線形光耦介紹

光隔離是一種很常用的信號隔離形式，由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RS485通信、采用PWM調整的4-20mA電流環等；

對于模擬信號，由于光耦的輸入輸出線性差,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，這種辦法不適用于直流以及低頻交流信號的隔離。

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，其能夠提供從直流到幾K的頻率內提供0.025%的線性度。

但這類隔離器件先在進行電壓-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。

市場上的線性光耦有幾種可選擇的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201、TI子公司TOAS的TIL300、CLARE的LOC111等。

這里以HCNR200/201為例介紹。

芯片介紹與原理說明

HCNR200/201的內部框圖如下所示：

HCNR200/201的內部框圖▲

其中1、2引作為隔離信號的輸入，3、4引腳用于反饋，5、6引腳用于輸出。

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；

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：

K1與K2一般很小（HCNR200是0.50%），并且隨溫度變化較大（HCNR200的變化范圍在0.25%到0.75%之間），但芯片的設計使得K1和K2相等。

在后面可以看到，在合理的外圍電路設計中，真正影響輸出/輸入比值的是二者的比值K3，線性光耦正利用這種特性才能達到滿意的線性度的。

HCNR200和HCNR201的內部結構完全相同，差別在于一些指標上。

相對于HCNR200，HCNR201提供更高的線性度。

采用HCNR200/201進行隔離的一些指標如下所示：

* 線性度：HCNR200：0.25%,HCNR201：0.05%;

* 線性系數K3：HCNR200：15%,HCNR201：5%;

* 溫度系數：-65ppm/oC;

* 隔離電壓：1414V;

* 信號帶寬：直流到大于1MHz。

從上面可以看出，和普通光耦一樣，線性光耦真正隔離的是電流。

要想真正隔離電壓，需要在輸出和輸出處增加運算放大器等輔助電路。下面對HCNR200/201的典型電路進行分析，對電路中如何實現反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉換進行推導與說明。

典型電路分析

Agilent公司的HCNR200/201的手冊上給出了多種實用電路,其中較為典型的一種如下圖所示：

HCNR200/201典型電路▲

設輸入端電壓為Vin,輸出端電壓為Vout，光耦內部的兩個電流傳遞系數分別為K1、K2。

其中光耦初級的電路如下圖所示：

光耦初級的電路圖▲

設運放負端的電壓為，運放輸出端的電壓為，在運放不飽和的情況下二者滿足下面的關系：

(1)

其中，是在運放輸入差模為0時的輸出電壓，G為運放的開環增益，數值一般比較大。

忽略運放負端的輸入電流，可以認為通過的電流為，根據歐姆定律得：

(2)

通過兩端的電流為,根據歐姆定律得：

(3)

其中，為光耦2腳的電壓，考慮到LED的導通電壓基本不變，這里的作為常數對待。

根據光耦的特性，即

(4)

將(1)-(3)的表達式代入上式，可得：

(5)

移項，化簡得到，

(6)

將表達式(6)代入(3)，得到：

當G特別大時，

這樣，輸出與輸入電壓的關系如下：

可見,在上述電路中，輸出和輸入成正比，并且比例系數只由K3和R1、R2確定。

一般選R1=R2,達到只隔離不放大的目的。

輔助電路與參數確定

上面的推導都是假定所有電路都是工作在線性范圍內的，

要想做到這一點需要對運放進行合理選型，并且確定電阻的阻值。

1 運放選型

運放可以是單電源供電或正負電源供電，上面給出的是單電源供電的例子。

為了能使輸入范圍能夠從0到VCC，需要運放能夠滿擺幅工作，另外,運放的工作速度、壓擺率不會影響整個電路的性能。

TI公司的LMV321單運放電路能夠滿足以上要求，可以作為HCNR200/201的外圍電路。

2 阻值確定

電阻的選型需要考慮運放的線性范圍和線性光耦的最大工作電流IFmax。

K1已知的情況下，IFmax又確定了IPD1的最大值IPD1max。

這樣，由于Vo的范圍最小可以為0，這樣,由于

考慮到IFmax大有利于能量的傳輸，另外，由于工作在深度負反饋狀態的運放滿足虛短特性，因此,考慮IPD1的限制,

這樣，R2可以根據所需要的放大倍數確定，例如如果不需要放大，只需取R2=R1即可。

另外由于光耦會產生一些高頻的噪聲，通常在R2處并聯電容，構成低通濾波器，具體電容的值由輸入頻率以及噪聲頻率確定。

3 參數確定實例

假設確定Vcc=5V，輸入在0-4V之間,輸出等于輸入,采用LMV321運放芯片以及上面電路,下面給出參數確定的過程。

* 確定IFmax：HCNR200/201的手冊上推薦器件工作的25mA左右;

* 確定R3：R3=5V/25mA=200;

* 確定R1：;

* 確定R2：R2=R1=32K。

審核編輯 ：李倩

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