线性光耦原理与电路设计

1、线性光耦原理与电路设计2007-03-09 19:03:27 作者：佚名 来源：互联网1.线形光耦介绍 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AD202，能够提供从直流到几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

2、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，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Agile nt公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE 的LOC111等。这里以

3、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PD1CATHGDeLED CATHODELEU ANQOEPD1 AhiODECO FD2 ANODE图表1 HCNR2Q3/2C1去部结的其中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-电流转化，电压的变化体现在电流 IF上，IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，賞I am賞一PD1A. %于子1 / 2 /线性系数分别记为 K1和

4、K2,即' K1与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 :

5、HCNR200 : 15%, HCNR201 :5%; *温度系数：-65ppm/oC; *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，需要在输出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流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。3.典型电路分析Agile nt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下图所示：图2设输入端电压为 Vin，输出端电压为 Vout，光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2，显然

6、，和之间的关系取决于和之间的关系。将前级运放的电路提出来看，如下定律得:图表3 HCNR200/201反馈电路图所示：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)其中是在运放输入差模为 0时的输出电压，G为运放的增益，一般比较大。 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，根据欧姆其中,为光耦2脚的电压，考虑到LED导通时的电压()基本不变，这里的作为常数对待。根据光耦的特性，即K1=IP1/IF (4) 将和 的表达式代入上式， 可得：K_ 地(匕-X) _

7、匕)1 h % - 匕-匕)K(%-%+GX)上式经变形可得到-除)+ KRG叫=RJ - R#R几-k】r&dd-匕°)KRG +尽(3)(6)将的表达式代入可得KR.G 十 7?3GR-GK.R-)1 e '''尸巴&% -匕。讯尹KRG(5q 七)+ Gfi齐:GK屆 -乙)R3KRxG + 尽尽(%弋咛G% R血R& + R貝考 虑到 G 特别大， 则 可以 做 以下近 似：几.lim厶=Um(%网+6叱=企-V 这样，输 出 与 输 入 电 压 的 关 系 如 下 ：Fout = 1勰2 =岛/凤= X” =3 匕！凶1可见，

8、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、R2确定。一般选 R仁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电路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

9、作电流IFmax°K1已知的情况下，IFmax又确定了 IPD1的最大值IPDImax，这样， 由于Vo的范围最小可以为 0，这样，由于 考虑到IFmax大有利于能量的传输，这样，一般 取另外，由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性，因此，考虑IPD1的限制，这样，R2的确定可以根据所需要的放大倍数确定，例如如果不需要方法，只需将R2=R1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

10、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: ; *确定 R2: R2=R仁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。线性光耦隔离电路及其在程控电压源的应用时间:2009-01-14 来源：作者：张永良 李波 点击：2146字体大小：【大中小本文所讨论的线性光耦隔离电路是借助于一般光电耦合器的特性，用偏置法和差分技术设计而成，是用来隔离计算机所输出电压源的数字信号与负载模

11、拟信号之间的干扰。线性光耦隔离电路的设计合器匸«分敵大所设计的线性光耦隔离电路是由两个光电耦合器、两个偏置输入电路和一个差分放大电 路组成，框图如图1所示。宿号 光电1K M入图1因为光电耦合器有其特有的工作线性区，偏置输入是用来调节光电耦合器(1)的输入电流，使其工作在线性区。而光电耦合器(2)和偏置输入(2)通过差分放大电路来耦合光电耦合器(1)的漂移和非线性。差分放大电路还用来得到放大的模拟信号。光耦隔离放大电路采用TLP521-2光电耦合器、LF356普通一路放大器和LF347普通四路放大器。TLP521-2光电耦合器是集成了图1中光电耦合器(1)和(2) , LF356主要

12、用于信号输入前的信号处理，一方面保证光电耦合器工作在线性区，另一方面，对输入信号作简单的放大。LF347则组成差分放大电路。所以光耦隔离放大电路的结构图如图2所示。线性光耦隔离电路的接线原理如图3所示。+VctR5 1疑Y7-U.05VV9R11 45kRIOR12 l.I5kR6 逬至竺+Voc V3-6V? R3 10kR13ViHR49.8k囲3图中，LF356为放大器(1)，中间两个光电耦合器由TLP521-2构成，后面四个放大器由LF347构成。线性光耦隔离电路的工作原理光电耦合器的工作特性TLP521-2光电耦合器是由两个单独的光电耦合器组成。一般来讲，光电耦合器由一个发光二极管和

