光隔離是一種很常用的信號隔離形式。常用光耦器件及其外圍電路組成。由于光耦電路簡單,在數字隔離電路或數據傳輸電路中常常用到,如UART協議的20mA電流環。對于模擬信號,光耦因為輸入輸出的線形較差,并且隨溫度變化較大,限制了其在模擬信號隔離的應用。
對于高頻交流模擬信號,變壓器隔離是最常見的選擇,但對于支流信號卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案,如ADI的AD202, 能夠提供從直流到幾K的頻率內提供0.025%的線性度,但這種隔離器件內部先進行電壓-頻率轉換,對產生的交流信號進行變壓器隔離,然后進行頻率-電壓 轉換得到隔離效果。集成的隔離放大器內部電路復雜,體積大,成本高,不適合大規模應用。
模擬信號隔離的一個比較好的選擇是使用線形光耦。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別,只是將普通光耦的單發單收模式稍加改變,增加一個用于反饋的光接 受電路用于反饋。這樣,雖然兩個光接受電路都是非線性的,但兩個光接受電路的非線性特性都是一樣的,這樣,就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非 線性,從而達到實現線性隔離的目的。
HCNR200型的線性光耦合器,作為一種高線性度的光耦元件,其本身是由3個光電元件組成,其中LED為高性能的AlGaAs型發光二極管,PDI、PD2是兩個用同種工藝制成從而具有嚴格比例關系的光敏二極管。當LED中流過電流l時,其所發出的光會在PD1和PD2中感應出正比于LED發光強度的光電流IPD1、IPD2,其中If.IPD1、IPD2三者之間滿足以下關系式:
在上圖所提供的三個公式中,參數K1、K2分別為輸入、輸出光電二極管的電流傳輸比,其典型值均為0 5%左右。因為參數|f一般在l~20mA之間,所以IPD1、IPD2一般在50UA以下。K3為傳輸增益,當一只HCNR200被制造出來后,其輸出側光電流和輸入側光電流之比就是一個恒定值K3,線性光耦HCNR200的傳輸增益K3約為1+t0.15。
線性光耦HCNR200的內部結構如圖 1所示。 它由發光二極管D1(1、2引腳)、反饋光電二極管D2(3、4引腳)、輸出光電二極管D3(5、6引腳)組成。1、2引腳之間的電流記作IF,3、4引腳之間和5、6引腳之間的電流分別記作IPD1和IPD2。
當有IF流過時,D1發出紅外光(伺服光通量 )。該光分別照射在D2、D3上,產生控制電流IPD1和輸出電流IPD2。D1兩端的輸入信號經過電壓-電流轉化,電壓的變化體現在電流IF上,IPD1和IPD2基本與IF成線性關系,線性系數分別記為K1和K2,即:
對于HCNR200,K1與K2為0.005,并且隨溫度變化較大(HCNR200的變化范圍在0.0025到0.0075之間),但芯片的設計使得K1和K2相等。
在實際應用中,人們真正關心的是線性光偶電路的傳輸增益:K3=K2/K1,對于HCNR200,K3的典型值為1。