线性光耦电路的设计方法及相关参考设计

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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。
! W9 W+ L4 S; C0 N+ k6 d    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。
    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。
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
3 E7 B! u7 w/ Z, O, p. {
8 ^1 T2 D7 Z4 N  ?& \8 \
5 U* K9 ?* v9 @1 M$ K" i$ w    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。
1 R" X  V* d0 f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；
3 a, s5 K- q: J( O6 h+ o* b* 隔离电压：1414V；
* 信号带宽：直流到大于 1MHz。
- V' I4 e& m# n* w7 c  \. I4 a# a    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。
  b) Q* b+ k" @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：

3 v2 `4 \$ i4 ~/ C* d6 h2 p
5 ~! l9 A( D7 y% W    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。
: s* R5 m7 Q+ h9 i将前级运放的电路提出来看，如下图所示：
& l: }/ W. V0 s% }
0 Z4 n+ }4 {$ e; F* t) t/ {
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)
, ~# ~0 D# Y! |# J7 k1 I: j% J& X    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。
+ m9 @5 u9 D+ C& B2 |3 I+ o6 `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：
; o" L8 z8 W0 J* ~

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
5 V3 N, B% U; J- DK1=IP1/IF (4)
将和的表达式代入上式，可得：
4 k$ t- |) o$ O, d: Q# ^; p
! \( {0 X$ ~' \" {2 V
) S4 E( e. l5 Y* w- ?2 n, R1 f2 ?上式经变形可得到：
- _  o' Z( w( g- ~4 A! A

将的表达式代入（3）式可得：
5 b9 a" [  b$ f# G* B" K" m

考虑到 G 特别大，则可以做以下近似：
! t: W& M) v1 B4 [1 h$ e

( E( ?9 q! A8 Q这样，输出与输入电压的关系如下：
9 y: Q5 c: L% q4 M) ?

0 {" ^+ R. G) v2 M9 Q    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 {3 x/ r3 Y+ q1 w4. 辅助电路与参数确定
( @6 h8 P5 P, B: C: E/ @    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
) `4 ?! T  {4 U4 x" a, f/ S1 W    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。
" U* L( _4 z: O/ Z. }4.2 阻值确定
1 }3 u0 V& d# w8 H8 J9 L3 x    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。
1 [7 f- [  Z* Q; V% [" _    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
8 y1 W& O4 l& p8 X    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。
! t- U8 N5 \- j0 O% e- M0 j7 y* 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 o1 @  P/ X2 J3 @* 确定 R2：R2=R1=32K。
! S6 V4 R7 M/ I! b8 p9 b5. 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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