13、一个光敏器件构成。发光二极管的发光亮度 L与电流成正比，当电流增大到引起结温升高时，发光二极管呈饱和状态，不再在线性工作区。光电二极管的光电流与光照度的关系可用IL x Eu表述。其中，E为光照度，u=1土 0.05，因此，光电流基本上随照度而线性 增大。但一般硅光电二极管的光电流是几十微安，对于光敏三极管，由于其放大系数与集电极电流大小有关，小电流时，放大系数小，所以光敏三极管在低照度时灵敏度低，而在照度 高时，光电流又呈饱和趋势。达不到线性效果。因为不同的光电耦合器有不同的工作线性区，所以，在试验过程中，应该首先找到光电 耦合器的线性区。光电耦合器TLP521-2的电流线性区大约为 110

14、mA。光电耦合器的偏置输入电路可以决定输入它的电流的范围，偏置电路设计的好，可以使 得输入电流在很大范围内变化时，光电耦合器依然工作在线性区。差分放大电路工作原理本电路中差分放大电路采用多运放、可增益、可调零电路。图3中，两个光电耦合器的输出分别通过放大器(2)和(3)输入到放大器(4)的同相端和反相端，再差分放大到输出。 放大器(5)主要是用来调零。其中，光电耦合器(2)的偏置输入电路通过放大电路来补偿光电耦合器(1)的漂移以及非线性部分。 一旦补偿奏效，电路的输出就只与光电耦合器(1)的输入有关。线性光隔离电路在程控电压源中的应用本电路所用输入电压是由PC机给定，该电压由程序控制，并且可调

15、节。通过D/A转换，变成模拟信号后，送到光耦合隔离放大电路的输入端，由隔离放大电路隔离放大后从放大器（5）输出。同时在输出端找一个反馈点，同样通过隔离放大电路和A/D转换返回PC机，通过反馈调整程序，使输出更精确。本实验所要求的 PC机给定电压为0-5V，输出要求达到 0-12V。光耦合隔离电路在程控电压源中应用的框图如图4所示。由于试验的目的是为了得到不受输入影响的精确模拟信号，电路首先要凋零，即在零输 入状态下保证输出为零。调试步骤如下：1. 调节放大器（1）的反相端，使输入电压为零 （即接地）。2. 为保证光电耦合器（1）工作在线性区，调节放大器（1）同相端的输入电压，使输出电压 达到一

16、个线性度较好的工作区。3. 调节光电耦合器（2），使得两个耦合器的输入电流完全相同（因为其电流工作特I生），从而使得输出电流也近似相同（因为电子元器件本身的误差，不可能完全相同）。4. 调节放大器（2）和（3）的正相输入电压，使两者相等。这样，在放大器（4）的输出端可以得到一个接近零的输出（也不能完全为零）。R12为放大倍数调节电阻。5. 调节R17使得放大器 输出端电压为零，即 PR17为调零电阻。6. 根据所给输入电压 Vin调节放大倍数，得到所需电压Vout。通过试验及调试，得到一组线性度很好的数据。调试中应注意的问题1. 电路中所有+Vcc均为+12V，-Vcc均为-12V，GND为地

17、，但光电耦合器左右两边用 两套电源，以避免信号干扰。2. 对单个放大器而言，在调试时，尽量让输出电压在12V以下。3. 光电耦合器的输入电流应在210mA为宜（这是光电耦合器的线性区，电流太大或太小都会偏离线性区），本实验采用6.17mA（0V输入时）。且当输入电压Vin从0 5V改变时，光电耦合器（1）的输入电流应尽量在一个较小的范围内变化，这样可以尽可能保证输入电流在光电耦合器的线性区内变化。4. 电压放大过程实际由两部分组成，第一部分为放大器（1），第二部分为后四个放大器组成的集成运放块。结束语研究结果表明，上述光耦隔离放大电路可用于多种模拟信号的隔离，尤其是隔离数字信 号对模拟信号的干扰。它的优点主要体现在体积小、寿命长、价格便宜、输入与输出之间绝 缘、单向传输信号，且工作频率可以高达上