線性光耦原理與電路設計

1. 線形光耦介紹

光隔離是一種很常用的信號隔離形式.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).對于模擬信號,光耦因為輸入輸出的線形較差,并且隨溫度變化較大,限制了其在模擬信號隔離的應用.

對于高頻交流模擬信號,變壓器隔離是最常見的選擇,但對于支流信號卻不適用.一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案,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)部先進行電壓- 頻率轉換,對產(chǎn)生的交流信號進行變壓器隔離,然后進行頻率-電壓轉換得到隔離效果.集成的隔離放大器內(nèi)部電路復雜,體積大,成本高,不適合大規(guī)模應用.

模擬信號隔離的一個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,增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋.這樣,雖然兩個光接受電路都是非線性的,但兩個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,從而達到實現(xiàn)線性隔離的目的.

市場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.輸入信號經(jīng)過電壓-電流轉化,電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上,IPD1和IPD2基本與IF成線性關系,線性系數(shù)分別記為K1和 K2,即

K1與K2一般很小(HCNR200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),但芯片的設計使得K1和K2相等.在后面可以看到,在合理的外圍電路設計中,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到滿意的線性度的.

HCNR200和HCNR201的內(nèi)部結構完全相同,差別在于一些指標上.相對于HCNR200,HCNR201提供更高的線性度.

采用HCNR200/201進行隔離的一些指標如下所示:

* 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算放大器等輔助電路.下面對HCNR200/201的典型電路進行分析,對電路中如何實現(xiàn)反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉換進行推導與說明.

3. 典型電路分析

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

設輸入端電壓為Vin,輸出端電壓為Vout,光耦保證的兩個電流傳遞系數(shù)分別為K1、K2,顯然,,和之間的關系取決于和之間的關系.

將前級運放的電路提出來看,如下圖所示: