線性光耦介紹
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(jiàn)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Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。這里以HCNR200/201為例介紹。
HCNR201的結(jié)構(gòu)及工作原理
HCNR201光電耦合器是一種由三個(gè)光電元件組成的器件，主要技術(shù)指標(biāo)如下：
具有±5％的傳輸增益誤差和±0．05％的線性誤差；
具有DC～1MHz的帶寬；
絕緣電阻高達(dá)1013Ω，輸入與輸出回路之間的分布電容為0．4pF；
耐壓能力為一分鐘5000V，最大絕緣工作電壓為1414V；
具有0～15V的輸入／輸出范圍。
HCNR201光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中LED為鋁砷化鎵發(fā)光二極管，PD1、PD2是兩個(gè)相鄰匹配的光敏二極管，這種封裝結(jié)構(gòu)決定了每一個(gè)光敏二極管都能從LED得到近似的光照，因而消除了LED的非線性和偏差特性所帶來(lái)的誤差。當(dāng)電流流過(guò)LED時(shí)，LED發(fā)出的光被耦合到PD1與PD2，從而在器件輸出端產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的輸出電流。
圖1 線性光耦hcnr201內(nèi)部結(jié)構(gòu)
在使用時(shí)，可將第3、4輸出端與第1、2輸入端一起接入控制回路，其中第3、4端的光敏二極管起反饋?zhàn)饔?，它可將產(chǎn)生的輸出電流再反饋到第1、2端的LED上，以對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行反饋控制。
工作原理
hcnr201的led、pd1及運(yùn)放a1等組成隔離電路的輸入部分，pd2及運(yùn)放a2等組成隔離電路的輸出部分。設(shè)隔離電路輸入電壓為vin，輸出電壓為vout，led上電流為if，二極管pd1上產(chǎn)生的電流為ipd1，二極管pd2上產(chǎn)生的電流為ipd2，如圖2所示。
圖2 線性光耦hcnr201模擬電壓隔離電路
隔離電路中pd1形成了負(fù)反饋，當(dāng)有電壓vin輸入時(shí)，運(yùn)放a1的輸出使led上有電流if流過(guò)，且輸入電壓的變化體現(xiàn)在電流if上，并驅(qū)動(dòng)led發(fā)光把電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)。led發(fā)出的光被pd1探測(cè)到并產(chǎn)生光電流ipd1。同時(shí)，輸入電壓vin也會(huì)產(chǎn)生電流流過(guò)r1。假定a1是理想運(yùn)放，則沒(méi)有電流流入a1的輸入端，流過(guò)r1的電流將會(huì)流過(guò)pd1到地，因此，ipd1=vin/r1。注意，ipd1只取決于輸入電壓vin和r1的值，與led的光輸出特性無(wú)關(guān)。又因led發(fā)出的光同時(shí)照射在兩個(gè)光敏二極管上，且pd1和pd2完全相同的，理想情況下ipd2應(yīng)該等于ipd1。定義一個(gè)系數(shù)k，有ipd1=kipd2，k約為1±5%（當(dāng)芯片制作完成后隨之確定）。運(yùn)放a2和電阻r2把ipd2轉(zhuǎn)變成輸出電壓vout，有vout=ipd2r2，組合上面的3個(gè)方程得到輸出電壓和輸入電壓關(guān)系：vout/vin=kr2/r1，因此，輸出電壓vout具有穩(wěn)定性和線性，其增益可通過(guò)調(diào)整r2與r1的值來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常取r1和r2的值相同。
隔離電路中電阻r1起限流作用。r3用于控制led的發(fā)光強(qiáng)度，從而對(duì)控制通道增益起一定作用。電容c1、c2為反饋電容，用于提高電路的穩(wěn)定性。運(yùn)算放大器a1的作用是把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)，運(yùn)算放大器a2的作用是把光耦輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并增強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。
線性光耦的使用實(shí)例（一）
在某隨動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，需要用檢測(cè)板對(duì)系統(tǒng)中的各電路板的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以對(duì)工作不正常的電路板給出故障指示，并用單片機(jī)來(lái)處理檢測(cè)結(jié)果。由于實(shí)際工作環(huán)境比較惡劣，為了防止干擾信號(hào)由采集信道進(jìn)入檢測(cè)板及保證單片機(jī)系統(tǒng)工作正常，筆者采用光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。由于光電耦合器的發(fā)光二極管為電流驅(qū)動(dòng)器件，因而應(yīng)以電流環(huán)路的形式進(jìn)行傳送，而且電流環(huán)路是低阻抗電路，它對(duì)噪聲的敏感度較低，因此提高了電路的抗干擾能力。有時(shí)干擾噪聲雖有較大的電壓幅度，但其能量小，所以只能形成微弱的電流，而光電耦合器輸入部分的發(fā)光二極管是在電流狀態(tài)下工作的，只有在通過(guò)一定強(qiáng)度的電流時(shí)才能發(fā)光，因此，即使有很高電壓幅值的干擾，也會(huì)因其所形成的電流大小而被抑制掉。
在實(shí)際檢測(cè)電路的某一采集信道中，如需對(duì)一組差動(dòng)輸入信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，可將電路接成如圖3所示的連接方式。圖中，通過(guò)放大器N1可將輸入的差動(dòng)信號(hào)變?yōu)閱芜呅盘?hào)后輸出。由于二極管V1和V2的作用，當(dāng)輸入信號(hào)為正時(shí)，V2導(dǎo)通，V1截止，放大器N2呈開環(huán)狀態(tài)，光耦N5工作，N4關(guān)斷；而當(dāng)輸入信號(hào)為負(fù)時(shí)，則正好相反。當(dāng)HCNR201的第3、4端的光敏二極管受光后，其輸出信號(hào)將反饋到放大器的輸入端，以提高光耦的線性并減少溫漂。第5、6端輸出的信號(hào)經(jīng)運(yùn)放放大后輸出。電位器RP1的作用是調(diào)節(jié)運(yùn)放輸入偏置電流的大小。電容C2、C3為反饋電容，可用于提高電路的穩(wěn)定性，消除自激振蕩，濾除電路中的毛刺信號(hào)，降低電路的輸出噪聲，其容值可根據(jù)電路的頻率特性來(lái)選取。放大器N6的作用是把光耦輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)以供后級(jí)電路使用，并增強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力，降低輸出阻抗。調(diào)整電阻RP2的值可以調(diào)整信道的增益。
