应用光电耦合器设计线性隔离放大器

1、学 号模拟电子技术基础课程设计设计说明书应用光电耦合器设计线性隔离放大器起止日期： 年 月 日 至 年 月 日学班成生姓名 级 绩 XX XX指导教师(签字)电子与信息工程系年 月 日目录绪论.11.设计任务.22.总体设计概要 .32.1 总体概述 .32.2光电耦合器设计线性隔离放大器的生成方案.32.2.1 光电耦合器的生成方案 .32.2.2 差分放大电路的工作方案 .32.2.3 电路的调试步骤 .42.2.4 调试中应注意的问题.43.整体电路及结果.54.设计总结.6 参考文献 7绪论 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

2、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。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。光电耦合器是通过光线实现耦合的，输入

3、和输出之间没有直接的电气联系,故具有很强的隔离作用，在实际应用中很广泛，光电耦合器件具有非线性电流传输特性，这对于数字量和开关量的传输不成问题，但若直接用于模拟量的传输，则线性度和精度都很差，本电路采用的是LTP521-2光电耦合器，其参数为通道数:2、隔离电压:2500V 、输出类型:晶体管输入电流:50mA、输出电压:55V、封装类型:DIP、针脚数:8、光电耦合器类型:晶体管输出、封装类型:DIP-8、工作温度范围:-55°C to +100°C、批准机构:UL、正向电压 Vf 最大:1.3V、电压 Vceo:55V、电流If 平均:5mA、输出电压 最大:55V、电

4、流传递率(CTR)最小值:20、电流传递率(CTR)典型值:20%。本电路中差分放大电路采用多运放、可增益、可调零电路。11.设计任务应用光电耦合器设计线性隔离放大器，其主要功能要求如下：（1）工作电压：双路+15V（2）系统带宽：10KHz（3）线性度：1%（4）最大输出电压：Vpp=5V（5）系统增益：0dB22.总体设计概要2.1 总体概述 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的输入电流，使其工作在线性区。而光电耦合器和偏置输入通过差分放大电路来耦合光电耦合器的漂移和非线性。差分放大电路还用来得到放大的模拟信号。2.2 光电耦合器设计线性隔离放大器的生成方案光耦隔

5、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光电耦合器，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1所示。图1 光耦隔离放大电路的结构图2.2.1 光电耦合器的生成方案 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

6、电二极管的光电流与光照度的关系可用ILEu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110mA。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

7、在线性区。2.2.2 差分放大电路的工作方案本电路中差分放大电路采用多运放、可增益、可调零电路。图2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。3图2 线性光耦隔离电路的接线原理图2.2.3 电路的调试步骤 1、调节放大器(1)的反相端，使输入电压为零(即接地)。2、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

8、度较好的工作区。3、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)。4、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。5、调节R17使得放大器(5)输出端电压为零，即PR17为调零电阻。 6、根据所给输入电压Vin调节放大倍数，得到所需电压Vout。2.2.4 调试中应注意的问题1、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

9、干扰。2、对单个放大器而言，在调试时，尽量让输出电压在12V以下。3、光电耦合器的输入电流应在210mA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05V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。4、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。43.整体电路及结果加入频率电压源，得出波形图，如图3。图3 由光电耦合器设计的线性隔离放大器同过调节滑动变阻器R7的阻值来改变通过R7两端的电流，使通过

10、R7的电流值与通过R6的电阻值相等，且落在光耦的电流线性工作区内，从而使得两个耦合器的输入电流完全相同。通过调节滑动变阻器R9的阻值来改变R9两端的电压，使得加在电阻R9两端的电压等于加在电阻R8两端的电压。通过调节滑动变阻器R17的值，使输出端电压Vout=0。将给定输入电压与放大器(1)的反相端相连，通过调节R12对输入信号进行差分放大，得到所需电压Vou。54.设计总结这次课设抽到了一个比较陌生的题目，用光电耦合设计出来线性隔离放大器。通过查资料等多种途径认识了光电耦合器。当初的设计思路是采用新型电路即用TPL521采用输入部分和输出部分隔离通过光电耦合器产生光电流进入放大电路，最终得到

11、理想的结果。但是用软件模拟仿真的时候才发现，仿真软件中只有MCT8，所以不得不采取最基本的电路来设计光耦合线性隔离放大器。最终将电路设计出来。虽然中间遇到了很多的困难，但是还是完成了任务。由于刚开始对电路的工作原理很陌生，所以一直没有明白这个电路要实现的是什么功能，等真正做完以后才知道，本电路采用光电耦合技术，采用差动放大原理、深负反馈技术和可控恒流电路设计。当给定的输入电压为05V,输出电压能达到012V。本次课程设计，我负责原始电路的部分设计及multlab仿真，虽然中间遇到了了很多问题，导致不能出现理想的结果，但最终早组员和同学的帮助下一一解决了。通过这次的实验，我了解了光电耦合器的工作

12、原理及接线，以及两种放大器LF356和LF347的工作原理，更加深了对书本上所学的知识，并将其应用到实际操作中。通过本次课程设计，加深了对放大电路的理解，对其工作原理也得到深化，对放大电路引出的一系列的参数如反馈系数，反馈方式，放大系数等的计算都有了明显的加强。同时，也接触了老师上课没有触及到的地方及深度，了解了光电耦合器的工作原理和其一些基本的工作原理及参数。也认识到了模拟电子技术在工业及生活上的应用。日常生活中接触的好多电子设备都用到了模拟电子技术。本次课设从开始着手准备找资料和设计电路图思路，让我真正的意识到了团队合作的力量，再大的工程量也要分批次进行。团结合作，励精图治，精益求精，踏实

13、进取才是成功的关键。另外实践能力和动手能力是检验理论的最好的工具，学有所用，将书本上的知识运用到实践环节，虽然期间会有很多的坎坷，甚至会经过很多次失败，但是过程就已经锻炼了我们的方方面面。所以，无论结果是什么样，这都是一次难忘的课程设计。在做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个元件的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我们了解了很多元件的功能，并且对于其在电路中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且同时学习到很多以前不懂的东西。比如一些原件的功能，通过动手实践让我们对各个元件映象深刻。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。所以这个课程设计对我们的作用是非常大的。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。此次课程设计，学到了很多课内