專利名稱：光電隔離器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用來(lái)對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離傳輸?shù)母綦x放大器，具體地說(shuō)是一種光電隔離器及其制作方法。
背景技術(shù)：
模擬電信號(hào)的隔離傳輸在工程中應(yīng)用非常普遍。目前使用隔離器件通常為互感器，霍爾型傳感器，變壓器耦合型隔離放大器，電容型隔離放大器，光電耦合型隔離器等?，F(xiàn)有的隔離放大器已具備高的線性和穩(wěn)定性指標(biāo)，光電隔離器電氣隔離性好、壽命長(zhǎng)、頻帶寬、工作可靠等，受到大家的歡迎。但產(chǎn)品價(jià)格高體積大，制約了其在很多場(chǎng)合下的應(yīng)用。尤其是在多信號(hào)以及普遍的一般設(shè)備應(yīng)用時(shí)問(wèn)題更為突出。用普通光耦管作光耦隔離線路簡(jiǎn)單、價(jià)格非常便宜。長(zhǎng)期以來(lái)，不少技術(shù)人員竭力在線路或計(jì)算上進(jìn)行線性化努力，由于光耦本身不但線性差而且對(duì)環(huán)境溫度十分敏感很難解決好工程實(shí)際中的問(wèn)題。這且也反映了實(shí)際工程中的一種境況。另外，工程中遇到的一類問(wèn)題也很多要傳遞的模擬信號(hào)數(shù)量很多而每個(gè)信號(hào)又處于不同的參考電位或系統(tǒng)，此時(shí)要提供眾多獨(dú)立的隔離電源，要實(shí)現(xiàn)此種要求十分困難。典型的例子如蓄電池組電池巡檢，蓄電池組起的作用非常重要，大量的專論文章、大量的電池監(jiān)測(cè)設(shè)備廠家的出現(xiàn)，說(shuō)明電池的監(jiān)測(cè)的必要性越來(lái)越被重視，因此，用以電池的監(jiān)測(cè)取樣器件需求很多。但從體積、價(jià)格、速度、性能和安全方面考慮選用隔離器件難以兼顧。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種光電隔離器及該隔離器的制備方法，旨在實(shí)現(xiàn)既能解決需要進(jìn)行隔離傳輸?shù)碾娦盘?hào)失真小、扼制溫度漂移問(wèn)題，又能滿足產(chǎn)品本身價(jià)格便宜、體積小、線性好、穩(wěn)定性高的要求的目的。
為此，本發(fā)明解決所述問(wèn)題的技術(shù)方案是一種光電隔離器，由具有隔離作用的非線性輸入單元、比較調(diào)整單元、線性輸出單元構(gòu)成，其中，在相對(duì)于所述的線性輸出單元的輸入端和輸出端口Uout之間，所述的比較調(diào)整單元與所述的線性輸出單元并聯(lián)連接；在相對(duì)于所述的線性輸出單元的另一輸入端，所述的帶有輸入端口Uin的非線性輸入單元與所述的線性輸出單元串聯(lián)連接。而其中的非線性輸入單元由至少一只作為輸入級(jí)的光電耦合器件V1、輸入電阻R3、輸出電阻R1構(gòu)成，且整個(gè)非線性輸入單元在所述的光電隔離器中具有隔離作用，其輸出端與所述的線性輸出單元的正極輸入端相連接；其中的比較調(diào)整單元由一只作為所述光電耦合器件V1的鏡像光電隔離器件V2及輸入電阻R4、輸出電阻R2構(gòu)成，且在相對(duì)于所述的線性輸出單元的負(fù)極輸入端與輸出端之間，所述的比較調(diào)整單元與所述的線性輸出單元并聯(lián)相連接；其中的線性輸出單元由至少一只運(yùn)算放大器V3構(gòu)成。
