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1.线形光耦介绍! m/ b: Y' W5 }) v$ b3 o
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EDA365欢迎您登录!您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?注册  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。# E1 r6 x  J7 a* j4 ?6 [
 9 U. d  `6 F- i& J
 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。$ _5 l; P4 i2 Y7 G: F
 6 |, L1 Z- h9 O+ @2 o' W" K% h
 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& D4 I/ Y! o& O" p9 F2 T8 h8 n# V
 0 D' s3 m  v& b  @) m$ N$ {
 * F: A$ y7 }8 W& K$ a  g
 
 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。+ O0 Y7 ?+ |3 l' u
 w7 S( m7 i" W$ L! |7 g% u; ?9 z5 i
 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  p# n$ B+ o# R/ n* q* X
 * 线性度:HCNR200:0.25%,HCNR201:0.05%;3 |7 P% v( q1 B$ r
 
 ! H- W. c; X/ q) d, c& s* 线性系数 K3:HCNR200:15%,HCNR201:5%;
 ; I. C7 t' r: i% l; `. s: V7 B+ O: z: G
 * 温度系数:-65ppm/oC;8 |+ `/ V: L" q, Z0 k
 
 J- C+ J. a6 h4 {: _+ ]$ z* 隔离电压:1414V;7 ~6 G2 R( ]# F- [  q( n  e) L
 
 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。# F0 E: ]3 m! E5 n
 
 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! m5 t) I) T$ c; @4 ~
 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:: T5 w: w3 \% F! Z1 D- w8 c3 K
 2 w) z" Z1 [( A3 C6 z" d2 ~- w
 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:+ L0 u8 m9 h2 n( j0 j
 
 . z2 c! n, u4 ^Vo=Voo-GVi  (1)1 @9 y, y* R& I3 R; L3 S) h
 
 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。/ g' Y' H- [1 e) l
 ! w  i) x7 i4 `# y4 m8 A
 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 u2 y0 e' m* y3 p' U" k, |/ E+ m
 
 $ m; X  O; E* u5 s& L4 V' k7 e, L& N1 n
 
 ) U3 G, T- {0 R# m4 d通过 R3 两端的电流为 IF,根据欧姆定律得:/ D3 d+ g) {2 C2 r3 T7 `
 
 ' 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& F/ K9 W4 a9 l  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。
 0 p  {) D5 K3 h1 s0 `) b6 [. |. ^. N2 A. K- y
 根据光耦的特性,即
 # N) s7 R" G9 p& I9 e' {& C4 F/ u9 R
 K1=IP1/IF  (4): g( d. O( m; t% D6 @
 
 3 z( W. R* w0 D. x5 t7 Z将和的表达式代入上式,可得:! N6 t! C3 T! w2 O6 h
 
 ! b: K* ^6 w8 v4 t9 p3 _( I9 ]/ Z. G- ~: A
 
 ( `  U: c0 U9 T# ^, B3 a% K! O, Q5 l6 W- ^
 上式经变形可得到:+ Z2 D! F' q$ [( X" l+ A4 n5 a5 B5 l
 
 9 `9 ~! s9 l# Z5 U, u/ U0 q, x' y/ w2 S  l5 H  R
 
 - 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:. I* M) A$ k5 |$ x
 
 $ ^9 K( d8 ~& s$ i4 w5 f  A7 r0 `. W2 u, t: i3 ^
 
 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:& _# o5 D. n8 S. K0 x0 u. u
 
 " s+ P) e) k3 Z& ^  v# s4 N) o" j3 |* n7 g: h* G% ?7 x
 " z: ^1 n9 R& V$ r' p& V4 `
 / y3 P8 K* ~( _- Q
 这样,输出与输入电压的关系如下:- t9 ~7 @9 {( P1 c/ c2 S3 A
 
 1 D1 [( j' @. Z- @8 n" i. [6 |- e) O* P
 
 ! w: f( _  m$ x8 x! H7 _/ r4 z5 b" l  s) Y
 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。  K+ |! y3 ?2 N; h1 f
 
 8 r! I$ W  K7 y" C  G6 ?( {: }4. 辅助电路与参数确定  l& Q; Q+ b( q+ K, w
 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4 L: {0 p# U' c* a. J4 I1 U
 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2 N( w& `3 u( S) ^9 |& Y
 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。) v' h! U# ?4 B! U, Q* }- C
 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* P2 W9 L2 h  r3 [% \. ~
 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/ y3 {! O+ ]. k$ B6 d4 Z& c
 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。2 K6 W- K: u/ o( x5 \) z
 - M* b' e" V6 d6 g$ A' R
 * 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: I3 Y# w! d+ y8 I$ k
 * 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+ k6 ?. U% N/ g7 r
 * 确定 R2:R2=R1=32K。
 4 V( U9 w. e) r+ i# n* @& Y* k/ |% w/ f: p8 ]
 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。; Q0 i3 i7 T8 W5 g9 ^1 _% s
 
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