1. 線形光耦介紹

 

guanggelishiyizhonghenchangyongdexinhaogelixingshi。changyongguangouqijianjiqiwaiweidianluzucheng。youyuguangoudianlujiandan，zaishuzigelidianluhuoshujuchuanshudianluzhongchangchangyongdao

，ruUART協議的20mA電流環。對於模擬信號，光耦因為輸入輸出的線形較差
，並且隨溫度變化較大，限製了其在模擬信號隔離的應用。

 

對於高頻交流模擬信號，變壓器隔離是最常見的選擇，但對於支流信號卻不適用。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

，然後進行頻率-電壓轉換得到隔離效果。集成的隔離放大器內部電路複雜，體積大，成本高，不適合大規模應用。

 

monixinhaogelideyigebijiaohaodexuanzeshishiyongxianxingguangou。xianxingguangoudegeliyuanliyuputongguangoumeiyouchabie，zhishijiangputongguangoudedanfadanshoumoshishaojiagaibian，zengjiayigeyongyufankuideguangjieshoudianluyongyufankui。zheyang
，suiranlianggeguangjieshoudianludoushifeixianxingde，danlianggeguangjieshoudianludefeixianxingtexingdoushiyiyangde
，zheyang，jiukeyitongguofankuitongludefeixianxinglaidixiaozhitongtongludefeixianxing
，congerdadaoshixianxianxinggelidemude。

 

市場上的線性光耦有幾中可選擇的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。這裏以HCNR200/201為例介紹。

 

2. 芯片介紹與原理說明

 

HCNR200/201的內部框圖如下所示

 

 

其中1、2引作為隔離信號的輸入，3、4引腳用於反饋
，5、6引腳用於輸出。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成線性關係
，線性係數分別記為K1和K2,即

 

 

K1與K2一般很小（HCNR200是0.50%），並且隨溫度變化較大（HCNR200的變化範圍在0.25%到0.75%之間）
，但芯片的設計使得K1和K2相等。在後麵可以看到

，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，差別在於一些指標上。相對於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%
；

* 線性係數K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%
；

* 溫度係數：-65ppm/oC；

* 隔離電壓：1414V
；

* 信號帶寬：直流到大於1MHz。

 

從(cong)上(shang)麵(mian)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，和(he)普(pu)通(tong)光(guang)耦(ou)一(yi)樣(yang)
，線(xian)性(xing)光(guang)耦(ou)真(zhen)正(zheng)隔(ge)離(li)的(de)是(shi)電(dian)流(liu)，要(yao)想(xiang)真(zhen)正(zheng)隔(ge)離(li)電(dian)壓(ya)，需(xu)要(yao)在(zai)輸(shu)出(chu)和(he)輸(shu)出(chu)處(chu)增(zeng)加(jia)運(yun)算(suan)放(fang)大(da)器(qi)等(deng)輔(fu)助(zhu)電(dian)路(lu)。下(xia)麵(mian)對(dui)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。

 

3. 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：

 

 

 

設輸入端電壓為Vin，輸出端電壓為Vout，光耦保證的兩個電流傳遞係數分別為K1、K2，顯然，，和之間的關係取決於和之間的關係。
 

將前級運放的電路提出來看
，如下圖所示：

 

 

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麵的關係：

 

Vo=Voo-GVi  (1)

 

其中是在運放輸入差模為0時的輸出電壓，G為運放的增益

，一般比較大。

 

忽略運放負端的輸入電流，可以認為通過R1的電流為IP1
，根據R1的歐姆定律得：

 

 

通過R3兩端的電流為IF，根據歐姆定律得：

 

 

其中,為光耦2腳的電壓，考慮到LED導通時的電壓基本不變
，這裏的作為常數對待。

 

根據光耦的特性，即

 

K1=IP1/IF  (4)

 

將和的表達式代入上式，可得：

 

 

上式經變形可得到：

 

 

將的表達式代入（3）式可得：

 

 

考慮到G特別大，則可以做以下近似：

 

 

這樣，輸出與輸入電壓的關係如下：

 

 

可見
，在上述電路中，輸出和輸入成正比，並且比例係數隻由K3和R1
、R2確定。一般選R1=R2，達到隻隔離不放大的目的。

 

4. 輔助電路與參數確定

 

上麵的推導都是假定所有電路都是工作在線性範圍內的，要想做到這一點需要對運放進行合理選型，並且確定電阻的阻值。

 

4.1 運放選型

 

運放可以是單電源供電或正負電源供電，上麵給出的是單電源供電的例子。為了能使輸入範圍能夠從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。

 

4.2 阻值確定

 

電阻的選型需要考慮運放的線性範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，由於Vo的範圍最小可以為0，這樣
，由於考慮到IFmax大有利於能量的傳輸，這樣，一般取最大值。

另外，由於工作在深度負反饋狀態的運放滿足虛短特性，因此，考慮IPD1的限製，這樣，R2的確定可以根據所需要的放大倍數確定，例如如果不需要放大，隻需將R2=R1即可。

 

另外由於光耦會產生一些高頻的噪聲，通常在R2處並聯電容
，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。

 

4.3 參數確定實例

 

假設確定Vcc=5V，輸入在0-4V之間，輸出等於輸入，采用LMV321運放芯片以及上麵電路，下麵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。

 

5. 總結

 

本文給出了線性光耦的簡單介紹以及電路設計、參數選擇等使用中的注意事項與參考設計，並對電路的設計方法給出相應的推導與解釋，供廣大電子工程師參考。

 

 

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