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。
& m5 N2 C* n. G- }8 x# K
; f  C& g6 Z& U* x$ \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。
& m7 H/ o: j2 x$ U7 W
- \" S7 j% V" f+ f7 K" y) k2. 芯片介绍与原理说明
8 m8 F- i5 i& l+ h1 }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

5 O  Z9 J( D, }6 @) \. k0 h* X
3 Q# I5 {- W) L2 A% _$ [# ]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。

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。
$ k1 X) f! |) M/ Q$ r' p  a
: p, D( a6 Q) M采用 HCNR200/201 进行隔离的一些指标如下所示：
9 ~: S: Y6 v* k% E3 o
* 线性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；

! H- W. c; X/ q) d, c& s* 线性系数 K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；
; I. C7 t' r: i% l
* 温度系数：-65ppm/oC；

  J- C+ J. a6 h4 {: _+ ]$ z* 隔离电压：1414V；

  i0 Z3 P; s1 R4 g* 信号带宽：直流到大于 1MHz。
- m: r7 I( X$ o5 h3 d' O1 R
" u* Y1 t) n  F" Z5 P, ]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 k& K  D) O1 U4 j5 l3. 典型电路分析
6 d+ H8 ~" Y" WAgilent 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：
. V9 y, ^; q; [) j
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。
# o; X$ k1 h1 m7 ~; G/ w
: ?* s* u! _$ x( A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：

. z2 c! n, u4 ^Vo=Voo-GVi  (1)

1 ]% X/ W9 K; |; Y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：
7 \/ p$ t, n0 n" U) [! N% Y0 u

$ m; X  O; E* u5 s& L4 V

) U3 G, T- {0 R# m4 d通过 R3 两端的电流为 IF，根据欧姆定律得：

' U; Z- H; r+ N2 {; h5 H6 }1 \$ M( v7 Q

0 g( Q0 w+ C5 y) g8 j4 s$ H! y& u
; O* d5 ~4 s6 e' k
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。
0 p  {) D5 K3 h1 s0 `) b
根据光耦的特性，即
# N) s7 R" G9 p
K1=IP1/IF  (4)

3 z( W. R* w0 D. x5 t7 Z将和的表达式代入上式，可得：

! b: K* ^6 w8 v

( `  U: c0 U9 T# ^, B
上式经变形可得到：

9 `9 ~! s9 l# Z5 U, u/ U

- k7 z' E2 {  O3 T* n3 u! a* D- e
; L! g6 R( p: ~将的表达式代入（3）式可得：

$ ^9 K( d8 ~& s$ i

  B3 g7 z2 `8 `9 W9 c) y
8 m$ a3 ]/ O) B1 K2 l考虑到 G 特别大，则可以做以下近似：

" s+ P) e) k3 Z& ^  v# s4 N) o" j3 |

这样，输出与输入电压的关系如下：

1 D1 [( j' @. Z- @

! w: f( _  m$ x8 x
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。

8 r! I$ W  K7 y" C  G6 ?( {: }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。
# u, J9 u2 y0 g! W& l5 [; b7 u! @) _
6 s/ r2 t( i2 W6 _& Q3 i/ i1 Y; f4.1 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。
# T& e  c- j# D1 u* G
. `5 Q0 M# r' L* J. v' `8 D4.2 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。
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. b+ F9 Y4 U; H% ]. b
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。
" j+ B' K! ~1 Z* d% C& p
4.3 参数确定实例
2 h7 Q4 {# z; `. Y; R9 t! B4 {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；
2 q' L# s% `6 {" [& P4 z8 K! R: I
* 确定 R3：R3=5V/25mA=200；
4 X3 v0 W: @, p: T4 C, n6 K* ?
, |8 w) Y  W9 J7 R) t0 S) F* 确定 R1：;
( p0 S3 r0 @* j4 i1 O1 x
* 确定 R2：R2=R1=32K。
4 V( U9 w. e) r+ i# n* @
5. 总结
2 p" h8 a" ~9 K7 _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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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。