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,在数字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,光耦因为输入输出的线形较差,并且随温度变化较大,限制了其在模拟信号隔离的应用。
对于高频交流模拟信号,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,如adi的ad202,能够提供从直流到几k的频率内提供0.025%的线性度,但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换,对产生的交流信号进行变压器隔离,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,体积大,成本高,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,增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样,虽然两个光接受电路都是非线性的,但两个光接受电路的非线性特性都是一样的,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,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,如agilent公司的hcnr200/201,ti子公司toas的til300,clare的loc111等。这里以hcnr200/201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
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其中1、2引作为隔离信号的输入,3、4引脚用于反馈,5、6引脚用于输出。1、2引脚之间的电流记作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-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,线性系数分别记为k1和k2,即
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k1与k2一般很小（hcnr200是0.50%）,并且随温度变化较大（hcnr200的变化范围在0.25%到0.75%之间）,但芯片的设计使得k1和k2相等。在后面可以看到,在合理的外围电路设计中,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。
hcnr200和hcnr201的内部结构完全相同,差别在于一些指标上。相对于hcnr200,hcnr201提供更高的线性度。
采用hcnr200/201进行隔离的一些指标如下所示：
* 线性度：hcnr200：0.25%,hcnr201：0.05%;
* 线性系数k3：hcnr200：15%,hcnr201：5%;
* 温度系数： -65ppm/oc;
* 隔离电压：1414v;
* 信号带宽：直流到大于1mhz。
从上面可以看出,和普通光耦一样,线性光耦真正隔离的是电流,要想真正隔离电压,需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。下面对hcnr200/201的典型电路进行分析,对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。
3. 典型电路分析
agilent公司的hcnr200/201的手册上给出了多种实用电路,其中较为典型的一种如下图所示：
图2
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设输入端电压为vin,输出端电压为vout,光耦保证的两个电流传递系数分别为k1、k2,显然,,和之间的关系取决于和之间的关系。
将前级运放的电路提出来看,如下图所示：
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设运放负端的电压为,运放输出端的电压为,在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系：
vo=voo-gvi(1)
其中是在运放输入差模为0时的输出电压,g为运放的增益,一般比较大。
忽略运放负端的输入电流,可以认为通过r1的电流为ip1,根据r1的欧姆定律得：
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通过r3两端的电流为if,根据欧姆定律得：
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其中,为光耦2脚的电压,考虑到led导通时的电压（）基本不变,这里的作为常数对待。
根据光耦的特性,即
k1=ip1/if(4)
将和的表达式代入上式,可得：
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上式经变形可得到：
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将的表达式代入（3）式可得：
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考虑到g特别大,则可以做以下近似：
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这样,输出与输入电压的关系如下：
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