线性光耦的原理与电路设计

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1. 线形光耦介绍
6 h" _& D! e0 G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。
1 ^! O9 P; ]  J: F4 }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。
  q% }# |- z; c4 v0 \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
! W( k3 ^5 j: n6 E/ [. C2. 芯片介绍与原理说明
HCNR200/201的内部框图如下所示
  _) W( H- {" q" R7 U- {$ 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
% V- u" d* J7 b
5 C5 F1 A0 d" ?; n5 f: I7 MK1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。
$ Z$ B( |+ t6 l$ N5 e7 y1 Z采用HCNR200/201进行隔离的一些指标如下所示：
# p' ~: _0 A3 \- b* 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。
9 G+ O/ d" P/ h  _9 A+ L4 z5 k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。
# F5 k- s( i( K+ V7 U: `3. 典型电路分析
' e5 g6 w! z4 m4 F1 {) JAgilent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：

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。
) J; m6 `" ?& V9 u- d2 Y/ ], M( Y将前级运放的电路提出来看，如下图所示：
! g5 k5 T. ~3 F: |0 d
- ?; {) G6 t& r! o$ B$ J1 u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：
8 i0 L2 c: S. \* GVo=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。
% _$ b9 ^3 _, P! P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：

通过R3两端的电流为IF，根据欧姆定律得：
* w6 C' i" P& \& x1 G  S
- P9 N' m6 z: W( h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)
) H& [( i4 x' r) j将和的表达式代入上式，可得：

上式经变形可得到：
* W4 t# x8 s* i
将的表达式代入（3）式可得：
% Y7 n5 M0 z. o( a8 z) I& h0 z( G6 a
考虑到G特别大，则可以做以下近似：

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
2 J$ ?* G0 c( ^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。
4.1 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。
- w; M5 a' h2 T" O: M) c# h8 n' {8 Y4.2 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
% W, J, ]+ }' Q2 O( ^: I考虑到IFmax大有利于能量的传输，这样，一般取
9 }9 ]; K0 j. G. a: }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，
% X, E/ n  U/ y9 l, v8 B这样，
* n% T$ M7 _4 |, z3 @& R! a9 DR2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。
; \! J5 l4 ^6 x3 P0 |: t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。
, b% @+ ~. k3 O9 F  m6 x0 Y4.3 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；
/ G/ v8 `& e( H* 确定R3：R3=5V/25mA=200；
* 确定R1：;
. N5 m- g3 s. i# h( F9 z1 |* 确定R2：R2=R1=32K。
5. 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。