Качественная гальваническая развязка аналогового сигнала

Схема оптического широкополосного аудиоизолятора с низким уров- нем нелинейных искажений

Вопросы о том, зачем нужна гальваническая развязка и к чему может привести её отсутствие, оставим за скобками данной статьи и подробно рассматривать не станем. Отметим лишь, что гальваническая развязка зачастую нужна, и используется в профессиональной аппаратуре для снижения помех при передаче сигналов, для защиты оборудования от повреждений, а также от поражения людей электрическим током.
И если на радиочастотах (свыше 1 МГц) более распространёнными являются трансформаторные развязки, то на более низких (в том числе и звуковых) частотах оптоэлектронные изоляторы выглядят более предпочтительными, главным образом, за счёт: 1. большей широкополосности, 2. значительно меньших искажений, 3. полного отсутствия магнитных наводок.

Имеет смысл сразу оговориться, что распространённые оптопары с транзисторами в фотоприёмниках предназначены для работы с цифровыми (импульсными) сигналами и для качественной передачи аналоговых сигналов подходят далеко не наилучшим образом. А вот специализированные линейные оптопары обладают значительно лучшими характеристиками при работе в линейном режиме и, как правило, содержат во внутренней структуре один светодиод и два фотодиода, предназначенных для дополнительного снижения нелинейности. Схема устройства гальванической развязки аналоговых сигналов приведена на Рис.1.

Рис.1 Схема устройства гальванической развязки аналоговых сигналов

Входной сигнал поступает на неинвертирующий вход ОУ ОР1, нагрузкой которого является эмиттерный повторитель (Т1), а далее светодиод дифференциального оптрона HCNR200. Ёмкость конденсатора С1 определяет нижнюю границу частотного диапазона оптоизолятора и в приведённом случае составляет ~ 1,5 Гц.

Рекомендуемый производителем HCNR200 диапазон управляющих токов для светодиода составляет 1 – 20 mA, поэтому выбранное в данном устройстве значение в ~ 10 мА, с точки зрения достижения максимально возможного диапазона входных напряжений, близко к оптимальному. Подключать светодиод напрямую к выходу ОУ (как это делается во многих гуляющих по сети устройствах) нельзя, т. к. при такой низкой нагрузке нелинейность операционника существенно возрастает.

Верхний по схеме фотодиод подключен через повторитель на ОУ ОР2 к выходу устройства, а нижний с целью линеаризации передаточных (оптоэлектронных) характеристик охватывает отрицательной обратной связью ОР1.

При использовании указанных на схеме ОУ и номиналов элементов частотный диапазон устройства при неравномерности -3 дБ простирается от 1,5 Гц до 460 кГц, а коэффициент гармоник (при Uвх = ±1В, 1 кГц) не превышает 0,009%.

Налаживание сводится к подбору резисторов R2 и R5 для получения на выходах ОУ напряжений, равных половине напряжений источников питания.

Согласно документации на HCNR200 её верхний частотный диапазон может превышать значение 1МГц. По большому счёту, TL71 (с полосой единичного усиления 4 МГц) сможет переварить такие частоты. И хотя в рамках данной конструкции подробные частотные испытания не проводились по причине ненадобности, при желании всё ж таки увеличить верхнюю частоту оптоизолятора, номинал конденсатора С2 следует уменьшить до 3...5 пФ.