線性光耦原理與電路設(shè)計(jì)

1、線性光耦原理與電路設(shè)計(jì)2007-03-09 19:03:27 作者：佚名 來(lái)源：互聯(lián)網(wǎng) 1.線形光耦介紹 光隔離是一種很常用的信號(hào)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(jiǎn)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(duì)于模擬信號(hào)，光耦因?yàn)檩斎胼敵龅木€形較差，并且隨溫度變化較大，限制了其在 模擬信號(hào)隔離的應(yīng)用。對(duì)于高頻交流模擬信號(hào)，變壓器隔離是最常見的選擇，但對(duì)于支流信號(hào)卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號(hào)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(jìn)行電壓-頻率轉(zhuǎn)換，對(duì)產(chǎn)生

2、的交流信號(hào)進(jìn)行變壓器隔離，然后進(jìn)行頻率-電壓轉(zhuǎn)換得到隔離效果。集成的隔離放大器內(nèi)部電路復(fù)雜，體積大，成本高，不適合大規(guī)模應(yīng)用。模擬信號(hào)隔離的一個(gè)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(méi)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(gè)用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個(gè)光接受電路都是非線性的，但兩個(gè)光接受電路的非線性特性都是一樣的，這樣，就可以通過(guò)反饋通路的非線性來(lái)抵消直通通路的非線性，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)線性隔離的目的。市場(chǎng)上的線性光耦有幾中可選擇的芯片，如Agile nt公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE 的LOC111等。這里

3、以HCNR200/201 為 例介紹 2.芯片介紹與原 理說(shuō)明HCNR200/201的 內(nèi) 部 框 圖 如 下 所 示PD1CATHGDeLED CATHODELEU ANQOEPD1 AhiODECO FD2 ANODE圖表1 HCNR2Q3/2C1去部結(jié)的其中1、2引作為隔離信號(hào)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(hào) 經(jīng)過(guò)電壓-電流轉(zhuǎn)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(guān)系，賞I am賞一PD1A. %于子1 / 2 /線性系數(shù)分別記為 K1

4、和K2,即' K1與K2 一般很?。℉CNR200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(shè)計(jì)使得 K1和K2相等。在后面可以看到，在合理的外圍電路設(shè)計(jì)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(dá)到滿意的線性度的。HCNR200和HCNR201的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，差別在于一些指標(biāo)上。相對(duì)于HCNR200 ,HCNR201提供更高的線性度。采用HCNR200/201進(jìn)行隔離的一些指標(biāo)如下所示：*線性度：HCNR200 : 0.25%, HCNR201 : 0.05%; * 線性系數(shù) K3 :

5、 HCNR200 : 15%, HCNR201 :5%; *溫度系數(shù)：-65ppm/oC; *隔離電壓：1414V; *信號(hào)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(yùn)算放大器等輔助電路。下面對(duì)HCNR200/201的典型電路進(jìn)行分析，對(duì)電路中如何實(shí)現(xiàn)反饋以及電流-電壓、電壓-電流轉(zhuǎn)換進(jìn)行推導(dǎo)與說(shuō)明。3.典型電路分析Agile nt公司的HCNR200/201的手冊(cè)上給出了多種實(shí)用電路，其中較為典型的一種如下圖所示：圖2設(shè)輸入端電壓為 Vin，輸出端電壓為 Vout，光耦保證的兩個(gè)電流傳遞系數(shù)分別為K1、K2，顯

