光耦隔離放大電路課程設(shè)計(jì)

1、隔離放大電路的設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求1.1 設(shè)計(jì)目的：(1)掌握隔離放大電路的構(gòu)成,原理與設(shè)計(jì)方法；(2)熟悉模擬元件的選擇,使用方法.1.2 根本要求：(1)輸入信號(hào)為方波,幅度1V,頻率100Hz40kHz;(2)采用適當(dāng)?shù)母綦x設(shè)備不影響信號(hào)提供者；(3)輸出信號(hào)上升及下降時(shí)間占有方波周期的5犯下;(4)輸出信號(hào)幅度不低于3V.1.3 發(fā)揮局部：(1) tpd<100Ns；(2)幅度分段可調(diào);(3)其他.中文摘要本次模擬電子課程設(shè)計(jì)的題目是隔離放大電路,實(shí)際上是對(duì)光耦的延伸,主要工作局部是一個(gè)光電耦和器對(duì)運(yùn)算放大電路的限制,光電耦合器是一種可把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成為光信號(hào),然后又將光信號(hào)恢

2、復(fù)為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件,它屬于一種電一一光一一電轉(zhuǎn)換器件.其根本結(jié)構(gòu)是將光發(fā)射器和光敏接收器裝在同一密閉的殼體內(nèi),彼此間用透明絕緣體隔離.常見的光發(fā)射器為紅外發(fā)光二極管,其引腳作為輸入端,用晶體管圖示儀可觀察到其特性曲線與一般二極管相似.光敏接收器為光敏二極管或光敏三極管,其引腳作為輸出端.當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí),發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光,具發(fā)光的強(qiáng)弱與信號(hào)電流成正比,亦即與流過二極管的正向電流的大小成正比,輸出端的光敏三極管受到光照后CE導(dǎo)通.而當(dāng)輸入端無信號(hào)時(shí),發(fā)光二極管不亮,光敏三極管截止,CE不通.從而實(shí)現(xiàn)了光電的傳輸和轉(zhuǎn)換.隨著各類電氣設(shè)備限制電路的日益復(fù)雜,各功能電路之間

3、的干擾不可防止.而光電耦合器的輸入端和輸出端之間由于通過光信號(hào)來傳輸,因而兩局部電路之間在電氣上是完全隔離的,因而沒有電信號(hào)的反應(yīng)和干擾,故其性能穩(wěn)定,抗干擾水平很強(qiáng).一般情況下,電路間數(shù)字信號(hào)的傳輸,都可以使用光電耦合器進(jìn)行徹底隔離.關(guān)鍵詞隔離放大器光耦電流負(fù)反應(yīng)放大電路電壓跟隨器課程設(shè)計(jì)論文任務(wù)書:.課程設(shè)計(jì)論文成績?cè)u(píng)定表.田中文摘要.IV1設(shè)計(jì)任務(wù)描述.11.1 設(shè)計(jì)題目.11.2 設(shè)計(jì)要求:.11.2.1 設(shè)計(jì)目的.:.11.2.2 根本要求.：.11.2.3 發(fā)揮局部.二:.11.3 緒論.23根本框架.34模塊細(xì)節(jié)及各局部電路設(shè)計(jì).,.,.54.1 各局部電路設(shè)計(jì).54.2 電流負(fù)

4、反應(yīng)放大電路的參數(shù)計(jì)算75系統(tǒng)仿真運(yùn)行電路及錯(cuò)誤解決.96元器件清單147主要元器件介紹.15名吉.19致謝.20參考文獻(xiàn).21附錄22A1multisim仿真系統(tǒng)電路接線圖22設(shè)計(jì)任務(wù)描述1.1 設(shè)計(jì)題目：隔離放大電路1.2 設(shè)計(jì)要求：1.2.1 設(shè)計(jì)目的：(1)掌握隔離放大電路的構(gòu)成,原理與設(shè)計(jì)方法；(2)熟悉模擬元件的選擇,使用方法.1.2.2 根本要求：(1)輸入信號(hào)為方波,幅度1V,頻率100Hz40kHz;(2)采用適當(dāng)?shù)母綦x設(shè)備不影響信號(hào)提供者；(3)輸出信號(hào)上升及下降時(shí)間占有方波周期的5犯下;(4)輸出信號(hào)幅度不低于3V.1.2.3 發(fā)揮局部：(1)tpd<100Ns；(