為實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)的合理布局，本發(fā)明進(jìn)一步地給出了制作光電隔離器的方法步驟，具有a.相對(duì)于非線性輸入單元、比較調(diào)整單元，選擇一對(duì)其參數(shù)、特性一致或相近的光電耦合器件V1、V2；b.指定所述V1為輸入級(jí)的隔離器件，實(shí)現(xiàn)初級(jí)電路和次級(jí)電路的隔離；c.指定所述V2為所述V1的鏡像；d.相對(duì)于線性輸出單元，選用一只或一只以上的運(yùn)算放大器V3及電容C1作比較放大用；e.分別選用兩只電阻阻值相等的光耦輸入電阻R3、R4和光耦輸出電阻R1、R2，針對(duì)光耦V1、V2的差異，可對(duì)其中的一個(gè)電阻的阻值適當(dāng)微調(diào)；f.配置一個(gè)可供所述光電隔離器選用的輸出電路；g.配置一個(gè)可供所述光電隔離器選用的輸入電路；h.配置一個(gè)可供所述光電隔離器選用的有源組合電路；i.由步驟a.至步驟f.到步驟g.制作一個(gè)初級(jí)無(wú)源的光電隔離器；j.由步驟a.至h.制作一個(gè)初級(jí)有源的光電隔離器。
相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明所具有的突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的技術(shù)進(jìn)步可以從以下的積極效果中反映出來(lái)本發(fā)明涉及的光電隔離器是由三個(gè)單元部分組成，即非線性輸入單元、比較調(diào)整單元、線性輸出單元。其非線性輸入單元中的光電隔離器件起到了本裝置的隔離作用，作為隔離器的初級(jí)，它可不用外加電源；而V2可以當(dāng)成V1的一個(gè)鏡像，且不論中間過(guò)程有多大的非線性而可達(dá)到線性輸出；次級(jí)供電電源電壓值在很寬的范圍內(nèi)變化，隔離器的技術(shù)指標(biāo)幾乎不變，其意義在于為提升本裝置的技術(shù)指標(biāo)提供了良好的基礎(chǔ)，也使得對(duì)次級(jí)供電電源的指標(biāo)要求非常寬松，在電路構(gòu)造中可以少到只有一個(gè)運(yùn)算放大器；若使用多個(gè)運(yùn)放時(shí)則可增強(qiáng)或增加本裝置的功能。光電隔離器件可工作在非線性區(qū)且工作電流小，功耗極小。


圖1是本發(fā)明涉及的光電隔離器的單元結(jié)構(gòu)框圖；圖2是關(guān)于圖1的一個(gè)實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是關(guān)于圖1的另一個(gè)電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是關(guān)于圖1的具有初級(jí)有源的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是關(guān)于圖1中非線性輸入單元的一個(gè)實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是關(guān)于圖1中非線性輸入單元的另一個(gè)實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是關(guān)于圖1中非線性輸入單元的再一個(gè)實(shí)施例的電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是制作一個(gè)光電隔離器的流程圖。
具體實(shí)施例方式
由圖1并結(jié)合圖2至圖8，本發(fā)明涉及一種光電隔離器，該裝置是由具有隔離作用的非線性輸入單元、比較調(diào)整單元、線性輸出單元構(gòu)成，其中，在相對(duì)于所述的線性輸出單元的輸入端和輸出端口Uout之間，所述的比較調(diào)整單元與所述的線性輸出單元并聯(lián)連接；在相對(duì)于所述的線性輸出單元的輸入端，所述的帶有輸入端口Uin的非線性輸入單元與所述的線性輸出單元串聯(lián)連接。并且，所述的非線性輸入單元由至少一只作為輸入級(jí)的光電隔離器件V1、輸入電阻R3、輸出電阻R1構(gòu)成，且整個(gè)非線性輸入單元在所述的裝置中具有隔離作用，其輸出端與所述的線性輸出單元的正極輸入端相連接。而所述的比較調(diào)整單元由一只作為所述光電隔離器件V1鏡像的光電隔離器件V2及輸入電阻R4、輸出電阻R2構(gòu)成，且在相對(duì)于所述的線性輸出單元的負(fù)極輸入端與輸出端之間，所述的比較調(diào)整單元與所述的線性輸出單元并聯(lián)相連接。