线性光耦原理与电路设计95036

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1、KEITHLEYAGREATERMEASUREOFCONFIDENCE线性光耦原理与电路设计[日期:2005-7-28]［字体:大中小］來源：21IC屮国电子网作者：佚名1.线形光耦介绍光隔离是一种很常丿IJ的信号隔离形式。常用光耦器件及具外围电路组成。rti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UARTI办议的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A

2、D202,能够捉供从直流到几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。集成的隔离放人器内部电路复杂，体积人，成木高，不适合人规模应用。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，増加一个川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

3、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LEDCATHODELEDANODE128NCPD1CATHODEPD1ANODENC7图表1HCNR200/201内部结构其小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引脚之间和乞6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2o输入信号经过电压•电流转化，电压的变化体现在电流IF上，IPD

4、1和IPD2基木与IF成线性关系，线性系数分别记为K1和K2,即K产邑,K2=^K1与K2—般很小（HCNR200是0.50%）,并H•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【韦I电路设计屮，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的内部结构完金相同，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：

5、0.25%,HCNR201：0.05%；*线性系数K3：HCNR200：15%,HCNR201：5%；*温度系数：-65ppm/oC；少隔离电压：1414V：*信号带宽：肓流到人于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人器等辅助电路。下面对HCNR200/201的典型电路进行分析，对电路屮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。1.典型电路分析Agilent公司的HCNR200/201的于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

6、为Vout,光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2,显然，，和Z间的关系取决于和Z间的关系。将前级运放的电路提出來看，如下图所示:图表3HCNR200/201反馈电路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)其屮是在运放输入差模为0时的输出电压，G为运放的增益，--般比较人。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:(2)通过R3两端的电流为IF,根据欧姆定律得:Jdd-Vq(3)其中,为光耦2脚的电压，考虑到LED导通吋的电压()基木不变，这里的作为常数对待。根据光

7、耦的特性，即K1=IP1/IF(4)将和的表达式代入上式，可得：K丄一&一心匕-匕)一凡(匕-匕)1厶%弋R2H-匕°+G匕)上式经变形可得到：KR(%—%)+Kg—=R扎一R#K.Rfi+R.将的表达式代入（3）式可得:y

8、GR托-GKR(%-%)7」DD—S_%D—f+G匕一DD°。