一种光敏电阻提供负反馈实现线性响应

2011-12-09 23:13:29来源: 互联网
增益受控放大电路位于正向放大通路,其增益随控制电压而改变。控制电压形成电路的基本部件是 AGC 检波器和低通平滑滤波器,有时也包含门电路和直流放大器等部件。

  光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器;入射光强,电阻减小,入射光弱,电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换(将光的变化转换为电的变化)。设计光控电路时,都用白炽灯泡(小电珠)光线或自然光线作控制光源,使设计大为简化。

  图1显示了光耦合器的各个部件以及组装后的器件。光耦合器由一个圆柱形容器和另一端的一个光敏电阻组成。一个不透明的绝缘密封圈防止外部光线进入器件。容器的抛光金属内壁使得LED和光敏电阻之间的光损耗最小。

 

  图1,带有HB LED和光敏电阻的金属管构成了光耦合器(左)。

  图2显示了使用LDR 07型光敏电阻的光耦合器的传递函数。该器件的输出电阻可在100Ω至10MΩ范围内变化,LED驱动电流范围是34mA~0.1μA.即便对于大振幅信号,光敏电阻的线性VA特征也使它可以作为控制元件,甚至在需要较大信号电压的情形中也可如此。图2还表明:你可以获得至少5个十倍程的线性输出电阻变化,并且最大LED驱动电流处于普通单片运算放大器的允许输出电流的限度内。

图2

  图2,光耦合器在反馈回路中的对数响应产生了线性放大器响应。

  这类放大器能控制相同范围内的系统的总放大率,并且没有额外的电流放大。由于光敏电阻的线性,因此得到的被处理信号的非线性失真程度几乎完全是由于运算放大器的非线性导致的。在正常工作范围内,系统的总线性会随输入信号振幅的增加而提高,这是因为负反馈数量会随信号振幅的增加而增加。

  图3显示了放大系统。基本的信号处理器件是反相运算放大器A1.它的反相连接使你能把从输入到输出的总放大率绝对值设为小于1的值,甚至能正确处理大于稳压输出值的输入信号振幅。光耦合器IC1是系统的核心部件,它的输出端光敏电阻作为A1的负反馈网络的可变零件。在无信号状况下,LED不照亮光敏电阻。因此它的电阻升至高值,这可导致DC击穿和A1的静态工作点的丢失。由于信号路径是AC耦合的,可防止DC误差值变得更大,因此这类状况原则上无害。但是,当输入端突然出现非零信号时,A1的开环放大倍数会把它放大,导致LED电流迅速上升。该作用几乎将逐步使光耦合器的输出电阻下降到一个足以恢复A1的DC工作点的值。AC耦合把该瞬态传递到输出端,并且它可能会在自适应放大器之后的信号处理电路中导致一些问题。为防止该效应,应该把反馈电阻的最大值限制在一个合理值。

自适应放大系统

  图3,自适应放大系统在反馈回路中设有光耦合器。

  缓冲器A2把经过整流二极管的非线性负载和输出信号隔离开,由此防止来自整流二极管的非线性负载使输出信号失真。二极管D3和D4补偿整流二极管D1和D2的阈值电压,其中包括它的温度系数。如果不需要把稳压输出电压振幅设为一个比R4中的偏置电流所设的阈值更小的值,那么可以用短路代替D3 和D4,并省略R7.另外可以在A2中设置大于1的电压放大率,来获得一个比R4中的偏置电流所设阈值更小的稳压输出振幅。只需插入一个与D3/D4对串联的额外电阻即可。

  整流器使用肖特基二极管,它们的阈值电压低于常规PN二极管。它们还具有很短的恢复时间,由此在很高的信号频率保持相同的整流效率。整流器可作为全波电压倍增器,甚至可为具有非对称波形的信号提供峰到峰整流。整流器是一个整流装置,简单的说就是将交流(AC)转化为直流(DC)的装置。它有两个主要功能:第一,将交流电(AC)变成直流电(DC),经滤波后供给负载,或者供给逆变器;第二,给蓄电池提供充电电压。因此,它同时又起到一个充电器的作用。

该LED电流控制电路有一个重要的优点:它允许几乎独立地调整上冲和释放时间。设计者可以通过可变电阻P1调整上冲时间,必要时使用更高值,此外还可以用P2调整释放时间。使用的光敏电阻具有相当好的响应速度,并且对于多数实际要求而言,照明逐步变化时引入的延迟可以接受。

  图4 显示了自适应放大系统的总响应。对于低于70 μV 有效值直到高于1.2V 有效值的输入信号电压,即超过85 dB的范围内,输出信号恒定在350 mV 有效值 ±1 dB.无信号输出噪声小于6 mV 有效值,因此在最坏情形中开始稳压时,得到的SNR(即被处理信号的动态范围)优于20 dB,并且随着输入信号电平的增加,它会成比例地改善。

  图4,放大系统在 0.1 mV至1 V 有效值输入范围内具有恒定输出。

  1 kHz时的输出信号谐波分析带来了更高的谐波,对于所有接近200 μV 有效值的输入电压,振幅小于A1的噪声电平,对于接近1.5V 有效值的输入电压,则低于275 dB.非线性失真只是在较大的输入振幅超出系统的稳压范围时才变得明显,在2.5V 有效值输入电压时,使第二谐波增至-45 dB,第三谐波增至-40 dB.

  在AGC的量程限度内,总传递线性会随输入信号振幅的增加而提高,这是因为送往A1的负反馈的程度会随输入信号振幅一起增加。在P1值为10 kΩ,P2为1 MΩ,并且输入信号在100 μV至50 mV 有效值之间逐步变化时,上冲和释放时间分别约为0.2秒和2秒。从1 kHz(输入过驱超过10V 有效值)到完全的无信号灵敏度的恢复时间短于2分钟。通过改变C4、C5、P1和P2的值,可以在很宽的范围内调节所有这些时间间隔,P1设置上冲时间,P2设置释放时间。

   本设计遵循的关键参数是它的线性。由于光敏电阻的线性,以及非线性整流器负载与输出端的隔离,因此增益控制引入的非线性可忽略不计。所以从原理来看,A1自身就决定了系统的总线性。

关键字:光敏  电阻  负反馈  线性响应

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/1209/article_13403.html
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