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2024年4月27日发(作者：饶宛)

线性光耦原理与电路设计

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,

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,

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,

对于模拟信号

,光耦因为输入输出的线

形较差,

形较差

,并且随温度变化较大,

并且随温度变化较大

,限制了其在模拟信号隔离的应用。

限制了其在模拟信号隔离的应用。

对于高频交流模拟信号,

对于高频交流模拟信号

,变压器隔离是最常见的选择,

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,

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

AD202,

能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度

0.025%

的线性度,

的线性度

但这种隔离器件内部先进行电压-

但这种隔离器件内部先进行电压

-频率转换,

频率转换

,对产生的交流信号进行变压器隔离,

对产生的交流信号进行变压器隔离

,然后进行频率-

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,

得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂

,体积大,

体积大

,成本高,

成本高

,不适合大规模应用。

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,

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

增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。

这样,

这样

,虽然两个光接受电

路都是非线性的,

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,

但两个光接受电路的非线性特性都是一样的

,这样,

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,

直通通路的非线性

,从而达到实现线性隔离的目的。

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,

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,C

LARE的LOC111等。这里以HCNR200/201为例介绍

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

的内部框图如下所示

其中1、2引作为隔离

信号的输入,3

信号的输入

,3、

、4引脚用于反馈,5

引脚用于反馈

,5、

、6引脚用于输出。1

引脚用于输出。

1、2引脚之间的电流记作IF,3、

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

IPD2

。输入信号经过电压-

。输入信号经过电压

-电流转化,

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,

成线性关系

,线性系数分别记为K1和K2,即

K2,

即

K1与K2一般很小（HCNR200

一般很小（

HCNR200是0.50%）

0.50%

）,并且随温度变化较大（HCNR200

并且随温度变化较大（

HCNR200的变化范围在0.25%到

0.25%

到0.75%

之间）,

之间）

,但芯片的设计使得K1和K2相等。在后面可以看到,

相等。在后面可以看到

,在合理的外围电路设计中,

在合理的外围电路设计中

,真正影响输出/

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。

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,相对于HCNR200,HCNR201提供更高的

的内部结构完全相同

,差别在于一些指标上。

线性度。