線性光耦介紹
光隔離是一種很常用的信號隔離形式。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)。對于模擬信號，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隔離的應(yīng)用。
對于高頻交流模擬信號，變壓器隔離是最常見的選擇，但對于支流信號卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案，如ADI的AD202，能夠提供從直流到幾K的頻率內(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，對產(chǎn)生的交流信號進(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(fā)單收模式稍加改變，增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。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(dá)到實(shí)現(xiàn)線性隔離的目的。
市場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是兩個相鄰匹配的光敏二極管，這種封裝結(jié)構(gòu)決定了每一個光敏二極管都能從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的誤差。當(dāng)電流流過LED時，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，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，以對輸入信號進(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，運(yùn)放a1的輸出使led上有電流if流過，且輸入電壓的變化體現(xiàn)在電流if上，并驅(qū)動led發(fā)光把電信號轉(zhuǎn)變成光信號。led發(fā)出的光被pd1探測到并產(chǎn)生光電流ipd1。同時，輸入電壓vin也會產(chǎn)生電流流過r1。假定a1是理想運(yùn)放，則沒有電流流入a1的輸入端，流過r1的電流將會流過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的光輸出特性無關(guān)。又因led發(fā)出的光同時照射在兩個光敏二極管上，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，其增益可通過調(diào)整r2與r1的值來實(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轉(zhuǎn)變成電流信號，運(yùn)算放大器a2的作用是把光耦輸出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?，并增?qiáng)負(fù)載驅(qū)動能力。
線性光耦的使用實(shí)例（一）
在某隨動檢測系統(tǒng)中，需要用檢測板對系統(tǒng)中的各電路板的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，以對工作不正常的電路板給出故障指示，并用單片機(jī)來處理檢測結(jié)果。由于實(shí)際工作環(huán)境比較惡劣，為了防止干擾信號由采集信道進(jìn)入檢測板及保證單片機(jī)系統(tǒng)工作正常，筆者采用光電耦合器來實(shí)現(xiàn)信號的傳輸。由于光電耦合器的發(fā)光二極管為電流驅(qū)動器件，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，它對噪聲的敏感度較低，因此提高了電路的抗干擾能力。有時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，只有在通過一定強(qiáng)度的電流時才能發(fā)光，因此，即使有很高電壓幅值的干擾，也會因其所形成的電流大小而被抑制掉。
在實(shí)際檢測電路的某一采集信道中，如需對一組差動輸入信號進(jìn)行檢測，可將電路接成如圖3所示的連接方式。圖中，通過放大器N1可將輸入的差動信號變?yōu)閱芜呅盘柡筝敵?。由于二極管V1和V2的作用，當(dāng)輸入信號為正時，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)輸入信號為負(fù)時，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，降低電路的輸出噪聲，其容值可根據(jù)電路的頻率特性來選取。放大器N6的作用是把光耦輸出的電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘栆怨┖蠹夒娐肥褂?，并增?qiáng)負(fù)載驅(qū)動能力，降低輸出阻抗。調(diào)整電阻RP2的值可以調(diào)整信道的增益。
線性光耦的使用實(shí)例（二）
設(shè)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系數(shù)分別為K1、K2，顯然，，和之間的關(guān)系取決于和之間的關(guān)系。
將前級運(yùn)放的電路提出來看，如下圖所示：
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R1的電流為IP1，根據(jù)R1的歐姆定律得：
其中，為光耦2腳的電壓，考慮到LED導(dǎo)通時的電壓（）基本不變，這里的作為常數(shù)對待。
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：
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)需要對運(yùn)放進(jìn)行合理選型，并且確定電阻的阻值。
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、壓擺率不會影響整個電路的性能.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。
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，由于Vo的范圍最小可以為0，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。
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，下面給出參數(shù)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.
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