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：