線性光耦原理和電路設計

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。由于光耦電路簡單，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。對于模擬信號，光耦因為輸入輸出的線形較差，并且隨溫度變化較大，限制了其在模擬信號隔離的應用。

對于高頻交流模擬信號，變壓器隔離是最常見的選擇，但對于支流信號卻不適用。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，然后進行頻率-電壓轉換得到隔離效果。集成的隔離放大器內部電路復雜，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，增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。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芯片，HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。這里以HCNR200/201為例介紹。

2. 芯片介紹與原理說明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引腳用于反饋，5、6引腳用于輸出。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成線性關系，線性系數分別記為K1和K2,即

K1與K2一般很小（HCNR200是0.50%），并且隨溫度變化較大（HCNR200的變化范圍在0.25%到0.75%之間），但芯片的設計使得K1和K2相等。在后面可以看到，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，差別在于一些指標上。相對于HCNR200，HCNR201提供更高的線性度。

采用HCNR200/201進行隔離的一些指標如下所示：* 線性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；* 線性系數K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；* 溫度系數：-65ppm/oC；* 隔離電壓：1414V；* 信號帶寬：直流到大于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：

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系數分別為K1、K2，顯然，，和之間的關系取決于和之間的關系。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系：

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，這里的作為常數對待。

根據光耦的特性，即

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系如下：

可見，在上述電路中，輸出和輸入成正比，并且比例系數只由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范圍內的，要想做到這一點需要對運放進行合理選型，并且確定電阻的阻值。

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。為了能使輸入范圍能夠從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范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，由于Vo的范圍最小可以為0，這樣，由于考慮到IFmax大有利于能量的傳輸，這樣，一般取最大值。另外，由于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，例如如果不需要放大，只需將R2=R1即可。

另外由于光耦會產生一些高頻的噪聲，通常在R2處并聯電容，構成低通濾波器，具體電容的值由輸入頻率以及噪聲頻率確定。4.3 參數確定實例假設確定Vcc=5V，輸入在0-4V之間，輸出等于輸入，采用LMV321運放芯片以及上面電路，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，并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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