6、然，和之間的關(guān)系取決于和之間的關(guān)系。將前級(jí)運(yùn)放的電路提出來(lái)看，如下定律得:圖表3 HCNR200/201反饋電路圖所示：設(shè)運(yùn)放負(fù)端的電壓為，運(yùn)放輸出端的電壓為，在運(yùn)放不飽和的情況下二者滿足下面的關(guān)系： Vo=Voo-GVi (1)其中是在運(yùn)放輸入差模為 0時(shí)的輸出電壓，G為運(yùn)放的增益，一般比較大。 忽略運(yùn)放 負(fù)端的輸入電流，可以認(rèn)為通過(guò)R1的電流為IP1，根據(jù)R1的歐姆定律得：(2)通過(guò)R3兩端的電流為IF，根據(jù)歐姆其中,為光耦2腳的電壓，考慮到LED導(dǎo)通時(shí)的電壓()基本不變，這里的作為常數(shù)對(duì)待。根據(jù)光耦的特性，即K1=IP1/IF (4) 將和 的表達(dá)式代入上式， 可得：K_ 地(匕-X)

7、_匕)1 h % - 匕-匕)K(%-%+GX)上式經(jīng)變形可得到-除)+ KRG叫=RJ - R#R幾-k】r&dd-匕°)KRG +盡(3)(6)將的表達(dá)式代入可得KR.G 十 7?3GR-GK.R-)1 e '''尸巴&% -匕。訊尹KRG(5q 七)+ Gfi齊:GK屆 -乙)R3KRxG + 盡盡(%弋嚀G% R血R& + R貝考 慮到 G 特別大， 則 可以 做 以下近 似：幾.lim厶=Um(%網(wǎng)+6叱=企-V 這樣，輸 出 與 輸 入 電 壓 的 關(guān) 系 如 下 ：Fout = 1勰2 =島/鳳= X” =3 匕！兇1可見

8、，在上述電路中，輸出和輸入成正比，并且比例系數(shù)只由K3和R1、R2確定。一般選 R仁R2,達(dá)到只隔離不放大的目的。4.輔助電路與參數(shù)確定 上面的推導(dǎo)都是假定所有電路都是工作在線性范圍內(nèi)的，要想做到這一點(diǎn)需要對(duì)運(yùn)放進(jìn)行合理選型，并且確定電阻的阻值。4.1運(yùn)放選型 運(yùn)放可以是單電源供電或正負(fù)電源供電，上面給出的是單電源供電的例子。為了能 使輸入范圍能夠從 0到VCC，需要運(yùn)放能夠滿擺幅工作，另外，運(yùn)放的工作速度、壓擺率 不會(huì)影響整個(gè)電路的性能。TI公司的LMV321單運(yùn)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(yùn)放的線性范圍和線性光耦 的最大

9、工作電流IFmax°K1已知的情況下，IFmax又確定了 IPD1的最大值IPDImax，這樣， 由于Vo的范圍最小可以為 0，這樣，由于 考慮到IFmax大有利于能量的傳輸，這樣，一般 取另外，由于工作在深度負(fù)反饋狀態(tài)的運(yùn)放滿足虛短特性，因此，考慮IPD1的限制，這樣，R2的確定可以根據(jù)所需要的放大倍數(shù)確定，例如如果不需要方法，只需將R2=R1即可。另外由于光耦會(huì)產(chǎn)生一些高頻的噪聲，通常在 R2處并聯(lián)電容，構(gòu)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。4.3參數(shù)確定實(shí)例假設(shè)確定Vcc=5V，輸入在0-4V之間，輸出等于輸入，采用LMV321運(yùn)放芯片以及上面電路，下面給出

10、參數(shù)確定的過(guò)程。*確定IFmax: HCNR200/201的手冊(cè)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=R仁32K。5.總結(jié)本文給出了線性光耦的簡(jiǎn)單介紹以及電路設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇等使用中的注意事項(xiàng)與參考設(shè)計(jì)，并對(duì)電路的設(shè)計(jì)方法給出相應(yīng)的推導(dǎo)與解釋，供廣大電子工程師參考。線性光耦隔離電路及其在程控電壓源的應(yīng)用時(shí)間:2009-01-14 來(lái)源：作者：張永良 李波 點(diǎn)擊：2146字體大小：【大中小本文所討論的線性光耦隔離電路是借助于一般光電耦合器的特性，用偏置法和差分技術(shù)設(shè)計(jì)而成，是用來(lái)隔離計(jì)算機(jī)所輸出電壓源的數(shù)字信號(hào)與負(fù)載

