线性光耦电路的设计方法及相关参考设计

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6 z9 A8 S- k6 ]2 O  \! G1.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。
    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。
5 N$ u# e( x# D' `' d( g, [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
8 x: I) _: F  r2 {
3 D" T9 a  S2 W4 G0 t
    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。
7 N: B. c& E2 O- ?    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：
* 线性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；
! p  U( S9 n" g$ Y6 e* 线性系数 K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；
+ ^  l' t* ]+ X* K1 D* 温度系数：-65ppm/oC；
* 隔离电压：1414V；
* 信号带宽：直流到大于 1MHz。
+ {* s8 \3 C5 j6 l$ Z, L- N7 s) e- o    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。
, b8 l9 T3 i# J) u3. 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：

1 N; r( t+ F/ |8 V* u. U6 O
    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：


6 k) n3 q0 i. w4 o, I: S2 r+ X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：
0 U* F' u" j- R& b1 RVo=Voo-GVi (1)
    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：
: E2 u- {4 A9 c. m* A

* b, R8 f% _# b- x. F通过 R3 两端的电流为 IF，根据欧姆定律得：


: S3 V2 M% a7 ~2 ?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
9 k9 ]. t2 x+ M% ?8 Z* WK1=IP1/IF (4)
/ p  V& w) L" M! ]7 C$ V. b: U将和的表达式代入上式，可得：

4 X& j  q3 G# p* P
上式经变形可得到：
1 {+ t" s- ]. m6 @0 t4 e& m

# }0 Q6 }. F( I  w将的表达式代入（3）式可得：

% l: l* H7 @: M/ [. E* Z# N
, f8 V) q) r1 j+ H# |7 i+ x% X2 h考虑到 G 特别大，则可以做以下近似：


. ]9 h+ p: W" a& Y* s) n) B这样，输出与输入电压的关系如下：
, z$ ]" B% M: T
7 Z8 [0 b$ f9 T* Y
. J( C) d4 G# @) i! 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。
; F- Y" z8 j& y* Y3 v' [4. 辅助电路与参数确定
3 C9 K( l* ^/ A4 c  l    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
    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。
4.2 阻值确定
; e( z. F( F1 h2 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。
    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。
    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
    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。
, o# `! E6 c8 A* 确定 IFmax：HCNR200/201 的手册上推荐器件工作的 25mA 左右；
/ v; E4 a0 j* x2 e" i* 确定 R3：R3=5V/25mA=200；
+ _7 f4 |7 R) f5 L2 F* 确定 R1：;
* 确定 R2：R2=R1=32K。
; U) [1 A+ ]9 s; U4 p% w5. 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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