而所述的線性輸出單元由至少一只運(yùn)算放大器V3構(gòu)成。再參見圖3，所述的非線性輸入單元，在其輸入端設(shè)有一個(gè)由二極管D2、電阻R5、對(duì)所述光電隔離器件V1的原極端構(gòu)成的保護(hù)電路，其中，相對(duì)于所述輸入端口Uin，所述的二極管D2、電阻R5、濾波電容C2并聯(lián)連接。同時(shí)，參見圖5，所述的非線性輸入單元，在其所述光電隔離器件V1的原極端設(shè)有一個(gè)由電阻R7、穩(wěn)壓管D3構(gòu)成的穩(wěn)壓偏置電路，其中，所述的穩(wěn)壓管D3的正極端與所述的電阻7相連接。同時(shí)，參見圖6，所述的非線性輸入單元，在其所述光電隔離器件V1的原極端設(shè)有一個(gè)由電阻R8、R9、穩(wěn)壓管D4構(gòu)成的穩(wěn)壓偏置電路，其中，所述的穩(wěn)壓管D4的正極端接地，穩(wěn)壓管D4的負(fù)極端與所述電阻R8、R9之間的分壓端相連接。同時(shí)，參見圖7，所述的非線性輸入單元，在其所述光電隔離器件V1的原極端設(shè)有一個(gè)由運(yùn)算放大器V4構(gòu)成的電壓跟隨器或放大器，其中，所述的運(yùn)算放大器V4的輸出端與所述的輸入電阻R3相連接。同時(shí)，參見圖4，所述的線性輸入單元，在其輸出端口Uout與其負(fù)極之間并聯(lián)一只二極管D1。
基于本裝置的整體構(gòu)造，本發(fā)明可按如下方法步驟進(jìn)行制備a.相對(duì)于非線性輸入單元、比較調(diào)整單元，選擇一對(duì)其參數(shù)、特性一致或相近的光電耦合器件V1、V2；b.指定所述V1為輸入級(jí)的隔離器件，實(shí)現(xiàn)初級(jí)電路和次級(jí)電路的隔離；c.指定所述V2為所述V1的鏡像；d.相對(duì)于線性輸出單元，選用一只或一只以上的運(yùn)算放大器V3及電容C1作比較放大用；e.分別選用兩只電阻阻值相等的光耦輸入電阻R3、R4和光耦輸出電阻R1、R2，針對(duì)光耦V1、V2的差異，可對(duì)其中的一個(gè)電阻的阻值適當(dāng)微調(diào)；f.配置一個(gè)可供所述光電隔離器選用的輸出電路；g.配置一個(gè)可供所述光電隔離器選用的輸入電路；h.配置一個(gè)可供所述光電隔離器選用的有源組合電路；i.由步驟a.至步驟f.到步驟g.制作一個(gè)初級(jí)無(wú)源的光電隔離器；j.由步驟a.至h.制作一個(gè)初級(jí)有源的光電隔離器。
更詳細(xì)地說(shuō)，本案涉及的光電隔離器(尤見圖3)，其基本構(gòu)件包括光耦V1、光耦V2、運(yùn)放V3、二極管D1、二極管D2以及電阻、電容元器。電阻R3和R4分別作為兩光耦的輸入電阻(當(dāng)R5未接入時(shí))，電阻R1及R2分別是兩個(gè)光耦的輸出電阻。這兩個(gè)輸入電阻相等時(shí)，兩個(gè)輸出電阻也可相等。光耦V1作為非線性輸入單元的隔離器件，與在通常的電路中的光耦其作用和所處的狀況是完全一樣的。本案中V2和V1的特性一樣，特別是光耦V2可以看成是光耦V1的一個(gè)鏡像。當(dāng)選用參數(shù)相近的一對(duì)光耦時(shí)，光耦V2和V1光耦的差異可用電阻或可變電阻器進(jìn)行微調(diào)補(bǔ)償。而運(yùn)算放大器V3在本案中是一個(gè)比較放大器。在實(shí)踐中，本光電隔離器也可使用多個(gè)運(yùn)放以增強(qiáng)或增加本耦合器的功能。在動(dòng)態(tài)情況下，光電隔離器的輸入信號(hào)變化會(huì)使V1的輸出信號(hào)變化，也使線性輸出單元中的運(yùn)算放大器V3其+、-輸入端電壓差值發(fā)生變動(dòng)，這樣使V3輸出Uout發(fā)生極大的變化，比較調(diào)整單元V2輸入端發(fā)生同樣變化，進(jìn)而通過(guò)耦合使V2輸出電壓發(fā)生改變，這將使V3的+、-輸入端電壓值相等。換句話說(shuō)，即表示兩光耦的輸出電壓值相等；由于V2和V1光耦特性一樣，兩光耦輸入電阻及輸出電阻阻值相同，所以兩光耦輸入電壓Uin、Uout一定也相等；也就是說(shuō)，光耦輸出電壓Uout等于V1光耦輸入電壓Uin，至此，實(shí)現(xiàn)了線性輸出的目的。