线形光耦介绍

线形光耦介绍

光隔离是一种很常用的信号隔离形式，由光耦器件及其外围电路组成。

由于光耦电路简单，在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到。如RS485通信、采用PWM调整的4-20mA电流环等；

对于模拟信号，由于光耦的输入输出线性差,并且随温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离的应用。

对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见的选择，这种办法不适用于直流以及低频交流信号的隔离。

一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案。

如ADI的AD202，其能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度。

但这类隔离器件先在进行电压-频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离效果。

集成的隔离放大器内部电路复杂，体积大，成本高，不适合大规模应用。

模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。

线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。

这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。

市场上的线性光耦有几种可选择的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201、TI子公司TOAS的TIL300、CLARE的LOC111等。

这里以HCNR200/201为例介绍。

芯片介绍与原理说明

HCNR200/201的内部框图如下所示：

HCNR200/201的内部框图▲

其中1、2引作为隔离信号的输入，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出。

1、2引脚之间的电流记作IF，3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2；

输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流IF上；

IPD1和IPD2基本与IF成线性关系,线性系数分别记为K1和K2，即：

K1与K2一般很小（HCNR200是0.50%），并且随温度变化较大（HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间），但芯片的设计使得K1和K2相等。

在后面可以看到，在合理的外围电路设计中，真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3，线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。

HCNR200和HCNR201的内部结构完全相同，差别在于一些指标上。

相对于HCNR200，HCNR201提供更高的线性度。

采用HCNR200/201进行隔离的一些指标如下所示：

* 线性度：HCNR200：0.25%,HCNR201：0.05%;

* 线性系数K3：HCNR200：15%,HCNR201：5%;

* 温度系数：-65ppm/oC;

* 隔离电压：1414V;

* 信号带宽：直流到大于1MHz。

从上面可以看出，和普通光耦一样，线性光耦真正隔离的是电流。

要想真正隔离电压，需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。下面对HCNR200/201的典型电路进行分析，对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。

典型电路分析

Agilent公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路,其中较为典型的一种如下图所示：

HCNR200/201典型电路▲

设输入端电压为Vin,输出端电压为Vout，光耦内部的两个电流传递系数分别为K1、K2。

其中光耦初级的电路如下图所示：

光耦初级的电路图▲

设运放负端的电压为，运放输出端的电压为，在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系：

(1)

其中，是在运放输入差模为0时的输出电压，G为运放的开环增益，数值一般比较大。

忽略运放负端的输入电流，可以认为通过的电流为，根据欧姆定律得：

(2)

通过两端的电流为,根据欧姆定律得：

(3)

其中，为光耦2脚的电压，考虑到LED的导通电压基本不变，这里的作为常数对待。

根据光耦的特性，即

(4)

将(1)-(3)的表达式代入上式，可得：

(5)

移项，化简得到，

(6)

将表达式(6)代入(3)，得到：

当G特别大时，

这样，输出与输入电压的关系如下：

可见,在上述电路中，输出和输入成正比，并且比例系数只由K3和R1、R2确定。

一般选R1=R2,达到只隔离不放大的目的。

辅助电路与参数确定

上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内的，

要想做到这一点需要对运放进行合理选型，并且确定电阻的阻值。

1 运放选型

运放可以是单电源供电或正负电源供电，上面给出的是单电源供电的例子。

为了能使输入范围能够从0到VCC，需要运放能够满摆幅工作，另外,运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。

TI公司的LMV321单运放电路能够满足以上要求，可以作为HCNR200/201的外围电路。

2 阻值确定

电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流IFmax。

K1已知的情况下，IFmax又确定了IPD1的最大值IPD1max。

这样，由于Vo的范围最小可以为0，这样,由于

考虑到IFmax大有利于能量的传输，另外，由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性，因此,考虑IPD1的限制,

这样，R2可以根据所需要的放大倍数确定，例如如果不需要放大，只需取R2=R1即可。

另外由于光耦会产生一些高频的噪声，通常在R2处并联电容，构成低通滤波器，具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。

3 参数确定实例

假设确定Vcc=5V，输入在0-4V之间,输出等于输入,采用LMV321运放芯片以及上面电路,下面给出参数确定的过程。

* 确定IFmax：HCNR200/201的手册上推荐器件工作的25mA左右;

* 确定R3：R3=5V/25mA=200;

* 确定R1：;

* 确定R2：R2=R1=32K。

审核编辑 ：李倩