线性光耦原理与电路设计

一、1. 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

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

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。

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：

图2

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：

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：

Vo=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：

通过R3两端的电流为IF，根据欧姆定律得：

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

    K1=IP1/IF  (4)

将和的表达式代入上式，可得：

    上式经变形可得到：

将的表达式代入（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 阻值确定

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.

考虑到IFmax大有利于能量的传输，这样，一般取

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，

R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定，例如如果不需要方法，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。

* 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；

* 确定R1：;

* 确定R2：R2=R1=32K。

二、线性光耦在电流采样中的应用
1引言
在现代电气测量和控制中，常常需要用低压器件去测量。控制高电压。强电流等模拟量，如果模拟量与数字量之间没有电气隔离，那么，高电压。强电流很容易串入低压器件，并将其烧毁。线性光耦HCNR200可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离，隔离电压峰值达8000V;输出跟随输入变化，线性度达0.01％。
2 HCNR200/201简介
HCNR200型线性光耦的原理如图1所示。它由发光二极管D1.反馈光电二极管D2.输出光电二极管D3组成。当D1通过驱动电流I f时，发出红外光(伺服光通量)。该光分别照射在D2.D3上，反馈光电二极管吸收D2光通量的一部分，从而产生控制电流I 1 (I 1 =0.005I f )。该电流用来调节I f以补偿D1的非线性。输出光电二极管D3产生的输出电流I 2与D1发出的伺服光通量成线性比例。令伺服电流增益K 1 =I 1 /I f ,正向增益K 2 =I 2 /I f ,则传输增益K 3 =K 2 /K 1 =I 2 /I 1 ,K 3的典型值为1。

3电流检测电路
3.1光电导模式下的电流检测电路设计
HCNR200工作在光电导模式下的检测电流电路如图2所示，信号为正极性输入，正极性输出。隔离电路中，R 1调节初级运算放大器的输入偏置电流的大小，C 1起反馈作用，同时滤除了电路中的毛刺信号，避免HCNR200中的铝砷化镓发光二极管(LED)受到意外的冲击。但是，随着频率的提高，阻抗将变小，HCNR200的初级电流增大，增益随之变大，因而，C 1的引入对通道在高频时的增益有一定影响，虽然减小C 1的值可以拓展带宽，但是，会影响初级运算放大器的增益，同时，初级运算放大器输出的较大毛刺信号不易被滤除。R 3可以控制LED的发光强度，对控制通道增益起一 定作用。

3.2光电压模式下的电流检测电路设计
HCNR200工作在光电压模式下的检测电流电路如图3所示，信号为正极性输入，正极性输出。R 1.R 2.R 3.C 1的作用与在光电导模式下的作用基本相同。放大器A1调节电流I f。当输入电压V in增加时，I 1增加，同时放大器A1“＋”输入端电压增加，促使电流I f增加。由于D1与D2之间的联系，I 1就会把“＋”输入端电压重新拉回0V,形成负反溃如果放大器A1的输入电流很小，那么流经R 1的电流就为V in /R 1 =I 1。显而易见，I 1与V in之间是线性比例关系。I 1稳定线性变化，I f也稳定线性变化。
因为D3受到D1光照，I 2也跟着稳定线性变化。放大器A2和电阻R 2将I 2转化成电压V Out =I 2×R 2。

4运算放大器的选择
HCNR200/201是电流驱动型器件，其LED的工作电流为1mA～20mA,因此，运算放大器A1的驱动电流也必须达到20mA,能达到这种输出电流能力的运算放大器输出级一般为双极型，因此，选双极型运算放大器较合适。同时，根据输入电压范围，也要求运算放大器有相应的共模输入和输出能力。本设计电路采用单电源供电的HA17324集成运算放大器，其输出电流可达40mA。
5电阻器的选择
下面讨论光电导模式下电阻器的选择。
A1组成驱动级的等效电路如图4所示。图中，R f是等效反馈电阻器。该等效电路是典型的同相型放大器，故U＋ =U－ ,且U＋ =V in ,因此V in =U－。

由图2显而易见，

式中，VD1为D1的正向压降。
由图4可见，

故将式(3)代入式(4)

由于器件参数的离散性，I 1近似等于0.005I f ,K 3 =I 2 /I 1≈1,所以，R 1.R 2.R 3尚需在估算值附近调整，力求获得最佳线性度。

调节后，最佳线性度为220Ω。
6结论
应用线性光耦合器组成的模拟信号隔离电路的线性度好，电路简单，有效地解决了模拟信号与单片机应用系统的电气隔离问题。若驱动级。
缓冲级采用组合型运算放大器，可使线性度提高。
HCNR200可以广泛地应用在需要良好稳定性。线性度和带宽的模拟信号隔离场合。采用两片HCNR200可以工作在双极性输入/双极性输出模式；同时，还可以工作在交直流电路。变换器的隔离。热电偶的隔离。
4mA～20mA模拟电流环发射/接收等多种模式下，可广泛应用在数字通讯。
电压电流检测。开关电源。测量和测试工业过程控制等方面。
将该器件用于电机电流测量，电流反馈准确。可靠，在实现电流闭环控制中发挥了作用。

引用网址：http://www.b2b99.com/hyzs/dz/11372.htm