11、模擬信號(hào)之間的干擾。線性光耦隔離電路的設(shè)計(jì)合器匸«分?jǐn)炒笏O(shè)計(jì)的線性光耦隔離電路是由兩個(gè)光電耦合器、兩個(gè)偏置輸入電路和一個(gè)差分放大電 路組成，框圖如圖1所示。宿號(hào) 光電1K M入圖1因?yàn)楣怆婑詈掀饔衅涮赜械墓ぷ骶€性區(qū)，偏置輸入是用來(lái)調(diào)節(jié)光電耦合器(1)的輸入電流，使其工作在線性區(qū)。而光電耦合器(2)和偏置輸入(2)通過(guò)差分放大電路來(lái)耦合光電耦合器(1)的漂移和非線性。差分放大電路還用來(lái)得到放大的模擬信號(hào)。光耦隔離放大電路采用TLP521-2光電耦合器、LF356普通一路放大器和LF347普通四路放大器。TLP521-2光電耦合器是集成了圖1中光電耦合器(1)和(2) , LF356主

12、要用于信號(hào)輸入前的信號(hào)處理，一方面保證光電耦合器工作在線性區(qū)，另一方面，對(duì)輸入信號(hào)作簡(jiǎn)單的放大。LF347則組成差分放大電路。所以光耦隔離放大電路的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。線性光耦隔離電路的接線原理如圖3所示。+VctR5 1疑Y7-U.05VV9R11 45kRIOR12 l.I5kR6 逬至竺+Voc V3-6V? R3 10kR13ViHR49.8k囲3圖中，LF356為放大器(1)，中間兩個(gè)光電耦合器由TLP521-2構(gòu)成，后面四個(gè)放大器由LF347構(gòu)成。線性光耦隔離電路的工作原理光電耦合器的工作特性TLP521-2光電耦合器是由兩個(gè)單獨(dú)的光電耦合器組成。一般來(lái)講，光電耦合器由一個(gè)發(fā)光二極管

13、和一個(gè)光敏器件構(gòu)成。發(fā)光二極管的發(fā)光亮度 L與電流成正比，當(dāng)電流增大到引起結(jié)溫升高時(shí)，發(fā)光二極管呈飽和狀態(tài)，不再在線性工作區(qū)。光電二極管的光電流與光照度的關(guān)系可用IL x Eu表述。其中，E為光照度，u=1土 0.05，因此，光電流基本上隨照度而線性 增大。但一般硅光電二極管的光電流是幾十微安，對(duì)于光敏三極管，由于其放大系數(shù)與集電極電流大小有關(guān)，小電流時(shí)，放大系數(shù)小，所以光敏三極管在低照度時(shí)靈敏度低，而在照度 高時(shí)，光電流又呈飽和趨勢(shì)。達(dá)不到線性效果。因?yàn)椴煌墓怆婑詈掀饔胁煌墓ぷ骶€性區(qū)，所以，在試驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)該首先找到光電 耦合器的線性區(qū)。光電耦合器TLP521-2的電流線性區(qū)大約為 11

14、0mA。光電耦合器的偏置輸入電路可以決定輸入它的電流的范圍，偏置電路設(shè)計(jì)的好，可以使 得輸入電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，光電耦合器依然工作在線性區(qū)。差分放大電路工作原理本電路中差分放大電路采用多運(yùn)放、可增益、可調(diào)零電路。圖3中，兩個(gè)光電耦合器的輸出分別通過(guò)放大器(2)和(3)輸入到放大器(4)的同相端和反相端，再差分放大到輸出。 放大器(5)主要是用來(lái)調(diào)零。其中，光電耦合器(2)的偏置輸入電路通過(guò)放大電路來(lái)補(bǔ)償光電耦合器(1)的漂移以及非線性部分。 一旦補(bǔ)償奏效，電路的輸出就只與光電耦合器(1)的輸入有關(guān)。線性光隔離電路在程控電壓源中的應(yīng)用本電路所用輸入電壓是由PC機(jī)給定，該電壓由程序控制，并且可

