[其他]脉宽调制光电耦合模拟信号隔离器

说明书

本实用新型涉及一种输入端有调制器、输出端有解调器的放大器，特别是一种脉宽调制光电耦合模拟信号隔离器。

在已有技术中，用光电耦合器传递模拟信号的隔离器，可分为直接传递型和变换传递型两类。采用直接传递型方案制作的电路中，鉴于光电耦合器输入、输出特性的非线性，导致从理论上要求电路制作者必须设法选配两个特性完全相同的光电耦合器构成能完全抵消其非线性的模拟信号光电隔离器电路，这个要求只有采用激光微调等先进技术对构成光电耦合器的发光二极管－双光电二极管特性进行修配，才能大批量生产非线性小、频带宽、性能稳定的光电耦合模拟信号隔离器集成电路。采用变换传递型方案制作的隔离器电路，又可分为脉宽调制型、电压比较采样保持型和电压／频率－频率／电压型等多种。

美国专利4，066，973（1978年）揭示了一种脉宽调制型光电耦合模拟信号隔离器，其技术关键是由于只把光电耦合器当作一只开关来使用，使隔离器传输特性与光电耦合器的特性无关。它克服了以前采用光电耦合器的信号隔离器因其线性、增益、温度敏感性等技术指标随器件性能差别而变化，以致难以对光电耦合器特性进行挑选配对等缺点。但其不足之处是，其中脉宽调制器输出的正、负向脉冲的宽度除了与输入信号电压值有关外，还与构成该调制器的运算放大器正、负向饱和输出电压值和信号源内阻有关。前者会随着器件老化及环境温度而变化。虽然在该专利的改进电路中，在该放大器输入、输出端加接了稳压桥路，但若要求其电压温度系数降至50PPM／℃以下，该桥路中的元件是不易选配的。此外，要使光电耦合器工作在接近理想开关的状态下，该电路中的放大器必须输出足够的驱动电流，以使一般光电耦合器（即使采用电流传输比率比较小的廉价光电耦合器）中的光敏三极管都能处于饱和状态。这个要求，在采用通用运算放大器制成的电路中是难以满足的。另外，该电路所采用的简单的平均值运算电路滤波效果欠佳，输出信号中纹波电压过大。

本实用新型的目的是要提供一种易于用廉价国产或进口通用元器件制作的脉宽调制光电耦合模拟信号隔离器电路，使其传输特性对温度不敏感，且与隔离器特性和信号源内阻无关。

本隔离器电路框图示于图1。图中I为隔离器输入端；［1］是阻抗变换器；［2］是脉宽调制器；［3］是互补功率放大器；［4］和［5］是光电耦合器；［6］是输出互补功率放大器；［7］是限幅器；［8］是平均值运算电路；［9］是同相放大器；O为隔离器输出端。

阻抗变换器［1］起降低输出阻抗（或兼有放大）的作用。因为其输出阻抗与脉宽调制器［2］输入端电阻相比可忽略不计，且该调制器输出电压用温度补偿稳压管进行限幅，故调制器输出的正、负向脉冲幅度等于稳压二极管的稳压值，宽度仅与输入信号电压值和该电路中的电阻、电容参数有关。故只要选用性能稳定的电阻和电容器，即可获得幅度稳定，宽度只受输入电压调制的正、负向脉冲。由互补功率放大器［3］输出的正、负向脉冲驱动两个交替工作的光电耦合器［4］和［5］中相应的发光二极管。该发光二极管发出的光射至该耦合器中的光敏三极管，使它处于饱和导通状态。由于它接近于理想开关，故其输出电压近似等于电源电压，才能使隔离器传输特性与光电耦合器特性无关。在光电耦合器电流传输比率较小时，在其输出端要加接一个输出互补功率放大器［6］，其输出由限幅器［7］进行限幅，其输出脉冲幅度等于该稳压二极管稳压值，宽度与脉宽调制器［2］输出的正、负向脉冲相同（两者相位关系取决于两个光电耦合器中发光二极管的联接方式），再经过平均值运算电路［8］，滤去信号中的交流分量，输出其中代表正、负脉冲平均值的直流分量，由同相放大器［9］放大到要求的输出电压值，输至隔离器输出端O。

典型实施方案的详细电路图示于图2、图3和图4。在图2中用运算放大器A1联接成电压跟随器作为阻抗变换器［1］，选择电阻R1的电阻值与输入端信号源内阻相等，可获得最小的温度漂移。如果输入端I输入的是电流信号，则要加上用虚线表示的取样电阻R，把电流转变为电压信号。运算放大器A2、稳压二极管Z1与电阻R3、R4组成的分压器构成输出限幅滞后电路，电阻R5为稳压管的限流电阻。电阻R7、电容C1和电阻R6、R2构成积分反馈电路，跟随器A1的输出电压与积分反馈电路的电压在运算放大器A2的反相输入端叠加。当A1输出电压为零时，该脉宽调制器实质上是一个稳幅方波发生器。倘若稳压二极管的正、负稳压值VZ相等，则其输出正、负脉冲幅度都等于VZ，正、负脉冲宽度：

τ＋＝τ－＝R7C1Ln (β1＋β2 β3)/(β2 β3－β1) （1）

上式中