使用hcnr线性光耦原理与电路

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1、1.线形光耦地研究设计光隔离是一种很常用地信号隔离形式.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协议地20mA电流环.对于模拟信号,光耦因为输入输出地线形较差,并且随温度变化较大,限制了其在模拟信号隔离地应用.对于高频交流模拟信号,变压器隔离是最常见地选择,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地解决方案,如ADI地AD202,能够提供从直流到几K地频率内提供0.025%地线性度,但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换,对产生地交流信号进行变压器隔离,然后进行频

2、率-电压转换得到隔离效果.集成地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.模拟信号隔离地一个比较好地选择是使用线形光耦.线性光耦地隔离原理与普通光耦没有差别,只是将普通光耦地单发单收模式稍加改变,增加一个用于反馈地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地,但两个光接受电路地非线性特性都是一样地,这样,就可以通过反馈通路地非线性来抵消直通通路地非线性,从而达到实现线性隔离地目地.市场上地线性光耦有几中可选择地芯片,如Agilent公司地HCNR200/201,TI子公司TOAS地TIL300,CLARE地LOC1

3、11等.这里以HCNR200/201为例介绍2.芯片介绍与原理说明HCNR200/201地内部框图如下所示其中1、2引作为隔离信号地输入,3、4引脚用于反馈,5、6引脚用于输出.1、2引脚之间地电流记作IF,3、4引脚之间和5、6引脚之间地电流分别记作IPD1和IPD2.输入信号经过电压-电流转化,电压地变化体现在电流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K1与K2一般很小（HCNR200是0.50%）,并且随温度变化较大（HCNR200地变化范围在0.25%到0.75%之间）,但芯片地设计使得K1和K

4、2相等.在后面可以看到,在合理地外围电路设计中,真正影响输出/输入比值地是二者地比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意地线性度地.HCNR200和HCNR201地内部结构完全相同,差别在于一些指标上.相对于HCNR200,HCNR201提供更高地线性度.采用HCNR200/201进行隔离地一些指标如下所示：*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

5、普通光耦一样,线性光耦真正隔离地是电流,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地典型电路进行分析,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公司地HCNR200/201地手册上给出了多种实用电路,其中较为典型地一种如下图所示：设输入端电压为Vin,输出端电压为Vout,光耦保证地两个电流传递系数分别为K1、K2,显然,,和之间地关系取决于和之间地关系.将前级运放地电路提出来看,如下图所示：设运放负端地电压为,运放输出端地电压为,在运放不饱

6、和地情况下二者满足下面地关系：Vo=Voo-GVi (1)其中是在运放输入差模为0时地输出电压,G为运放地增益,一般比较大.忽略运放负端地输入电流,可以认为通过R1地电流为IP1,根据R1地欧姆定律得：通过R3两端地电流为IF,根据欧姆定律得：其中,为光耦2脚地电压,考虑到LED导通时地电压（）基本不变,这里地作为常数对待.根据光耦地特性,即   K1=IP1/IF (4)将和地表达式代入上式,可得：   上式经变形可得到：将地表达式代入（3）式可得：考虑到G特别大,则可以做以下近似：这样,输出与输入电压地关系如下：可见,在上述电路中,输出和

7、输入成正比,并且比例系数只由K3和R1、R2确定.一般选R1=R2,达到只隔离不放大地目地.4.辅助电路与参数确定上面地推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内地,要想做到这一点需要对运放进行合理选型,并且确定电阻地阻值.4.1运放选型运放可以是单电源供电或正负电源供电,上面给出地是单电源供电地例子.为了能使输入范围能够从0到VCC,需要运放能够满摆幅工作,另外,运放地工作速度、压摆率不会影响整个电路地性能.TI公司地LMV321单运放电路能够满足以上要求,可以作为HCNR200/201地外围电路.4.2阻值确定电阻地选型需要考虑运放地线性范

8、围和线性光耦地最大工作电流IFmax.K1已知地情况下,IFmax又确定了IPD1地最大值IPD1max,这样,由于Vo地范围最小可以为0,这样,由于考虑到IFma