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一、1. 線形光耦介紹

光隔離是一種很常用的訊號隔離形式。常用光耦器件及其外圍電路組成。由於光耦電路簡單，在數字隔離電路或資料傳輸電路中常常用到，如UART協議的20mA電流環。對於模擬訊號，光耦因為輸入輸出的線形較差，並且隨溫度變化較大，限制了其在模擬訊號隔離的應用。

對於高頻交流模擬訊號，變壓器隔離是最常見的選擇，但對於支流訊號卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬訊號隔離的解決方案，如ADI的AD202，能夠提供從直流到幾K的頻率內提供0.025%的線性度，但這種隔離器件內部先進行電壓-頻率轉換，對產生的交流訊號進行變壓器隔離，然後進行頻率-電壓轉換得到隔離效果。整合的隔離放大器內部電路複雜，體積大，成本高，不適合大規模應用。

模擬訊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單收模式稍加改變，增加一個用於反饋的光接受電路用於反饋。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，從而達到實現線性隔離的目的。

市場上的線性光耦有幾中可選擇的晶片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。這裡以HCNR200/201為例介紹

2. 晶片介紹與原理說明

HCNR200/201的內部框圖如下所示

其中1、2引作為隔離訊號的輸入，3、4引腳用於反饋，5、6引腳用於輸出。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。輸入訊號經過電壓-電流轉化，電壓的變化體現在電流IF上，IPD1和IPD2基本與IF成線性關係，線性係數分別記為K1和K2,即

K1與K2一般很小（HCNR200是0.50%），並且隨溫度變化較大（HCNR200的變化範圍在0.25%到0.75%之間），但晶片的設計使得K1和K2相等。在後面可以看到，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的內部結構完全相同，差別在於一些指標上。相對於HCNR200，HCNR201提供更高的線性度。

採用HCNR200/201進行隔離的一些指標如下所示：

* 線性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；

* 線性係數K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；

* 溫度係數： -65ppm/oC；

* 隔離電壓：1414V；

* 訊號頻寬：直流到大於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：

圖2

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係數分別為K1、K2，顯然，，和之間的關係取決於和之間的關係。

將前級運放的電路提出來看，如下圖所示：

設運放負端的電壓為，運放輸出端的電壓為，在運放不飽和的情況下二者滿足下面的關係：

Vo=Voo-GVi  (1)

其中是在運放輸入差模為0時的輸出電壓，G為運放的增益，一般比較大。

忽略運放負端的輸入電流，可以認為通過R1的電流為IP1，根據R1的歐姆定律得：

通過R3兩端的電流為IF，根據歐姆定律得：

其中,為光耦2腳的電壓，考慮到LED導通時的電壓（）基本不變，這裡的作為常數對待。

根據光耦的特性，即

    K1=IP1/IF  (4)

將和的表示式代入上式，可得：

    上式經變形可得到：

將的表示式代入（3）式可得：

考慮到G特別大，則可以做以下近似：

這樣，輸出與輸入電壓的關係如下：

可見，在上述電路中，輸出和輸入成正比，並且比例係數只由K3和R1、R2確定。一般選R1=R2，達到只隔離不放大的目的。

4. 輔助電路與引數確定

上面的推導都是假定所有電路都是工作線上性範圍內的，要想做到這一點需要對運放進行合理選型，並且確定電阻的阻值。

4.1 運放選型

運放可以是單電源供電或正負電源供電，上面給出的是單電源供電的例子。為了能使輸入範圍能夠從0到VCC，需要運放能夠滿擺幅工作，另外，運放的工作速度、壓擺率不會影響整個電路的效能。TI公司的LMV321單運放電路能夠滿足以上要求，可以作為HCNR200/201的外圍電路。

4.2 阻值確定

電阻的選型需要考慮運放的線性範圍和線性光耦的最大工作電流IFmax。K1已知的情況下，IFmax又確定了IPD1的最大值IPD1max，這樣，由於Vo的範圍最小可以為0.

考慮到IFmax大有利於能量的傳輸，這樣，一般取

另外，由於工作在深度負反饋狀態的運放滿足虛短特性，因此，考慮IPD1的限制，

R2的確定可以根據所需要的放大倍數確定，例如如果不需要方法，只需將R2=R1即可。

另外由於光耦會產生一些高頻的噪聲，通常在R2處並聯電容，構成低通濾波器，具體電容的值由輸入頻率以及噪聲頻率確定。

4.3 引數確定例項

假設確定Vcc=5V，輸入在0-4V之間，輸出等於輸入，採用LMV321運放晶片以及上面電路，下面給出引數確定的過程。

* 確定IFmax：HCNR200/201的手冊上推薦器件工作的25mA左右；

* 確定R3：R3=5V/25mA=200；

* 確定R1：;

