HSMJ-A431-X90M1放大電路光電隔離器在3.5.4節介紹過,現將其重畫于圖7.6.2所示光電傳輸系統的基本組成框圖中。

光電傳輸系統的基本組成,發光二極管LED也具有單向導電性,其電流方程與普通二極管的電流方程相似,只是正向壓降稍大一些,大約是普通二極管正向壓降的2倍,但外加正向電壓使正向電流足夠大時,LED會發光。發出光的強度與1ED的正向電流成正比。光電隔離器中的光電二極管(圖中D2)接收到LED的發出光后,會

將其轉換為電流,此電流的大小與入射光的強度成正比。顯然,利用光電隔離器可以實現輸人、輸出信號問沒有直接電氣連接的信號傳輸c但是,要實現信號的線性傳輸,并使負載上得到放大了的電信號,必須在電路中加人驅動電路和放大電路,如圖7.6.2所示。如果去掉LED的驅動電路,即將輸入信號電壓直接加在LED上,由于LED的y~i特性的非線性,將使LED發出光的強度成為輸入電壓的非線性函數,從而使光電二極管的電流及負載上的電信號也是輸入電壓的非線性函數。為了強制流過LED的電流正比于rs,設置LED的驅動電路是非常重要的。在圖7.6.2所示系統的輸出回路中,為了使負載上得到與輸人電壓rs成比例的輸出電壓,需要將光電二極管的電流轉換成電壓,因此,輸出回路的互阻放大電路也是必不可少的.

用集成運算放大器為圖7.6.2中的光電隔離器設計一個帶負反饋的驅動電路。設信號源電壓us的變化范圍為0~5V,內阻Rs=500Ω.要求LED的電流為jo1=10-3us(A)。所用運算放大器的開環增益auo=104,開環輸人電阻Ri=5kΩ,開環輸出電阻Ro=100Ω。設計后用SPICE檢驗發光二極管的電流。

解:因為輸入信號來自一個有內阻的電壓源,所以需要設計一個高輸人電阻的放大電路,以減小放大電路對信號源的負載效應。又因為要求向LED提供io1=10ˉ3us(A)的電流,即要求流過LED的電流io1不失真,而且互導增益Agfs=io1/us=1ms,因此要求設計一個電流串聯負反饋放大電路。可采用圖7.6.3a所示的電路結構,圖7.6.3b是它的小信號等效電路。

因為在深度負反饋條件下,Agfs=io1/us=1mS,所以Fr≈1kΩ。又因為Fr=uf/io1=io1rf/io1=rf,故取rf=1kΩ.

現在用SPICE驗證設計結果,設置vs(t)=2.5(1+sin2tft)(Ⅴ),其中F=1kHz。對圖7,6,3a進行瞬態分析,得到LED的電壓和電流波形如圖7,6.4a和7.6.4b所示3由圖可見,LED兩端的電壓uo1波形失真很嚴重,這是由于LED的y~J特性的非線性引起的。LED的電流幾乎是理想的正弦波,且有io1=10ˉ3us。說明設計的放大電路符合設計要求。

LED的電壓和電流波形,(a)電壓波形 (b)電流波形

例7.6.3 設計一個能將圖7.6.2中光電二極管D2的電流轉換為輸出電壓的放大電路。假設光電二極管的rs=75Ω,放大電路的負載電阻RL=500Ω。要求輸出電壓vo=±103fd(Ⅴ)(±號表示輸出電壓可以與輸入信號同相,也可以反相)。設計中所用運算放大器的參數同例7,6.2。

解:設計要求將光電二極管的電流轉換為輸出電壓,即電路的功能是實現電流一電壓的轉換,為此應設計一個互阻放大電路,而且為了減小放大電路輸入端及輸出端的負載效應,要求放大電路的輸人電阻和輸出電阻都應該很小,因此應在放大電路中引人電壓并聯負反饋。其電路結構如圖7.6.5所示。其中直流電源ybias是光電二極管工作時需要的反向偏置電壓。信號源f(lrs及內阻rs是光電二極管的低頻小信號模型。

由已知條件可求得圖7.6.5所示電路的閉環互阻增益Arf=uo/id=-103Ω。

在深度負反饋條件下,Fg=1/arf=-uo/rf/uo=-1/rf=-10ˉ3S,所以選擇Rf=1kΩ。

最后,我們用SPICE對設計的電路進行交流(AC)分析,得到閉環互阻增益的波特圖如圖7.6,6所示。由此圖可見,該電路的中頻互阻增益的值為1kΩ,符合設計要求。

設計負反饋放大電路時,如何選擇反饋類型?

設計何種類型的反饋放大電路才能使其既可以從信號源獲得盡可能大的電流,又能穩定輸出電流?

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