5、2)幅度分段可調(diào)；(3)其他.緒論在工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、測(cè)量儀表等諸多工業(yè)測(cè)量中,需要解決的一個(gè)共性問題就是工業(yè)現(xiàn)場模擬信號(hào)采集過程中的抗干擾問題.解決模擬信號(hào)通道干擾的一個(gè)有效方法是采用模擬信號(hào)隔離技術(shù),也就是設(shè)法將干擾信號(hào)源與測(cè)量系統(tǒng)隔離,僅允許被測(cè)量信號(hào)進(jìn)入測(cè)量系統(tǒng)'0光耦的主要作用就是隔離作用,如信號(hào)隔離或光電的隔離.當(dāng)兩個(gè)不同的型號(hào)的光耦只有負(fù)載電流不同時(shí),可以用大的負(fù)載電流的光耦代替小負(fù)載電流的光耦.光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸,輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離,輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響,抗干擾水平強(qiáng),工作穩(wěn)定,無觸點(diǎn),使用壽命長,傳輸效率高.光耦合器是

6、70年代開展起來產(chǎn)新型器件,現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器SSR、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中.在單片開關(guān)電源中,利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反應(yīng)電路,通過調(diào)節(jié)限制端電流來改變占空比,到達(dá)精密穩(wěn)壓目的.光耦對(duì)于輸入的電流有一定的要求,當(dāng)?shù)竭_(dá)二極管發(fā)光電流時(shí),光耦才能正常工作,而在通常的電源信號(hào)輸入光耦時(shí),會(huì)有電源信號(hào)的不穩(wěn)定造成光耦的工作性能差,影響而機(jī)關(guān)的發(fā)光電流.為了解決這一問題,在本電路設(shè)計(jì)中,我在電源信號(hào)輸入光耦前加一電流負(fù)反應(yīng)放大電路,經(jīng)過電流負(fù)反饋,將

7、輸入光耦的電流通過調(diào)節(jié)到達(dá)發(fā)光電流,再輸入光耦,這樣就能使光耦在正常的工作環(huán)境下進(jìn)行工作,從而起到隔離作用.根本框架隔離放大電路組成方框圖:輸入輸出光耦隔離放大電路工作原理：將信號(hào)源輸入電流負(fù)反應(yīng)放大電路,將輸入電流調(diào)整到光耦器中LED的額定發(fā)光電流范圍之內(nèi),通過負(fù)反應(yīng)可以將電流保持在一定的范圍內(nèi),使得輸入信號(hào)到達(dá)穩(wěn)定,LED到達(dá)它的發(fā)光電流開始發(fā)光,將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào),通過光感應(yīng)器的接收,再將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)輸出,實(shí)現(xiàn)電一光一電的轉(zhuǎn)化,從而起到隔離的作用,在輸出端,通過電壓跟隨器的作用,將輸出電壓維持輸出時(shí)的值,輸入給下一級(jí)電器.由于光耦合器輸入輸出間互相隔離,電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)

8、,因而具有良好的電絕緣水平和抗干擾水平.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(qiáng)的共模抑制水平.所以,它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提升信噪比.TLP521光耦工作原理：TLP521的原邊相當(dāng)于一個(gè)發(fā)光二極管,原邊電流If越大,光越強(qiáng),副邊三極管的電流Ic越大.副邊三極管電流Ic與原邊二極管電流If的比值稱為光耦的電流放大系數(shù),該系數(shù)隨溫度變化而變化,且受溫度影響較大.作反應(yīng)用的光耦正是利用原邊電流變化將導(dǎo)致副邊電流變化來實(shí)現(xiàn)反應(yīng),因此在環(huán)境溫度變化劇烈的場合,由于放大系數(shù)的溫漂比擬大,應(yīng)盡量不通過光耦實(shí)現(xiàn)反應(yīng).如圖1,一個(gè)光控晶閘管photo-thyristo

9、r耦合coupleto一個(gè)如化錢galliumarsenid*紅外發(fā)光二極管diode組成.左邊1和2腳是發(fā)光二極管,當(dāng)外加電壓后,驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管LED,使之發(fā)出一定波長的光,以此來觸發(fā)光控晶閘管.光控晶閘管的特點(diǎn)是門極區(qū)集成了一個(gè)光電二極管,觸發(fā)信號(hào)源與主回路絕緣,它的關(guān)鍵是觸發(fā)靈敏度要高.光控晶閘管限制極的觸發(fā)電流由器件中光生載流子提.光控晶閘管陽極和陰極間加正壓,門極區(qū)假設(shè)用一定波長的光照射,那么光控晶閘管由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài).為提升光控晶閘管觸發(fā)靈敏度,門極區(qū)常采用放大門極結(jié)構(gòu)或雙重放大門極結(jié)構(gòu).為滿足高的重加電壓上升率,常采用陰極發(fā)射極短路結(jié)構(gòu).小功率光控晶閘管常應(yīng)用于電隔離,為較大的晶閘