* 確定R2：R2=R1=32K。

二、線性光耦在電流取樣中的應用
1引言
在現代電氣測量和控制中，常常需要用低壓器件去測量。控制高電壓。強電流等模擬量，如果模擬量與數字量之間沒有電氣隔離，那麼，高電壓。強電流很容易串入低壓器件，並將其燒燬。線性光耦HCNR200可以較好地實現模擬量與數字量之間的隔離，隔離電壓峰值達8000V;輸出跟隨輸入變化，線性度達0.01％。
2 HCNR200/201簡介
HCNR200型線性光耦的原理如圖1所示。它由發光二極體D1.反饋光電二極體D2.輸出光電二極體D3組成。當D1通過驅動電流I f時，發出紅外光(伺服光通量)。該光分別照射在D2.D3上，反饋光電二極體吸收D2光通量的一部分，從而產生控制電流I 1 (I 1 =0.005I f )。該電流用來調節I f以補償D1的非線性。輸出光電二極體D3產生的輸出電流I 2與D1發出的伺服光通量成線性比例。令伺服電流增益K 1 =I 1 /I f ,正向增益K 2 =I 2 /I f ,則傳輸增益K 3 =K 2 /K 1 =I 2 /I 1 ,K 3的典型值為1。

3電流檢測電路
3.1光電導模式下的電流檢測電路設計
HCNR200工作在光電導模式下的檢測電流電路如圖2所示，訊號為正極性輸入，正極性輸出。隔離電路中，R 1調節初級運算放大器的輸入偏置電流的大小，C 1起反饋作用，同時濾除了電路中的毛刺訊號，避免HCNR200中的鋁砷化鎵發光二極體(LED)受到意外的衝擊。但是，隨著頻率的提高，阻抗將變小，HCNR200的初級電流增大，增益隨之變大，因而，C 1的引入對通道在高頻時的增益有一定影響，雖然減小C 1的值可以拓展頻寬，但是，會影響初級運算放大器的增益，同時，初級運算放大器輸出的較大毛刺訊號不易被濾除。R 3可以控制LED的發光強度，對控制通道增益起一 定作用。

3.2光電壓模式下的電流檢測電路設計
HCNR200工作在光電壓模式下的檢測電流電路如圖3所示，訊號為正極性輸入，正極性輸出。R 1.R 2.R 3.C 1的作用與在光電導模式下的作用基本相同。放大器A1調節電流I f。當輸入電壓V in增加時，I 1增加，同時放大器A1“＋”輸入端電壓增加，促使電流I f增加。由於D1與D2之間的聯絡，I 1就會把“＋”輸入端電壓重新拉回0V,形成負反潰如果放大器A1的輸入電流很小，那麼流經R 1的電流就為V in /R 1 =I 1。顯而易見，I 1與V in之間是線性比例關係。I 1穩定線性變化，I f也穩定線性變化。
因為D3受到D1光照，I 2也跟著穩定線性變化。放大器A2和電阻R 2將I 2轉化成電壓V Out =I 2×R 2。

4運算放大器的選擇
HCNR200/201是電流驅動型器件，其LED的工作電流為1mA～20mA,因此，運算放大器A1的驅動電流也必須達到20mA,能達到這種輸出電流能力的運算放大器輸出級一般為雙極型，因此，選雙極型運算放大器較合適。同時，根據輸入電壓範圍，也要求運算放大器有相應的共模輸入和輸出能力。本設計電路採用單電源供電的HA17324整合運算放大器，其輸出電流可達40mA。
5電阻器的選擇
下面討論光電導模式下電阻器的選擇。
A1組成驅動級的等效電路如圖4所示。圖中，R f是等效反饋電阻器。該等效電路是典型的同相型放大器，故U＋ =U－ ,且U＋ =V in ,因此V in =U－。

由圖2顯而易見，

式中，VD1為D1的正向壓降。
由圖4可見，

故將式(3)代入式(4)

由於器件引數的離散性，I 1近似等於0.005I f ,K 3 =I 2 /I 1≈1,所以，R 1.R 2.R 3尚需在估算值附近調整，力求獲得最佳線性度。

調節後，最佳線性度為220Ω。
6結論
應用線性光耦合器組成的模擬訊號隔離電路的線性度好，電路簡單，有效地解決了模擬訊號與微控制器應用系統的電氣隔離問題。若驅動級。
緩衝級採用組合型運算放大器，可使線性度提高。
HCNR200可以廣泛地應用在需要良好穩定性。線性度和頻寬的模擬訊號隔離場合。採用兩片HCNR200可以工作在雙極性輸入/雙極性輸出模式；同時，還可以工作在交直流電路。變換器的隔離。熱電偶的隔離。
4mA～20mA模擬電流環發射/接收等多種模式下，可廣泛應用在數字通訊。
電壓電流檢測。開關電源。測量和測試工業過程控制等方面。
將該器件用於電機電流測量，電流反饋準確。可靠，在實現電流閉環控制中發揮了作用。

引用網址：http://www.b2b99.com/hyzs/dz/11372.htm

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