線性光耦原理,應用及設計注意事項

admin @ 2014-03-19 , reply:0

線性光耦原理,應用及設計注意事項

線性光耦原理,應用及設計注意事項


1. 線形光耦介紹


光隔離是一種很常用的信號隔離形式。常用光耦器件及其外圍電路組成。由於光耦電路簡單,在數字隔離電路或數據傳輸電路中常常用到,如UART協議的20mA電流環。對於模擬信號,光耦因為輸入輸出的線形較差,並且隨溫度變化較大,限制了其在模擬信號隔離的應用。


對於高頻交流模擬信號,變壓器隔離是最常見的選擇,但對於支流信號卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案,如ADI的AD202,能夠提供從直流到幾K的頻率內提供0.025%的線性度,但這種隔離器件內部先進行電壓-頻率轉換,對產生的交流信號進行變壓器隔離,然後進行頻率-電壓轉換得到隔離效果。集成的隔離放大器內部電路複雜,體積大,成本高,不適合大規模應用。


模擬信號隔離的一個比較好的選擇是使用線形光耦。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別,只是將普通光耦的單發單收模式稍加改變,增加一個用於反饋的光接受電路用於反饋。這樣,雖然兩個光接受電路都是非線性的,但兩個光接受電路的非線性特性都是一樣的,這樣,就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性,從而達到實現線性隔離的目的。


市場上的線性光耦有幾中可選擇的晶元,如Agilent公司的HCNR200/201,TI子公司TOAS的TIL300,CLARE的LOC111等。這裡以HCNR200/201為例介紹


2. 晶元介紹與原理說明


HCNR200/201的內部框圖如下所示



 



其中1、2引作為隔離信號的輸入,3、4引腳用於反饋,5、6引腳用於輸出。1、2引腳之間的電流記作IF,3、4引腳之間和5、6引腳之間的電流分別記作IPD1和IPD2。輸入信號經過電壓-電流轉化,電壓的變化體現在電流IF上,IPD1和IPD2基本與IF成線性關係,線性係數分別記為K1和K2,即





K1與K2一般很小(HCNR200是0.50%),並且隨溫度變化較大(HCNR200的變化範圍在0.25%到0.75%之間),但晶元的設計使得K1和K2相等。在後面可以看到,在合理的外圍電路設計中,真正影響輸出/輸入比值的是二者的比值K3,線性光耦正利用這種特性才能達到滿意的線性度的。


HCNR200和HCNR201的內部結構完全相同,差別在於一些指標上。相對於HCNR200,HCNR201提供更高的線性度。


採用HCNR200/201進行隔離的一些指標如下所示:


* 線性度:HCNR200:0.25%,HCNR201:0.05%;


* 線性係數K3:HCNR200:15%,HCNR201:5%;


* 溫度係數: -65ppm/oC;


* 隔離電壓:1414V;


* 信號帶寬:直流到大於1MHz。


從上面可以看出,和普通光耦一樣,線性光耦真正隔離的是電流,要想真正隔離電壓,需要在輸出和輸出處增加運算放大器等輔助電路。下面對HCNR200/201的典型電路進行分析,對電路中如何實現反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉換進行推導與說明。


3. 典型電路分析


Agilent公司的HCNR200/201的手冊上給出了多種實用電路,其中較為典型的一種如下圖所示:



圖2


 



設輸入端電壓為Vin,輸出端電壓為Vout,光耦保證的兩個電流傳遞係數分別為K1、K2,顯然,,和之間的關係取決於和之間的關係。


將前級運放的電路提出來看,如下圖所示:


 



設運放負端的電壓為,運放輸出端的電壓為,在運放不飽和的情況下二者滿足下面的關係:


Vo=Voo-GVi  (1)


其中是在運放輸入差模為0時的輸出電壓,G為運放的增益,一般比較大。


忽略運放負端的輸入電流,可以認為通過R1的電流為IP1,根據R1的歐姆定律得:


 



通過R3兩端的電流為IF,根據歐姆定律得:


 



其中,為光耦2腳的電壓,考慮到LED導通時的電壓()基本不變,這裡的作為常數對待。


根據光耦的特性,即



    K1=IP1/IF  (4)


將和的表達式代入上式,可得:





    上式經變形可得到:


 



將的表達式代入(3)式可得:



 


 



考慮到G特別大,則可以做以下近似:



 


 



這樣,輸出與輸入電壓的關係如下:


 



可見,在上述電路中,輸出和輸入成正比,並且比例係數只由K3和R1、R2確定。一般選R1=R2,達到只隔離不放大的目的。


4. 輔助電路與參數確定


上面的推導都是假定所有電路都是工作在線性範圍內的,要想做到這一點需要對運放進行合理選型,並且確定電阻的阻值。


4.1 運放選型


運放可以是單電源供電或正負電源供電,上面給出的是單電源供電的例子。為了能使輸入範圍能夠從0到VCC,需要運放能夠滿擺幅工作,另外,運放的工作速度、壓擺率不會影響整個電路的性能。TI公司的LMV321單運放電路能夠滿足以上要求,可以作為HCNR200/201的外圍電路。


4.2 阻值確定


電阻的選型需要考慮運放的線性範圍和線性光耦的最大工作電流IFmax。K1已知的情況下,IFmax又確定了IPD1的最大值IPD1max,這樣,由於Vo的範圍最小可以為0,這樣,由於


考慮到IFmax大有利於能量的傳輸,這樣,一般取


另外,由於工作在深度負反饋狀態的運放滿足虛短特性,因此,考慮IPD1的限制,


這樣,


R2的確定可以根據所需要的放大倍數確定,例如如果不需要方法,只需將R2=R1即可。


另外由於光耦會產生一些高頻的雜訊,通常在R2處並聯電容,構成低通濾波器,具體電容的值由輸入頻率以及雜訊頻率確定。


4.3 參數確定實例


假設確定Vcc=5V,輸入在0-4V之間,輸出等於輸入,採用LMV321運放晶元以及上面電路,下面給出參數確定的過程。


* 確定IFmax:HCNR200/201的手冊上推薦器件工作的25mA左右;


* 確定R3:R3=5V/25mA=200;


* 確定R1:;


* 確定R2:R2=R1=32K。



5. 總結


本文給出了線性光耦的簡單介紹以及電路設計、參數選擇等使用中的注意事項與參考設計,並對電路的設計方法給出相應的推導與解釋,供廣大電子工程師參考。


 

 



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