應用于隔離放大器的LOC11X線性光耦合器

前言

通常隔離放大器都具有極好的抗共模干擾能力，還可有效阻斷現場和數據采集系統之間的電聯系，但并不切斷它們之間的信號傳遞，在通信、工業(yè)、醫(yī)療器材、電源及測試裝置等系統之中，電路的隔離是必要的，傳統的實現的隔離都是由變壓器及光耦合元件完成的，其中變壓器用于耦合交流信號;而光耦合器則用于直流信號的耦合。與一般的光耦合元件不同，LOC11X 光耦合器可工作在伺服模式，并能用以補償發(fā)光二極管的非線性時間及溫度特性，除此之外，LOC11X光耦合器還能同時耦合交流及直流信號，為設計者提供了可取代大體積變壓器及非線性光耦合元件的更佳選擇。

2 結構原理

LOC11X光耦合器有LOC110、LOC111和LOC112三種型號，其內部結構為一個紅外線發(fā)光二極管與兩個光電三極管形成的光耦合。其中的一個光電三極管可在伺服反饋機制中對發(fā)光二極管的導通電流予以補償;另一個光電三極管用于提供輸入及輸出電路間的電流隔離。圖1所示是LOC11X的內部結構及引腳排列。LOC11X光耦合器有DIP和表面貼裝兩種封裝形式，它們均能耦合模擬和數字信號，且具有高增益穩(wěn)定性，其帶寬大于200kHz，線性度可達0.01%。

由于LOC11X光耦合器內部有一對線性光耦合器，應當用在電流隔離，可保持正確的交流及直流信號的耦合以及輸入/輸出的線性，它有光電壓和光電導兩種工作模式。

2.1 光電導模式

圖2是LOC11X光耦合器在光電導模式下工作的典型電路，該電路被配置成光電三極管的集電極與基極反向偏壓，這是LOC11X光耦合器在光電導模式下運作的典型接法。

當輸入電壓VIN在0V且IF為0mA時，U1有一個大的開環(huán)增益值，而隨著VIN值的升高，U1的輸出值開始進入VCC1的軌跡上，隨著U1輸出的增大，IF開始有電流值，發(fā)光二極管也進入工作狀態(tài)。接著，光電三極管受到發(fā)光二極管所發(fā)出光的照射而導通并產生電流I1，當I1流經R1時，將在U1的反相端產生電壓VA，從而使得放大器進入負反饋工作狀態(tài)。當VA的值與VIN相等時，IF的值便不再增加，而且電路將穩(wěn)定在閉環(huán)狀態(tài)。假如VIN被改變，VA將會跟隨VIN變化，發(fā)光二極管所產生的光同樣也照射在輸出光電三極管上，并可產生一輸出電流。這一電流與發(fā)光二極管所產生的光及流過的電流成正比，且該電流立刻反映在I1上，從而使放大器的輸出電壓為I2 R2。

當放大器所應用的帶寬達200kHz時，必須使用光電導模式。在此模式下，該電路的線性特性及漂移特性與有±1位元線性誤差的8位元D/A變流器(Converter)相類似。光電導模式所以有如此高的頻寬，原因之一是輸出光電三極管的基極和集電極間的結面在反向偏壓時比在順向偏壓及無偏壓時具有更寬的耗盡區(qū)，而較寬的耗盡區(qū)會造成較低的結面電容，因而有著較快的反應時間常數。隨著反向偏壓的增加，結面的耗盡區(qū)會變得越來越寬，從而使其生成的結面電容更小。

2.2光電壓模式

在光電壓模式下，使用LOC11X光耦合器可達到最佳的線性度、最低的干擾及漂移性能。在這種模式下，電路線性度可以達到12位元，然而，這卻是以40kHz的較小帶寬為代價的，圖3為典型的光電壓模式隔離放大電路。

