器一起應用的運算放大器型號主要有LMC6484、LM201、LM358和LM1558等。 3.2 LOC11X光耦合器在心律監視系統中的應用 在測量類(lèi)似心電圖(Electrocardiogram;EGG)所提供的心律信號時(shí)，用LOC11X設計儀器與其它設計不同。成人的心律信號振幅大約為1mV，而胚胎的信號可能低至50μV。由于心律信號是如此的小，因此，像殘留電極電壓(residual electrode voltage)和60Hz電源線(xiàn)拾音器(pickup)之類(lèi)的噪聲可能很容易掩蓋真正要測量的信號。所以，設計時(shí)應設計一個(gè)隔離放大器電路與探針界面，并且應有較高的共模抑制比(Common Mode Rejection;CMR)，以去除共模干擾，同時(shí)為心律信號提供放大功能。 使用LOC11X光耦合器配合其它的電路即可提供隔離、放大、線(xiàn)性及高共模抑制比，而這些優(yōu)點(diǎn)正是這類(lèi)應用所必需的。圖4為L(cháng)OC11X光耦合器測量 EGG信號的示意圖。隔離放大器區塊包含LOC11X光耦合器和高CMR值的運算放大器，該電極經(jīng)屏蔽導線(xiàn)后應連接到放大器上，以使干擾信號被隔離，而將保護層連接到病人的右腳則可提供最佳的共模抑制比。 3.3 LOC11X光耦合器的標準應用領(lǐng)域 LOC11X光耦合器的標準應用領(lǐng)域及其工作模式如表1所列。 4 結束語(yǔ) LOC11X光耦合器是一種高性能的線(xiàn)性光耦合器，由于其工作于伺服反饋模式，因而線(xiàn)性度很高，能廣泛應用于各種需要隔離放大的場(chǎng)合，特別在需要把輸入信號進(jìn)行線(xiàn)性隔離傳遞的儀器電路設計中，該器件具有很強的實(shí)用性。 |
