线性光耦的原理与电路设计

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1. 线形光耦介绍
6 Z, \' [# D4 Q2 R# @9 {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。
5 a: J1 O  k8 ^7 d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
2. 芯片介绍与原理说明
HCNR200/201的内部框图如下所示
3 ^$ M- `+ \. t7 P5 k7 e
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

6 p. }5 X- ?# V' k. N8 k5 yK1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。
, Q, S: e1 g% v3 x3 g$ H3 \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%；
/ y5 o% n  ^0 W% X, h! |2 m. s* 温度系数： -65ppm/oC；
* 隔离电压：1414V；
& t# M+ `9 [8 X* 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。
3. 典型电路分析
8 a2 v$ G. T$ }" Z9 _6 D/ _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：
/ F+ k( s6 ?6 s7 i# g) k, E
% ?! l) N* P- G2 g5 C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。
9 {  X( o/ Z* Z- m5 Y" I+ Y% o: y将前级运放的电路提出来看，如下图所示：

3 {( ~0 i2 a, c; Q& M" L' P: {+ K- v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)
8 d% t* u8 K7 P1 R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：

# K# x( a  _4 B: t  T通过R3两端的电流为IF，根据欧姆定律得：
, {6 E/ J: f8 C& B4 T$ a
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
3 M" ]/ }+ ~: U7 J5 R6 K6 [; G( v: ?K1=IP1/IF  (4)
将和的表达式代入上式，可得：

上式经变形可得到：

将的表达式代入（3）式可得：
; T  F2 ]- Z, W; K
; ]# Q/ |* z- X" R9 a* I考虑到G特别大，则可以做以下近似：
# d" m2 x$ ]* b, [) f( g
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。
4. 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。
6 j, ]" O1 v: b4.1 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。
3 o, ?" p& `- @5 g% n" T$ k4.2 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
4 p* a, v* O" V% c" m8 S, ^考虑到IFmax大有利于能量的传输，这样，一般取
0 _4 g  M5 d/ Z$ l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。
4.3 参数确定实例
! z2 p, {! ^5 B5 g% p& F1 @( }1 a; S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。
. W4 ]5 b% _6 n2 [* 确定IFmax：HCNR200/201的手册上推荐器件工作的25mA左右；
) L; M* f( k8 `1 L5 O" J* 确定R3：R3=5V/25mA=200；
* 确定R1：;
* 确定R2：R2=R1=32K。
0 z" X# V0 Q5 q7 x5. 总结
本文给出了线性光耦的简单介绍以及电路设计、参数选择等使用中的注意事项与参考设计，并对电路的设计方法给出相应的推导与解释，供广大电子工程师参考。