原创 线性光耦续谈-1

1.简介

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。

2.光耦型号

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：

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%；

* 线性系数K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；

* 温度系数： -65ppm/oC；

* 隔离电压：1414V；

* 信号带宽：直流到大于1MHz。

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。

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：

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,将前级运放的电路提出来看，如下图所示：

设运放负端的电压为Vi ，运放输出端的电压为Vo，在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系：

Vo=Voo-GVi  (1)

其中Vo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：

通过R3两端的电流为IF，根据欧姆定律得：

其中,VDD为光耦2脚的电压，考虑到LED导通时的压降，VDD基本不变，这里的作为常数对待。

根据光耦的特性，即

    K1=IP1/IF  (4)

将(2)和(3)的表达式代入上式，可得：


    上式经变形可得到：

将上述表达式代入（3）式可得：

考虑到G特别大，则可以做以下近似：

这样，输出与输入电压的关系如下：

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.辅助电路与参数确定

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 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。

* 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。