10、管提供限制極觸發(fā)；也可用于繼電器、自動(dòng)限制等方面.大功率光控晶閘管主要用于高壓直流輸電.【11當(dāng)1和2腳加上電源信號(hào)后,就能使發(fā)光管發(fā)光,驅(qū)動(dòng)光控晶閘管進(jìn)入通態(tài),當(dāng)1和2不加電壓時(shí),可以看成一個(gè)無窮大的電阻.I:Anode2 :Cathode3 ?Emitter4 :Collector圖1.TLP521光耦模塊細(xì)節(jié)及各局部電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算輸入電流局部:通過函數(shù)信號(hào)發(fā)生器給電路輸入方波信號(hào),如下列圖所示:將信號(hào)傳輸給負(fù)反應(yīng)放大電路,使輸入光耦的電流到達(dá)二極管LED的發(fā)光電流,I=16mA-25mA4.1 各局部電路設(shè)計(jì)：負(fù)反應(yīng)放大電路局部電路圖：,U11鴻54sMR4WV130kn門方波信號(hào)輸

11、入運(yùn)算放大器Vol=1I=1I30k130k1Io1=50=40mA輸出的電流進(jìn)入TLP521,經(jīng)隔離電路進(jìn)入電壓跟隨器,TLP521光耦局部電路:TLP511-1電壓跟隨器局部電路:測(cè)得輸出電壓為V.2=3V那么輸入R6的電流應(yīng)為I6=10mA此電路傳輸比為CTR=10mA40mA=25%4.2電流負(fù)反應(yīng)放大電路的參數(shù)計(jì)算:-O圖電流負(fù)反應(yīng)放大電路【2】圖中輸出通過負(fù)反應(yīng)的作用,使Vn自動(dòng)地跟蹤VP,即Vp=Vn,或Vid=VpVn=0.這種現(xiàn)象稱為虛假短路,簡稱虛短.由于運(yùn)放的輸入電阻門很大,所以,運(yùn)放兩輸入端之間的Ip=-In=(Vp-Vn)/門0,這種現(xiàn)象稱為虛斷.根據(jù)虛短和虛斷的概念

12、有Vp=Vn,1P=-|n=0Rivi=vp=vnvoRiR2RiR2RiRi系統(tǒng)仿真運(yùn)行電路及錯(cuò)誤解決初始時(shí)multisim仿真系統(tǒng)電路接線圖:給定輸入信號(hào)為方波,幅度1V,頻率100Hz40kHz,我選擇了頻率f=10kHz,如下列圖所示輸入信號(hào):按此電路圖的接法進(jìn)行計(jì)算輸入電流的大小:v01=vi=<FvJiiRaviR3=1+30kc上I30kQj2v500-4mA輸出波形如下列圖:中泰克示波黑?？贛R&e:OsCH'CHI1VCH22VCHI而Z由圖中可以看出,輸出電壓明顯小于輸入電壓,沒有到達(dá)隔離放大的效果,輸出信號(hào)幅度低于3V,原因在于給光耦的輸入電流過小,

13、使得TLP521光耦沒能處于它的工作電流范圍之內(nèi),LED不能正常的發(fā)光,造成輸出信號(hào)的變小.當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí),發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光,具發(fā)光的強(qiáng)弱與信號(hào)電流成正比,亦即與流過二極管的正向電流的大小成正比,輸出端的光敏三極管受到光照后CE導(dǎo)通.而當(dāng)輸入端無信號(hào)時(shí),發(fā)光二極管不亮,光敏三極管截止,CE不通.從而實(shí)現(xiàn)了光電的傳輸和轉(zhuǎn)換.為了能使LED發(fā)光正常我把電路中的R5的阻值改小,使得輸入光耦的電流能到達(dá)它的額定工作電流范圍之內(nèi),使輸出信號(hào)幅度不低于3V,到達(dá)課設(shè)的要求.改變R5阻值后multisim仿真系統(tǒng)電路接線圖：繼續(xù)給定輸入信號(hào)為方波,幅度1V,頻率100Hz40kHz