光耦V1同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了初級(jí)電路和次級(jí)電路的隔離，這樣，不論兩級(jí)電路的中間過(guò)程產(chǎn)生有多么大的非線性，對(duì)輸出電壓信號(hào)而言本裝置都可實(shí)現(xiàn)線性傳輸。由于V1、V2處在完全相同的工作狀態(tài)，電源變化對(duì)V1、V2的影響可完全抵消，當(dāng)次級(jí)供電電源電壓值在很寬的范圍內(nèi)變化時(shí)，本裝置的技術(shù)指標(biāo)效果“幾乎不變”。電容C1的作用是使放大電路穩(wěn)定。二極管D1的作用是在輸入電壓Uin太小且低于光耦V1的初級(jí)二極管的導(dǎo)通電壓(閥值電壓)時(shí)，V1輸出電壓為零，由于運(yùn)算放大器V3都存在輸入失調(diào)電壓，有可能在輸出端出現(xiàn)高負(fù)電壓值，此電壓明顯異常。電路中安裝二極管D1將限制Uout的最低電壓輸出，使其最低電壓輸出接近零。在輸入電路中，電阻R3和二極管D2構(gòu)成反向電壓保護(hù)電路。電阻R3和電阻R5分壓以擴(kuò)展最高輸入電壓范圍，提高輸入電壓幅度。電阻R3和電容C2組成濾波電路以提高抗干擾能力，電容C1的作用是可使放大電路工作穩(wěn)定，也濾除輸入信號(hào)中的高頻干擾。本案中的圖5、圖6是線性光電隔離器中非線性輸入單元的再例，也可稱之為線性光電隔離器中的有源組合電路，其圖中的穩(wěn)壓二極管D3、電阻R7；穩(wěn)壓二極管D4、電阻R8、R9分別為光耦V1的穩(wěn)壓偏置電路；其中，圖5中使用的是負(fù)電源，圖6中使用的是正電源，它們的作用是使輸入信號(hào)工作范圍擴(kuò)展到零或負(fù)區(qū)。又如圖7所示，在非線性輸入單元的輸入前端設(shè)置一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的電壓跟隨器或放大電路使輸入阻抗提高，或擴(kuò)展小信號(hào)輸入電壓工作范圍。
由于本裝置基本電路簡(jiǎn)單，占用體積小，為電路組合提供了便利，同時(shí)也可與常用基本電路結(jié)合使用，而本裝置對(duì)初級(jí)供電電源的指標(biāo)要求是非常寬松的。
權(quán)利要求
1.一種光電隔離器，其特征在于，所述光電隔離器，由具有隔離作用的非線性輸入單元、比較調(diào)整單元、線性輸出單元構(gòu)成，其中，在相對(duì)于所述的線性輸出單元的輸入端和輸出端口Uout之間，所述的比較調(diào)整單元與所述的線性輸出單元并聯(lián)連接；在相對(duì)于所述的線性輸出單元的另一輸入端，所述的帶有輸入端口Uin的非線性輸入單元與所述的線性輸出單元串聯(lián)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電隔離器，其特征在于，所述的非線性輸入單元由至少一只作為輸入級(jí)的光電隔離器件V1、輸入電阻R3、輸出電阻R1構(gòu)成，且整個(gè)非線性輸入單元在所述的線性光電耦合器中具有隔離作用，其輸出端與所述的線性輸出單元的正極輸入端相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電隔離器，其特征在于，所述的比較調(diào)整單元由一只作為所述光電隔離器件V1鏡像的光電隔離器件V2及輸入電阻R4、輸出電阻R2構(gòu)成，且在相對(duì)于所述的線性輸出單元的負(fù)極輸入端與輸出端之間，所述的比較調(diào)整單元與所述的線性輸出單元并聯(lián)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電隔離器，其特征在于，所述的線性輸出單元由至少一只運(yùn)算放大器V3構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電隔離器，其特征在于，所述的非線性輸入單元，在其輸入端設(shè)有一個(gè)由二極管D2、電阻R5構(gòu)成的保護(hù)電路，其中，相對(duì)于所述輸入端口Uin，所述的二極管D2、電阻R5并聯(lián)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電隔離器，其特征在于，所述的非線性輸入單元，在其所述光電隔離器件V1的原極端設(shè)有一個(gè)由電阻R7、穩(wěn)壓管D3構(gòu)成的穩(wěn)壓偏置電路，其中，所述的穩(wěn)壓管D3的正極端與所述的電阻7相連接，穩(wěn)壓管3的負(fù)極端接地。