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。

; z) g9 [0 J8 ?4 W0 N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。
; V. R% A+ H' C/ ^% i2 v% u
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。

; g$ s( D6 Z) |* X1 G( Z) @2 x3 K2. 芯片介绍与原理说明
) m7 B4 \; J9 J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 B" a  q1 @, L( K5 U; Y
1 P' j8 X2 R% J) v! r

/ H/ B- N* w3 y4 s8 s
) U; f1 {: |! v* D$ R, i1 E
  m6 ~  R8 m9 \  y5 ]# zK1 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。
5 E5 c- w4 v0 A% h0 k$ K* n
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：
2 W3 S% b5 d: U; u  P
* 线性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；
5 P( J, ^# A* L/ }9 J7 i  z
( j4 Q' a! @: ?. h* 线性系数 K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；
0 A) D' ^) m" u6 U
* 温度系数：-65ppm/oC；
4 A8 l" U4 s3 X+ U3 t5 y
* 隔离电压：1414V；
0 A: h4 B. V+ G' _/ L, j, W, s! P
* 信号带宽：直流到大于 1MHz。
+ O6 F! y' i5 ?1 {6 Q* 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。
6 [! M* \  B  \9 g
* G: N4 I4 B3 U3. 典型电路分析
2 ]% ?: [. V5 r5 Y( i/ n4 zAgilent 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。
' v# ~; T7 O4 c! P6 A" R
( ]' y3 j! f+ m  E! v* [; F4 _( q将前级运放的电路提出来看，如下图所示：

. L3 T" t% t3 m" j  ~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：
+ [4 i" g; j% Y5 l% J3 A# R
Vo=Voo-GVi  (1)
5 B' ?5 A; D  p- R) ?
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。
3 ?/ i4 x2 a. I) O
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：
" H9 Y3 D% F& U- S$ \# ?

9 `0 L2 W5 d3 ?6 y

通过 R3 两端的电流为 IF，根据欧姆定律得：

& Z# \$ V, P$ M
5 U; n) p" y  k: y* I, x) M: G7 q9 ]
0 e0 w7 Z7 y- ]( e! i. ]* ~/ 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。

3 p/ Z- J9 M. H5 i+ }' H根据光耦的特性，即
, u6 x8 E# Z! y- g
K1=IP1/IF  (4)

* n: v% K& h0 b将和的表达式代入上式，可得：

! T& P9 n: q$ N4 C1 d/ M+ Z/ d2 B

: b, X& V. ]" t  A7 o
5 w, a# n1 T* V* r  ~2 A上式经变形可得到：

, W' D1 z8 w/ T将的表达式代入（3）式可得：

0 Y. C# V1 S) o8 F0 W1 w

考虑到 G 特别大，则可以做以下近似：

8 K) m" e! J% m$ c" b4 S# c' L( w/ n

; p3 L( F4 c. l7 a! n  C* t
* ?9 k$ C$ G$ I' a8 X  Z0 k
这样，输出与输入电压的关系如下：

; D$ X. u3 Z! r  `$ V' p

5 \: _% u3 h( u' ^  R/ e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
0 O, b. z% v8 W8 ]9 V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。

. h& ?9 q+ {8 ]4.1 运放选型
* r" p2 c6 k5 v3 d8 e  C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。
7 A; D" E- V+ b
4.2 阻值确定
* c4 b4 F  P) W1 [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。
  q' Y! R5 _! c2 a9 b2 ^: x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: c+ c0 Q5 M: K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。

( w0 E; B% I* H) D' Q4.3 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。
8 K) i  ~; y1 t9 |4 z
* 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：;
4 H0 Z! P. l# _# s  t5 K
7 H% O# ^# J. D$ i* 确定 R2：R2=R1=32K。
/ I7 W/ _) w# H* i. t! t) x( w
4 k- p# |/ K, }( y5. 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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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。