14、,選擇頻率f=10kHz,計(jì)算輸入光耦的電流:o1=1+30kiI1V<30k.J=2vIo12v=40mA50此時(shí)的輸出波形為:IbkimnixI.二也口一從這個(gè)圖看到輸出的波形與輸入的波形之間構(gòu)成了倍數(shù)關(guān)系,到達(dá)了使輸出信號(hào)幅度不低于3V的要求,而且tpd<100NSo如果改變輸入信號(hào)的頻率,將頻率改為1KHz：輸出的波形的寬度將發(fā)生變化,及延遲時(shí)間比原來減小:這樣的結(jié)果更能很好地到達(dá)要求,使得tpd<100pS元器件清單器件名稱型號(hào)及規(guī)格數(shù)量函數(shù)信號(hào)發(fā)生器XFG11個(gè)泰克小波器XSC11個(gè)光耦TLP5211個(gè)模擬器3554SM2個(gè)電源VCC6V1個(gè)電阻30kQ2個(gè)電阻5

15、0Q1個(gè)電阻300Q1個(gè)主要元器件介紹耦合器opticalcoupler,英文縮寫為OC亦稱光電隔離器,簡稱光耦,是開關(guān)電源電路中常用的器件光電耦合器是一種可把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成為光信號(hào),然后又將光信號(hào)恢復(fù)為電信號(hào)的半導(dǎo)體器件,它屬于一種電一一光一一電轉(zhuǎn)換器件.其根本結(jié)構(gòu)是將光發(fā)射器和光敏接收器裝在同一密閉的殼體內(nèi),彼此問用透明絕緣體隔離.常見的光發(fā)射器為紅外發(fā)光二極管,其引腳作為輸入端,用晶體管圖示儀可觀察到其特性曲線與一般二極管相似.光敏接收器為光敏二極管或光敏三極管,其引腳作為輸出端.當(dāng)電信號(hào)送入光電耦合器的輸入端時(shí),發(fā)光二極管通過電流而發(fā)光,具發(fā)光的強(qiáng)弱與信號(hào)電流成正比,亦即與流過二極管的正

16、向電流的大小成正比,輸出端的光敏三極管受到光照后CE導(dǎo)通.而當(dāng)輸入端無信號(hào)時(shí),發(fā)光二極管不亮,光敏三極管截止,CE不通.從而實(shí)現(xiàn)了光電的傳輸和轉(zhuǎn)換.【3】光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸,輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離,輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響,抗干擾水平強(qiáng),工作穩(wěn)定,無觸點(diǎn),使用壽命長,傳輸效率高.光耦合器是70年代開展起來產(chǎn)新型器件,現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器SSR、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中.在單片開關(guān)電源中,利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反應(yīng)電路,通

17、過調(diào)節(jié)限制端電流來改變占空比,到達(dá)精密穩(wěn)壓目的.TLP521是可限制的光電耦合器件,光電耦合器廣泛作用在電腦終端機(jī),可控硅系統(tǒng)設(shè)備,測(cè)量儀器,影印機(jī),自動(dòng)售票,家用電器,如風(fēng)扇,加熱器等電路之間的信號(hào)傳輸,使之前端與負(fù)載完全隔離,目的在于增加平安性,減小電路干擾,減化電路設(shè)計(jì).集電極-發(fā)射極電壓：55V最小值經(jīng)常轉(zhuǎn)移的比例：50%最小隔離電壓：2500Vrms最小I:Anode2 :Cathode3 :Emitter4 :Collector圖1TLP521光藕內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及引腳圖RecommendedOperatingConditions建議操作條件:Characteristic參數(shù)Symbol

18、符號(hào)Min最小Typ典型Max最大Unit單位Supplyvoltage電源電壓VCC524VForwardcurrent正向電流IF1625mACollectorcurrent集電極電流IC110mAOperatingtemperature操作溫度Topr-2585CTLP521的Ic-Vce曲線:圖5TLP521的?一匕,曲戰(zhàn)圖6TLP521的I-匕.曲線TLP521相關(guān)參數(shù):MAXIMUMRATINGSfla=25)CHARACTERISTICSYMBOLRATINGUNITTLP52HTLP52HTLP521-4a國ForwardCurrentIF7050mAForwardCurren

19、tDerating曲田-Q93(TaiS0>-Q.5(Tai25t)PulseForwardCurrent1(100/pulse,100pps)AReverseVoltageJr5'；JunctionTemperate125flC苗00國國flCollector-EmitterVoltageV".55VEmitter-CollectorVoltageVeCO1VCollectorCurrent【c50mACollectorPowerDissipation(1Circuit)Pc150100itiWCollectorPowerDissipationDeratingJCir

