线性光耦的使用实例

线性光耦介绍

光隔离是一种很常用的信号隔离形式。常用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UART协议的20mA电流环。对于模拟信号，光耦因为输入输出的线形较差，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，但对于支流信号却不适用。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，能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度，但这种隔离器件内部先进行电压- 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中可选择的芯片，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。

HCNR201的结构及工作原理

HCNR201光电耦合器是一种由三个光电元件组成的器件，主要技术指标如下：

具有±5％的传输增益误差和±0．05％的线性误差；

具有DC～1MHz的带宽；

绝缘电阻高达1013Ω，输入与输出回路之间的分布电容为0．4pF；

耐压能力为一分钟5000V，最大绝缘工作电压为1414V；

具有0～15V的输入／输出范围。

HCNR201光电耦合器的内部结构如图1所示，其中LED为铝砷化镓发光二极管，PD1、PD2是两个相邻匹配的光敏二极管，这种封装结构决定了每一个光敏二极管都能从LED得到近似的光照，因而消除了LED的非线性和偏差特性所带来的误差。当电流流过LED时，LED发出的光被耦合到PD1与PD2，从而在器件输出端产生与光强成正比的输出电流。

图1 线性光耦hcnr201内部结构

在使用时，可将第3、4输出端与第1、2输入端一起接入控制回路，其中第3、4端的光敏二极管起反馈作用，它可将产生的输出电流再反馈到第1、2端的LED上，以对输入信号进行反馈控制。

工作原理

hcnr201的led、pd1及运放a1等组成隔离电路的输入部分，pd2及运放a2等组成隔离电路的输出部分。设隔离电路输入电压为vin，输出电压为vout，led上电流为if，二极管pd1上产生的电流为ipd1，二极管pd2上产生的电流为ipd2，如图2所示。

图2 线性光耦hcnr201模拟电压隔离电路

隔离电路中pd1形成了负反馈，当有电压vin输入时，运放a1的输出使led上有电流if流过，且输入电压的变化体现在电流if上，并驱动led发光把电信号转变成光信号。led发出的光被pd1探测到并产生光电流ipd1。同时，输入电压vin也会产生电流流过r1。假定a1是理想运放，则没有电流流入a1的输入端，流过r1的电流将会流过pd1到地，因此，ipd1=vin/r1。注意，ipd1只取决于输入电压vin和r1的值，与led的光输出特性无关。又因led发出的光同时照射在两个光敏二极管上，且pd1和pd2完全相同的，理想情况下ipd2应该等于ipd1。定义一个系数k，有ipd1=kipd2，k约为1±5%（当芯片制作完成后随之确定）。运放a2和电阻r2把ipd2转变成输出电压vout，有vout=ipd2r2，组合上面的3个方程得到输出电压和输入电压关系：vout/vin=kr2/r1，因此，输出电压vout具有稳定性和线性，其增益可通过调整r2与r1的值来实现，通常取r1和r2的值相同。

隔离电路中电阻r1起限流作用。r3用于控制led的发光强度，从而对控制通道增益起一定作用。电容c1、c2为反馈电容，用于提高电路的稳定性。运算放大器a1的作用是把电压信号转变成电流信号，运算放大器a2的作用是把光耦输出的电流信号转变为电压信号，并增强负载驱动能力。

线性光耦的使用实例（一）

在某随动检测系统中，需要用检测板对系统中的各电路板的参数进行监测，以对工作不正常的电路板给出故障指示，并用单片机来处理检测结果。由于实际工作环境比较恶劣，为了防止干扰信号由采集信道进入检测板及保证单片机系统工作正常，笔者采用光电耦合器来实现信号的传输。由于光电耦合器的发光二极管为电流驱动器件，因而应以电流环路的形式进行传送，而且电流环路是低阻抗电路，它对噪声的敏感度较低，因此提高了电路的抗干扰能力。有时干扰噪声虽有较大的电压幅度，但其能量小，所以只能形成微弱的电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，只有在通过一定强度的电流时才能发光，因此，即使有很高电压幅值的干扰，也会因其所形成的电流大小而被抑制掉。

在实际检测电路的某一采集信道中，如需对一组差动输入信号进行检测，可将电路接成如图3所示的连接方式。图中，通过放大器N1可将输入的差动信号变为单边信号后输出。由于二极管V1和V2的作用，当输入信号为正时，V2导通，V1截止，放大器N2呈开环状态，光耦N5工作，N4关断；而当输入信号为负时，则正好相反。当HCNR201的第3、4端的光敏二极管受光后，其输出信号将反馈到放大器的输入端，以提高光耦的线性并减少温漂。第5、6端输出的信号经运放放大后输出。电位器RP1的作用是调节运放输入偏置电流的大小。电容C2、C3为反馈电容，可用于提高电路的稳定性，消除自激振荡，滤除电路中的毛刺信号，降低电路的输出噪声，其容值可根据电路的频率特性来选取。放大器N6的作用是把光耦输出的电流信号转变为电压信号以供后级电路使用，并增强负载驱动能力，降低输出阻抗。调整电阻RP2的值可以调整信道的增益。

#p#

线性光耦的使用实例（二）

#e#

线性光耦的使用实例（二）

设输入端电压为Vin，输出端电压为Vout，光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2，显然，，和之间的关系取决于和之间的关系。

将前级运放的电路提出来看，如下图所示：

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：

Vo=Voo-GVi （1）

其中是在运放输入差模为0时的输出电压，G为运放的增益，一般比较大。

忽略运放负端的输入电流，可以认为通过R1的电流为IP1，根据R1的欧姆定律得：

其中，为光耦2脚的电压，考虑到LED导通时的电压（）基本不变，这里的作为常数对待。

根据光耦的特性，即

K1=IP1/IF （4）

将和的表达式代入上式，可得：

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。

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。

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，由于考虑到IFmax大有利于能量的传输，这样，一般取另外，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的确定可以根据所需要的放大倍数确定，例如如果不需要方法，只需将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。

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.

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