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電隔離器，其特征在于，所述的非線性輸入單元，在其所述光電隔離器件V1的原極端設(shè)有一個(gè)由電阻R8、R9、穩(wěn)壓管D4構(gòu)成的穩(wěn)壓偏置電路，其中，所述的穩(wěn)壓管D4的正極端接地，穩(wěn)壓管D4的負(fù)極端與所述電阻R8、R9之間的分壓端相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光電隔離器，其特征在于，所述的非線性輸入單元，在其所述光電隔離器件V1的原極端設(shè)有一個(gè)由運(yùn)算放大器V4構(gòu)成的電壓跟隨器，其中，所述的運(yùn)算放大器V4的輸出端與所述的輸入電阻R3相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的光電隔離器，其特征在于，所述的線性輸出單元，在其輸出端口Uout與其負(fù)輸入端之間并聯(lián)一只二極管D1、一只電容C1。
10.一種按權(quán)利要求1所述的光電隔離器的制備方法，其特征在于，包括下列步驟a.相對(duì)于非線性輸入單元、比較調(diào)整單元，選擇一對(duì)其參數(shù)、特性一致或相近的光電耦合器件V1、V2；b.指定所述V1為輸入級(jí)的隔離器件，實(shí)現(xiàn)初級(jí)電路和次級(jí)電路的隔離；c.指定所述V2為所述V1的鏡像；d.相對(duì)于線性輸出單元，選用一只或一只以上的運(yùn)算放大器V3及電容C1作比較放大用；e.分別選用兩只電阻阻值相等的光耦輸入電阻R3、R4和光耦輸出電阻R1、R2，針對(duì)光耦V1、V2的差異，可對(duì)其中的一個(gè)電阻的阻值適當(dāng)微調(diào)；f.配置一個(gè)可供所述光電隔離器選用的輸出電路；g.配置一個(gè)可供所述光電隔離器選用的輸入電路；h.配置一個(gè)可供所述光電隔離器選用的有源組合電路；i.由步驟a.至步驟f.到步驟g.制作一個(gè)初級(jí)無(wú)源的光電隔離器；j.由步驟a.至h.制作一個(gè)初級(jí)有源的光電隔離器。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由非線性輸入單元、比較調(diào)整單元、線性輸出單元構(gòu)成的光電隔離器，其中，在相對(duì)于所述的線性輸出單元的輸入端和輸出端口Uout之間，所述的比較調(diào)整單元與所述的線性輸出單元并聯(lián)連接；在相對(duì)于所述的線性輸出單元的另一輸入端，所述的帶有輸入端口Uin的非線性輸入單元與所述的線性輸出單元串聯(lián)連接。在本裝置中，所述比較調(diào)整單元中的光電隔離器件是所述輸入單元中光電隔離器件的一個(gè)鏡像，并且，所述隔離器的初級(jí)可不用外加電源；對(duì)次級(jí)供電電源指標(biāo)要求非常寬松；該光電隔離器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，適用于多種場(chǎng)合使用。
文檔編號(hào)G08C19/00GK101034492SQ20061005692
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2006年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月7日
發(fā)明者李榮泰 申請(qǐng)人:李榮泰