線性光耦簡(jiǎn)介、原理及典型電路分析

1、線形光耦介紹

光隔離是一種很常用的信號(hào)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(jiǎn)單，在數(shù)字隔離電路或數(shù)據(jù)傳輸電路中常常用到，如UART協(xié)議的20mA電流環(huán)。對(duì)于模擬信號(hào)，光耦因?yàn)檩斎胼敵龅木€形較差，并且隨溫度變化較大，限制了其在模擬信號(hào)隔離的應(yīng)用。

對(duì)于高頻交流模擬信號(hào)，變壓器隔離是最常見的選擇，但對(duì)于支流信號(hào)卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號(hào)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(nèi)提供0.025%的線性度，但這種隔離器件內(nèi)部先進(jìn)行電壓-頻率轉(zhuǎn)換，對(duì)產(chǎn)生的交流信號(hào)進(jìn)行變壓器隔離，然后進(jìn)行頻率-電壓轉(zhuǎn)換得到隔離效果。集成的隔離放大器內(nèi)部電路復(fù)雜，體積大，成本高，不適合大規(guī)模應(yīng)用。

模擬信號(hào)隔離的一個(gè)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(fā)單收模式稍加改變，增加一個(gè)用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個(gè)光接受電路都是非線性的，但兩個(gè)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(dá)到實(shí)現(xiàn)線性隔離的目的。

市場(chǎng)上的線性光耦有幾中可選擇的芯片，如Agilent公司的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(nèi)部框圖如下所示

其中1、2引作為隔離信號(hào)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(hào)經(jīng)過電壓-電流轉(zhuǎn)化，電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上，IPD1和IPD2基本與IF成線性關(guān)系，線性系數(shù)分別記為K1和K2,即

K1與K2一般很?。℉CNR200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(shè)計(jì)使得K1和K2相等。在后面可以看到，在合理的外圍電路設(shè)計(jì)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(dá)到滿意的線性度的。

HCNR200和HCNR201的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，差別在于一些指標(biāo)上。相對(duì)于HCNR200，HCNR201提供更高的線性度。

采用HCNR200/201進(jìn)行隔離的一些指標(biāo)如下所示：

* 線性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；

* 線性系數(shù)K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；

* 溫度系數(shù)： -65ppm/oC；

* 隔離電壓：1414V；

* 信號(hào)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(yùn)算放大器等輔助電路。下面對(duì)HCNR200/201的典型電路進(jìn)行分析，對(duì)電路中如何實(shí)現(xiàn)反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉(zhuǎn)換進(jìn)行推導(dǎo)與說明。

3、典型電路分析

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

設(shè)輸入端電壓為Vin，輸出端電壓為Vout，光耦保證的兩個(gè)電流傳遞系數(shù)分別為K1、K2，顯然，，和之間的關(guān)系取決于和之間的關(guān)系。