在光電壓模式下，LOC11X光耦合器中光電三極管的作用類似一個電壓發(fā)生器。此時所有的光電器件都呈現出一些電壓線性相關的特性，在光電三極管上，維持0V偏壓可解決這一問題，同時可改善其線性度。假如一個小電阻被連接在光電三極管的兩個端點上，其輸出電流與發(fā)光二極管的電流將成線性關系。為達到這一目的，可將LOC11X中的一個光電三極管連接到運算放大器的兩個輸入端，這樣，隨著VIN的增加，流經發(fā)光二極管的電流也會增加，所產生的光也增加，同時，發(fā)光二極管光源的光打在伺服光電三極管上，將產生一個起始電流I1。由于此電流是由運算放大器的反相輸入端流至光電三極管的，因而與VIN成線性關系，即I1=VIN/R1，這樣就可使運算放大器反相輸入端的電壓維持在0V。

由于發(fā)光二極管產生的光也照在輸出端的光電三極管上而產生光電流I2，該電流會首先從運算放大器的反相輸入端流出，緊接著由輸出端流入一股電流逐漸取代由運算放大器反相端流出的電流I2，同時運放輸出端點的電壓將逐漸升高以產生輸出電壓。

光電壓模式下的光電三極管與光電導模式下的接法不同，由于光電壓模式下有一個外加電源加在集電極上。如果沒有外部電源接在光電三極管上，那么，將沒有暗電流的存在。

3 具體應用

3.1 使用LOC11X光耦合器時的設計原則

在使用LOC11X進行隔離放大時，通常應遵守如下原則：

(1)在200kHz的帶寬應用時，當線性度與±1LSB(Least Significant Bit)線性誤差的8位D/A轉換器相同時，應使用光電導模式。

(2)在40kHz的帶寬應用時，其線性度要求與±1 LSB線性誤差(0.01%)的12～13位D/A轉換器相當時，可使用光電壓模式。

(3)為維持最佳線性度，同時為了使總諧波失真(Total Harmonic Distortion;THD)降至最小，可以使用三極管作為緩沖來驅動LED。

(4)要求高電阻值(>30kΩ)時，可在運算放大器的輸出端與反相輸入端之間加一個100pF的電容(見圖2)，以防止振蕩。

(5)與LOC11X光耦合器一起應用的運算放大器型號主要有LMC6484、LM201、LM358和LM1558等。

3.2 LOC11X光耦合器在心律監(jiān)視系統中的應用

在測量類似心電圖(Electrocardiogram;EGG)所提供的心律信號時，用LOC11X設計儀器與其它設計不同。成人的心律信號振幅大約為1mV，而胚胎的信號可能低至50μV。由于心律信號是如此的小，因此，像殘留電極電壓(residual electrode voltage)和60Hz電源線拾音器(pickup)之類的噪聲可能很容易掩蓋真正要測量的信號。所以，設計時應設計一個隔離放大器電路與探針界面，并且應有較高的共模抑制比(Common Mode Rejection;CMR)，以去除共模干擾，同時為心律信號提供放大功能。

使用LOC11X光耦合器配合其它的電路即可提供隔離、放大、線性及高共模抑制比，而這些優(yōu)點正是這類應用所必需的。圖4為LOC11X光耦合器測量 EGG信號的示意圖。隔離放大器區(qū)塊包含LOC11X光耦合器和高CMR值的運算放大器，該電極經屏蔽導線后應連接到放大器上，以使干擾信號被隔離，而將保護層連接到病人的右腳則可提供最佳的共模抑制比。

3.3 LOC11X光耦合器的標準應用領域

LOC11X光耦合器的標準應用領域及其工作模式如表1所列。

4 結束語

LOC11X光耦合器是一種高性能的線性光耦合器，由于其工作于伺服反饋模式，因而線性度很高，能廣泛應用于各種需要隔離放大的場合，特別在需要把輸入信號進行線性隔離傳遞的儀器電路設計中，該器件具有很強的實用性。