光敏电阻向运算放大器提供负反馈 产生线性响应技术分类： 电源技术 作者：Julius Foit，Jan Novk, 捷克共和国捷克科技大学自动增益控制（AGC）放大器利用了控制器件的非线性特征。它们的某些微分参数中的实分量大小会发生变化，这取决于它们的DC工作点的变化。一个典型例子就是硅PN结的VA特征，它导致了与通过的DC电流成正比的微分电导（参考文献1）。在这种控制形式中，主要问题是控制元件的非线性传递特征，一旦被处理的电压振幅超过毫伏级，该特征就会导致较大程度的非线性信号失真（参考文献2）。光敏电阻的VA特征在很大的电压范围内是线性的，将能胜任这项任务。对于100V或更高的信号振幅，普通光敏电阻保持了完美的线性。因此，放大控制器件可以是光耦合器，它的受控元件是光敏电阻。本例中的电路使用了某种辐射源，它的频谱特征与光敏电阻的频谱特征相符，并且如果可能的话，电路的辐射功率应该是驱动信号的线性函数。这类光耦合器已经商品化，但对于上述目的，属性足够好的光耦合器几乎不存在。普通光敏电阻的频谱特征接近人眼，其峰值灵敏度具有大约500 nm波长。因此白光或绿光LED是很好的备选品。为了获得可能存在的最高灵敏度，该电路使用了白光HB（高亮度）LED。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（容纳一端的标准5mm HB LED）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。可用的现货光敏电阻包括LDR 05、LDR 07，以及一种标准的白光5mm HB LED型L-53MWC*E，在20mA驱动电流时的输出光通量为2500 mcd（参考文献3）。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100至10M范围内变化，LED驱动电流范围是34mA0.1A。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，比如当光敏电阻是某运算放大器的反馈回路的一部分时。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，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，比如47 M，即R6的值。由于运算放大器带有JFET输入端，因此R6的值可以相当高。47 M值是合理的折中值，把A1中的电压放大率最大绝对值限制在大约82 dB。在选择R6的值方面，限制因素是A1的噪声和开环放大倍数。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。整流器输出端向A3（一个电压至电流转换器）馈电，后者驱动光耦合器中的LED。一个整流阈值调整偏置电流源连至电流传感电阻R4。在此情形中，R5模拟电流源，由此设置稳压输出电压振幅。如果15V电源电压不是完全稳定，则可从单独的稳定来源获得偏置电流。一个反极性二极管连接光耦合器的输入端，来保护LED不受无信号状况时的反向极化的影响。 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 V 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。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。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 V 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 k，P2为1 M，并且输入信号在100 V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。 参考文献 1.Foit, Julius, AGC amplifier features 60-dB dynamic range, EDN, Aug 4, 2005, pg 87. 2.Foit, Julius, Logarithmic Processing Amplifier, Proceedings of the Fifth WSEAS InternaTIonal Conference on Microelectronics, Nanoelectronics, Optoelectronics, March 2006, pg 6. 3.Opto-isolator Cata-logue, Tesla Blatn.