線性光耦合器及其迴路增益「陷阱」

作者 : John Dunn,EDN專欄作者

光耦合器的「線性」特性不能太從字面上去理解。確保為自己所選擇的任何光耦合器檢查其真實斜率,以及選擇設置其靜態工作點的位置...

我最近開始針對手邊的電源進行檢查,其中有一個電源在其反饋路徑中使用了光耦合器來控制其輸出電壓。這是一種常見且成熟的設計方法,但反饋迴路的無條件迴路穩定性並不完全確定。

我決定以兩種方式測量該光耦合器的傳遞函數,如下圖所示。我知道該元件的資料手冊提供了這種特性,但我想親自瞭解一下(1)。

1:光耦合器傳遞函數測試設置。

恰好我手邊有1.33kΩ和150Ω兩個電阻,因為方便也就直接拿來使用了。其實,只要用一對1kΩ和100Ω電阻也就足夠了,但那時候我就是不想再動手去翻找。

而這兩個測試結果似乎確實證實了資料手冊的介紹(2)。

2:光耦合器傳遞函數測試結果。

2的上部和下部跡線分別與1的上部和下部草圖相搭配。注意到這兩個測試結果具有對稱性令人感到欣慰。然而,經過一些心理反思,我意識到有一個迴路增益陷阱必須特別注意。

使用2的下部跡線,並測量傳遞函數斜率,就可以看到以下內容(3):

3:傳遞函數的特寫檢查。

  • 圖中左側部份的斜率為148.8%;上側部份的斜率為17.0%這兩個斜率以dB表示的比率為20*log10(148.8/17.0)=18.8dB
  • 如果將此光耦合器以線性模式用於反饋路徑中,則小訊號迴路增益可能會變化大約19dB,具體取決於該元件靜態工作點(Q)的設置位置。

光耦合器的「線性」特性不能太從字面上去理解。該元件的傳遞函數不會發生改變或類似情況,但輸出對輸入的一階導數,即輸出對輸入的斜率,會隨著設置元件靜態工作點的位置而變化。我所檢查的元件可變性接近19dB。

如此大的增益變化可能會對反饋迴路的整體傳遞函數產生「跺腳」(rompin’-stompin’)效應,從而可能會將邊緣穩定的反饋迴路推入條件不穩定狀態。

所有這一切的注意事項是,確保為自己所選擇的任何光耦合器檢查其真實斜率,以及選擇設置其靜態工作點的位置。

編譯:Franklin Zhao

(參考原文:Linear opto-couplers and the loop gain ‘booby trap’,by John Dunn)

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