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线性光耦原理与电路设计

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标签: 光耦

光耦

线性光耦原理与电路设计线性光耦原理与电路设计

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线性光耦原理与电路设计
[日期:2005-7-28]
来源:21IC 中½电子½
½者:½名
[字½:大 中 小]
1.
线½光耦介绍
光隔离是一种很常用的信号隔离½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½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,½对于支流信号却不适用。一
些厂家提供隔离放大器½为模拟信号隔离的解决方案,如
ADI
AD202,½够提供从直流
到几
K
的频率内提供
0.025%的线性度,½这种隔离器件内部先进行电压-频率½换,对产
生的交流信号进行变压器隔离,然后进行频率-电压½换得到隔离效果。集成的隔离放大器
内部电路复杂,½积大,成本高,不适合大规模应用。
模拟信号隔离的一个比较½的选择是½用线½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,½然两个光接受电路½是非线性的,½两个光接受电路的非线性特性½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
TIL300,CLARE
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
其中
1、2
引½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½
IF,3、4
引脚之间和
5、6
引脚之间的电流分别记½
IPD1
IPD2。输
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入信号经过电压-电流½化,电压的变化½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
K2,即
K1
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),½芯片的设计½得 K1
K2
相等。在后面可以看到,在合
理的外围电路设计中,
真正½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½达到满意的线性度的。
HCNR200
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½: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½实现反馈以及电流-电压、电压-电流½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:
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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:
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。
½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:
通过
R3
两端的电流为
IF,根据欧姆定律得:
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½为常数对
待。
根据光耦的特性,即
K1=IP1/IF (4)
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将和的表达式代入上式,可得:
上式经变½可得到:
将的表达式代入(3)式可得:
考虑到
G
特别大,则可以做以下近似:
这样,输出与输入电压的关系如下:
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可见,在上述电路中,输出和输入成正比,并且比例系数只由
K3
R1、R2
确定。
一般选
R1=R2,达到只隔离不放大的目的。
4.
辅助电路与参数确定
上面的推导½是假定所有电路½是工½在线性范围内的,
要想做到这一点需要对运放
进行合理选型,并且确定电阻的阻值。
4.1
运放选型
运放可以是单电源供电或正负电源供电,上面给出的是单电源供电的例子。为了½½
输入范围½够从
0
VCC,需要运放½够满摆幅工½,另外,运放的工½速度、压
摆率不会½响整个电路的性½。TI 公司的
LMV321
单运放电路½够满足以上要求,
可以½为
HCNR200/201
的外围电路。
4.2
阻值确定
电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工½电流
IFmax。K1
已知的
情况下,IFmax 又确定了
IPD1
的最大值
IPD1max,这样,由于 Vo
的范围最小可以
0,这样,由于
考虑到
IFmax
大有利于½量的传输,这样,一般取
另外,由于工½在深度负反馈状态的运放满足虚短特性,因此,考虑
IPD1
的限制,
这样,R2 的确定可以根据所需要的放大倍数确定,例如如果不需要方法,只需将
R2=R1
即可。另外由于光耦会产生一些高频的噪声,通常在
R2
处并联电容,构成½
通滤波器,具½电容的值由输入频率以及噪声频率确定。
4.3
参数确定实例
假设确定
Vcc=5V,输入在 0-4V
之间,输出等于输入,采用
LMV321
运放芯片以及
上面电路,下面给出参数确定的过程。
*
确定
IFmax:HCNR200/201
的手册上推荐器件工½的
25mA
左右;
*
确定
R3:R3=5V/25mA=200;
*
确定
R1:;
*
确定
R2:R2=R1=32K。
5.
总结
本文给出了线性光耦的简单介绍以及电路设计、参数选择等½用中的注意事项与参考设
计,并对电路的设计方法给出相应的推导与解释,供广大电子工程师参考。
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