线性光耦原理与电路设计

线性光耦原理与电路设计

1. 线性光耦介绍

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性较差，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kHz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性光耦。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的内部框图如图1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－电流转换，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

IPD1K1IF，IPD2K2IF (1)

K1和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，线性光耦正是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/℃；

* 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，需要在输入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压－电流、电流－电压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图2所示：

设输入端电压为Vin，输出端电压为Vout，光耦的两个电流传递系数分别为K1、K2，将前级运放的电路提出来看，如图3所示：

设运放反相端的电压为Vi，运放输出端的电压为Vo，在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系：

VoVo0GVi (2)

其中Vo0是在运放输入差模为0时的输出电压，G为运放的开环增益，一般很大。由于

IPD1VinViR1，

IFVDDVoVDDVo0GViR3R3 (3)

其中VDD为光耦2脚的电压。由(1)、(3)式得

VinViKVDDVo0GViR11R3

K1R1(VDDVo0)K1R1GViR3VinR3Vi

VR3VinK1R1(VDDVo0)iK1R1GR3 将(4)式代入(3)式可得：

VR3VinK1R1(VDDVo0)DDVo0GIK1R1GR3FVDDVo0GVinR3K1R1GR3 由于G很大，所以有：

IDDVo0GVinFlimVVinGK1R1GR3K1R1 这样，输出与输入电压的关系如下：

VR2outIPD2R2K2IFR2K2KVKR2in3RVin1R11 (4)

(5)

(6)

(7)

R2确定。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、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运放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，考虑到IFmax大有利于能量的传输，因此，一般取IFIFmax。另

外，由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性，考虑IPD1的限制，R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定，例如如果不需要放大，只需取R1R2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、R2：R2=R1=32K。

5. 总结

本文给出了线性光耦的简单介绍以及电路设计、参数选择等使用中的注意事项与参考设计，并对电路的设计方法给出相应的推导与解释，供广大电子工程师参考。