1、线性光耦原理与电路设计1. 线形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
2、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
3、绍2. 芯片介绍与原理说明HCNR200/201 的内部框图如下所示其中 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
4、,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
5、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：图 2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
6、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：通过 R3 两端的电流为 IF,根据欧姆定律得：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：上式经变形可得到：将的表达式代入（3）式可得：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。
7、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。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。4.2 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
8、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,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。4.3 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。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。
