文明 鄧紅超 董浩（第七二六研究所，上海，201108）

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一種模擬信號的光電隔離電路

文明 鄧紅超 董浩
（第七二六研究所，上海，201108）

摘要介紹了一種基于線性光耦器件的模擬信號光電隔離電路，給出了光伏和光導兩種工作方式下的原理、電路圖、測試數(shù)據(jù)和應用注意事項。該電路廣泛應用于功率放大電路中電壓、電流的隔離檢測中。

關(guān)鍵詞線性光耦；隔離檢測；HCNR201

所謂光電效應是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應[1]。光照射在半導體材料上產(chǎn)生的光電效應可分兩種：光電導效應和光生伏特效應。前者指半導體受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對，使導電能力增強?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻和反相偏置工作的光敏二極管與三極管。光生伏特效應是光照引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的效應。PN結(jié)可以像電池那樣為外電路提供能量，因此常稱為光電池。

1線性光耦原理

相對于電容耦合隔離放大器（如ISO124）和磁隔離放大器（如AD215），由于線性光耦內(nèi)部的LED和兩個光電二極管都是可達的，因此具有更好的靈活性，能夠在帶寬、精度和價格上作出折中。而且，線性光耦可應用與單電源或雙電源供電的系統(tǒng)中。

AVAGO公司的高線性度線性光耦器件HCNR201由高性能AlGaAs LED和兩個匹配的光敏二極管組成，其外形和內(nèi)部原理如圖1所示[2]。

圖1　HCNR201引腳圖

輸入側(cè)的光敏二極管PD1用以監(jiān)測LED的光強，并使其保持穩(wěn)定，還消除了LED的非線性和溫漂特性。輸出側(cè)的光敏二極管PD2產(chǎn)生的光電流也正比于LED產(chǎn)生的光照強度。通過IC設(shè)計，使得這兩個光敏二極管接收到來自LED的光強基本相等，即IPD2= IPD1。

線性光耦有兩種工作模式：光伏模式（Photovoltalic mode）和光導模式（Photoconductive mode）。光伏模式具有較好的線性度，但是帶寬較??；光導模式具有很大的帶寬。Clair公司的LOC111 與HCNR201引腳兼容，其在光伏模式下帶寬達40 kHz，光導模式下帶寬可達200 kHz[3]。HCNR201在光導模式下帶寬能達1 MHz。

2 線性光耦的光伏工作模式

線性光耦的光伏工作模式電路見圖2。運放N1B調(diào)節(jié)LED電流ILED，產(chǎn)生光電流IPD1，使N1B的反相輸入端保持在0 V。工作原理如下：當輸入電壓升高時，會使N1B反相輸入端的電壓有升高的趨勢，N1B將其放大后，會使ILED和IPD1增加，而IPD1的增加會使N1B的反相輸入端電壓降低，并使其保持在0 V。

根據(jù)運放虛斷原理，所有流經(jīng)R5的電流都流過PD1，因此有如下關(guān)系：

從上式可知，IPD1僅由輸入電壓VIN和輸入電阻R5確定，與LED的光照強度無關(guān)。當LED光照強度發(fā)生漂移時，N1B會調(diào)節(jié)ILED，使IPD1保持穩(wěn)定。因此IPD1與輸入電壓VIN保持較好的線性關(guān)系。

由于LED發(fā)出的光同時射到PD1和PD2，因此輸出端的IPD2也將保持穩(wěn)定。N3A與R7形成跨阻放大器，將IPD1轉(zhuǎn)換成輸出電壓VOUT，有如下關(guān)系：

可見，VOUT和VIN保持線性關(guān)系并與LED的輸出無關(guān)。K3＝1±0.05，典型溫漂為?65 ppm/℃，K3為光耦傳輸增益。圖3為線性光耦測試數(shù)據(jù)，供電電壓為5 V。測試儀器為DH1718E-4穩(wěn)壓源兩臺，F(xiàn)LUKE45、Agilent 34410A數(shù)字萬用表各一臺。

圖2　光伏模式下的隔離電路

圖3　光伏模式下隔離電路的輸出—輸入電壓曲線

由圖3可見，電路輸出與輸入保持了較好的線性關(guān)系。另外，經(jīng)測試，該隔離電路的帶寬為1.3 kHz，頻率響應曲線如圖4所示。

圖4　光伏模式下隔離電路的頻響曲線

當電路輸出飽和時（圖中圓圈所示），該隔離電路的輸出溫漂較明顯。用熱風槍距離電路板10 cm對其進行加熱，調(diào)節(jié)熱風槍溫度，記錄輸出電壓的變化。測試結(jié)果如表1。

表1　隔離電路輸出飽和時輸出電壓與溫度關(guān)系

可見，輸出飽和時該電路溫漂超過了20%，這是由于運放的飽和輸出電壓隨環(huán)境溫度的升高而減小造成的。將輸入電壓調(diào)至3 V時再測試，發(fā)現(xiàn)基本無溫漂，因此工作時要避免電路進入飽和區(qū)域。

3線性光耦的光導工作模式

線性光耦的光導工作模式電路見圖5。運放N4B調(diào)節(jié)LED電流ILED，產(chǎn)生光電流IPD1，使N1B的反相輸入端與同相輸入端保持同一電平。工作原理如下：當輸入電壓升高時，N4B將其放大后，使輸出端的電壓升高，因ILED和IPD1增加，而IPD1的增加會使N1B的反相輸入端電壓升高，并使其電壓隨輸入電壓變化。

根據(jù)運放虛短原理，N4B的反相輸入端電壓與同相輸入端電壓相等，因此有：

從上式可知，IPD1僅由輸入電壓VIN和輸入電阻R8確定，與LED的光照強度無關(guān)。當LED光照強度發(fā)生漂移時，N1B會調(diào)節(jié)ILED，使IPD1保持穩(wěn)定。因此IPD1與輸入電壓VIN保持較好的線性關(guān)系。

在輸出端，PD2產(chǎn)生的光電流IPD2在R12產(chǎn)生壓降，經(jīng)N6A形成的跟隨器輸出，輸出電壓為：

圖5　光導模式下的隔離電路

圖6為線性光耦測試數(shù)據(jù)，供電電壓均為5 V。測試儀器為DH1718E-4穩(wěn)壓源兩臺，GW SFG-2104信號源一臺，Tektronix TDS2012示波器一臺。使信號源輸出正弦信號，信號峰峰值4 Vpp，（1.414Vrms.ac），直流偏置2 V，示波器分別對隔離電路的交流輸入和輸出電壓進行測試。從測試數(shù)據(jù)可以看出，光導模式下，該隔離電路的帶寬為160 kHz，通過調(diào)節(jié)電路參數(shù)R8、C11和R12，帶寬可?

圖6　光導模式下隔離電路頻響曲線

4 線性光耦應用注意事項

光隔離電路在應用時應該注意以下幾點，才能使其達到最佳性能：

通過合適的器件選型和電路參數(shù)技術(shù)，該線性光電隔離電路能達到較高的線性度和較寬的帶寬，適合對中頻的電壓、電流等信號進行高精度的隔離檢測。

參考文獻：

[1] 賈伯年,俞樸.傳感器技術(shù)[M].南京: 東南大學出版社,1992.

[2] AVAGO.HCNR200 and HCNR201,high-linearity analog optocouplers[M]. 2008.

[3] CLARE. LOC111 datasheet[M]. 2002.