15、調(diào)節(jié)。通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，變成模擬信號(hào)后，送到光耦合隔離放大電路的輸入端，由隔離放大電路隔離放大后從放大器（5）輸出。同時(shí)在輸出端找一個(gè)反饋點(diǎn)，同樣通過(guò)隔離放大電路和A/D轉(zhuǎn)換返回PC機(jī)，通過(guò)反饋調(diào)整程序，使輸出更精確。本實(shí)驗(yàn)所要求的 PC機(jī)給定電壓為0-5V，輸出要求達(dá)到 0-12V。光耦合隔離電路在程控電壓源中應(yīng)用的框圖如圖4所示。由于試驗(yàn)的目的是為了得到不受輸入影響的精確模擬信號(hào)，電路首先要凋零，即在零輸 入狀態(tài)下保證輸出為零。調(diào)試步驟如下：1. 調(diào)節(jié)放大器（1）的反相端，使輸入電壓為零 （即接地）。2. 為保證光電耦合器（1）工作在線性區(qū)，調(diào)節(jié)放大器（1）同相端的輸入電壓，使輸出電壓 達(dá)到

16、一個(gè)線性度較好的工作區(qū)。3. 調(diào)節(jié)光電耦合器（2），使得兩個(gè)耦合器的輸入電流完全相同（因?yàn)槠潆娏鞴ぷ魈豂生），從而使得輸出電流也近似相同（因?yàn)殡娮釉骷旧淼恼`差，不可能完全相同）。4. 調(diào)節(jié)放大器（2）和（3）的正相輸入電壓，使兩者相等。這樣，在放大器（4）的輸出端可以得到一個(gè)接近零的輸出（也不能完全為零）。R12為放大倍數(shù)調(diào)節(jié)電阻。5. 調(diào)節(jié)R17使得放大器 輸出端電壓為零，即 PR17為調(diào)零電阻。6. 根據(jù)所給輸入電壓 Vin調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，得到所需電壓Vout。通過(guò)試驗(yàn)及調(diào)試，得到一組線性度很好的數(shù)據(jù)。調(diào)試中應(yīng)注意的問(wèn)題1. 電路中所有+Vcc均為+12V，-Vcc均為-12V，GND為

17、地，但光電耦合器左右兩邊用 兩套電源，以避免信號(hào)干擾。2. 對(duì)單個(gè)放大器而言，在調(diào)試時(shí)，盡量讓輸出電壓在12V以下。3. 光電耦合器的輸入電流應(yīng)在210mA為宜（這是光電耦合器的線性區(qū)，電流太大或太小都會(huì)偏離線性區(qū)），本實(shí)驗(yàn)采用6.17mA（0V輸入時(shí)）。且當(dāng)輸入電壓Vin從0 5V改變時(shí)，光電耦合器（1）的輸入電流應(yīng)盡量在一個(gè)較小的范圍內(nèi)變化，這樣可以盡可能保證輸入電流在光電耦合器的線性區(qū)內(nèi)變化。4. 電壓放大過(guò)程實(shí)際由兩部分組成，第一部分為放大器（1），第二部分為后四個(gè)放大器組成的集成運(yùn)放塊。結(jié)束語(yǔ)研究結(jié)果表明，上述光耦隔離放大電路可用于多種模擬信號(hào)的隔離，尤其是隔離數(shù)字信 號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾。它的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在體積小、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜、輸入與輸出之間絕 緣、單向傳輸信號(hào)，且工作頻率可以高達(dá)上