线性光耦电路的设计方法及相关参考设计，讲得太全了！

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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。
6 N1 \* a) o4 W; f
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。

" w0 t% _* g: F9 J4 g; A: i0 ~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。
4 T8 P. K3 b; {) g' v0 w7 x
( b1 H7 C9 X7 h( @2. 芯片介绍与原理说明
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
( ?1 ?' g6 l0 {( k' c2 i; Z

, E" |. ^, I7 n: v
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。
6 X; r3 n5 F& R' G
$ V& h* |  T8 ], n. F, `. cHCNR200 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。
3 ~# A. }: u7 A' R* v
, e- A1 v/ X1 I& ?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%；

$ p0 Q  O1 a4 L' N+ d6 e  T* 线性系数 K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；

) [: s4 Z2 |0 r6 t6 ?$ L* 温度系数：-65ppm/oC；
  ^& L0 R. C( f6 h
9 l6 h9 J9 C0 u6 F5 \* 隔离电压：1414V；

* 信号带宽：直流到大于 1MHz。

! Z# i2 p% V/ b2 |/ l: p. ~. m. {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。

% |! Z# E" j* Y( R# T6 h3. 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：

9 S; t8 Z$ w. X  i' ~2 O5 c0 T5 r4 e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)
% _& S+ P5 U3 L9 v9 u
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。

' O. N: e7 m" Q# {$ N* |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：

  M! p3 A0 K  y0 y& r
% \  N0 W% _7 _7 ?) H
通过 R3 两端的电流为 IF，根据欧姆定律得：
  m& U6 n5 ~! z  R3 G, t! _& k

% ?" N5 c' m- m

/ f$ ~2 y) S- K6 H0 x8 b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。
  \2 ]0 n2 K* W
& L6 [7 ]4 r0 J; w根据光耦的特性，即
6 Q" R# A& [- {. U2 r
K1=IP1/IF  (4)
: g: \% l, h9 e' M  ]: Q# `
将和的表达式代入上式，可得：

3 |2 C. w# o" ^* p3 x
4 q- ]5 ~/ v2 ]+ C( T$ K! S
4 G) `9 l+ l1 h' ?上式经变形可得到：
& ?5 r8 w& f* {* F7 L
" C6 K+ P; S( c, F3 m" k

5 P& [9 g, O0 E7 z5 b
( u9 _  ^4 W9 F' q2 Y6 A- K
将的表达式代入（3）式可得：
9 j# @1 T3 H  U0 l4 X5 V! `5 W

  _5 A! O  b( C, f/ w
- v1 e: r- a0 c
% x/ e9 m+ @# x+ E# {考虑到 G 特别大，则可以做以下近似：
$ c4 k+ I1 f) V8 d
, X4 E; s6 U9 Y: ]

! d! l" J9 y2 Y
这样，输出与输入电压的关系如下：

5 e' u. s% [5 B1 {. C& _
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 r9 M! ?: A- g3 a6 y6 z4. 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。
2 X9 E" P, @- V$ u8 Q$ S' G
8 Z$ s! p" ]2 h1 y$ U, A  a" q1 E4.1 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。
, A$ q! x: v2 `& B
5 b/ O- V# l: j" w& h4.2 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，这样，一般取最大值。
& N2 l) t  U7 K4 G/ X5 Z& ~  C" x  h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，例如如果不需要放大，只需将 R2=R1 即可。

' _# S. \! k7 p' C. Z& J3 ^2 U9 S6 v) W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。
# o  l( X' X/ t$ @. v
$ N0 S" N  B6 u! T1 s  V4 ~4.3 参数确定实例
# x. I) t4 Z+ k  }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。
5 A% m+ r+ J. d& x! v
* 确定 IFmax：HCNR200/201 的手册上推荐器件工作的 25mA 左右；

; D( D& R- J# A2 Y+ P8 l6 l. s* 确定 R3：R3=5V/25mA=200；

( ~. f2 F. E& e4 C5 R8 c  g* 确定 R1：;

# \  A# L) V0 }. y! i* 确定 R2：R2=R1=32K。

* w( w- [% d! O; }/ J9 a5. 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。
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hope123

是的，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。