20、cuit,Ta=253C)iPQ/V-L5.1.0mW/JunctionTemperature匚125TStorageTemperatureHangeT雕-55-125tOperatingTemperatureRangeTapp-55*100LeadSolderingTemperatureT脅1260(10i)TotalPackagePowerDissipationPt250150mWTotalPackagePowerDissipationDerating(Tai25)疵TCU.5-1.5mW/IsolationVoltageBVg2500(ACJmin,R.H,i60%)(Note1)Vri

21、ns光耦的作用由于光耦種類繁多,結(jié)構(gòu)獨(dú)特,優(yōu)點(diǎn)突出,因而其應(yīng)用十分廣泛,主要應(yīng)用以下場合：(1)在邏輯電路上的應(yīng)用光電耦合器可以構(gòu)成各種邏輯電路,由于光電耦合器的抗干擾性能和隔離性能比晶體管好,因此,由它構(gòu)成的邏輯電路更可靠.(2)作為固體開關(guān)應(yīng)用在開關(guān)電路中,往往要求限制電路和開關(guān)之間要有很好的電隔離,對(duì)于一般的電子開關(guān)來說是很難做到的,但用光電耦合器卻很容易實(shí)現(xiàn).(3)在觸發(fā)電路上的應(yīng)用將光電耦合器用于雙穩(wěn)態(tài)輸出電路,由于可以把發(fā)光二極管分別串入兩管發(fā)射極回路,可有效地解決輸出與負(fù)載隔離地問題.(4)在脈沖放大電路中的應(yīng)用光電耦合器應(yīng)用于數(shù)字電路,可以將脈沖信號(hào)進(jìn)行放大.(5)在線性電路上

22、的應(yīng)用線性光電耦合器應(yīng)用于線性電路中,具有較高地線性度以及優(yōu)良地電隔離性能.(6)特殊場合的應(yīng)用光電耦合器還可應(yīng)用于高壓限制,取代變壓器,代替觸點(diǎn)繼電器以及用于A/D電路等多種場合.【4】小結(jié)通過為期一周的模電課程設(shè)計(jì),讓我們對(duì)隔離放大電路的作原理以及它的要求和性能指標(biāo)有了更深入和細(xì)致的了解.與次同時(shí),此次課程設(shè)計(jì)也讓我們充分地熟悉到我們?cè)趯W(xué)習(xí)這門課程中存在的缺乏之處.從剛剛開始的無從下手到掌握基本的電路模型,到繪制出根本電路,再到元器件的選定以及其參數(shù)確實(shí)定,這讓我明白了,在這門課程上我還有很大的缺乏.通過對(duì)隔離放大電路的設(shè)計(jì),我深刻熟悉到了“自己動(dòng)手學(xué)習(xí)重要性.對(duì)于我們來說,隔離放大是一個(gè)

23、完全陌生的題目,經(jīng)過老師的提點(diǎn),我們知道了應(yīng)該從光耦入手,因此我們不僅去圖書館尋找,也通過網(wǎng)絡(luò)尋找.漸漸的我也能懂得電路構(gòu)建的原理,同時(shí)我們也通過網(wǎng)絡(luò)尋找到一些有關(guān)的圖,經(jīng)過改造我們的電路圖也根本出來了.我們?cè)囍儞Q參數(shù),終于在我們的共同努力下,出現(xiàn)了我們想要的波形.通過這次的課程設(shè)計(jì),我才學(xué)會(huì)了怎樣對(duì)書本有更深入的了解,怎樣把理論與實(shí)踐更好地聯(lián)系起來,也讓我把所學(xué)的模擬電子知識(shí)得到了運(yùn)用,讓我的學(xué)習(xí)水平和設(shè)計(jì)水平都有了更進(jìn)一步的提升.在這次課程設(shè)計(jì)過程中,我遇到了幾個(gè)自己不能解決的問題,通過老師和同學(xué)的幫助最終把問題解決,在此,我也看到了自己的一些缺乏之處,這讓我明確了今后的努力方向.這次實(shí)訓(xùn)任務(wù)是我和其他三名組員共同完成的,這也讓我體會(huì)到合作的重要性.我們四個(gè)人共同努力,一起討論問題,一起研究程序,一起解決問題.從一片空白到最后根本完成任務(wù),我們都在盡著自己最大的努力.這次課程設(shè)計(jì)不僅僅是對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的考察,同樣也鍛煉了我們的辦事水平