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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
的
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
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
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
和
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
和
K2,即
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），½芯片的设计½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
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
和
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
到
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
为
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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