一種模擬信號(hào)的光電隔離電路

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(hào)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(hào)光電隔離電路，給出了光伏和光導(dǎo)兩種工作方式下的原理、電路圖、測(cè)試數(shù)據(jù)和應(yīng)用注意事項(xiàng)。該電路廣泛應(yīng)用于功率放大電路中電壓、電流的隔離檢測(cè)中。

關(guān)鍵詞線性光耦；隔離檢測(cè)；HCNR201

所謂光電效應(yīng)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(yīng)[1]。光照射在半導(dǎo)體材料上產(chǎn)生的光電效應(yīng)可分兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。前者指半導(dǎo)體受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使導(dǎo)電能力增強(qiáng)。基于這種效應(yīng)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(yīng)是光照引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。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(duì)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(gè)光電二極管都是可達(dá)的，因此具有更好的靈活性，能夠在帶寬、精度和價(jià)格上作出折中。而且，線性光耦可應(yīng)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(gè)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(cè)LED的光強(qiáng)，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(qiáng)度。通過(guò)IC設(shè)計(jì)，使得這兩個(gè)光敏二極管接收到來(lái)自LED的光強(qiáng)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(dǎo)模式（Photoconductive mode）。光伏模式具有較好的線性度，但是帶寬較??；光導(dǎo)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(dá)40 kHz，光導(dǎo)模式下帶寬可達(dá)200 kHz[3]。HCNR201在光導(dǎo)模式下帶寬能達(dá)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(jiàn)圖2。運(yùn)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(dāng)輸入電壓升高時(shí)，會(huì)使N1B反相輸入端的電壓有升高的趨勢(shì)，N1B將其放大后，會(huì)使ILED和IPD1增加，而IPD1的增加會(huì)使N1B的反相輸入端電壓降低，并使其保持在0 V。

根據(jù)運(yùn)放虛斷原理，所有流經(jīng)R5的電流都流過(guò)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(qiáng)度無(wú)關(guān)。當(dāng)LED光照強(qiáng)度發(fā)生漂移時(shí)，N1B會(huì)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(shí)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(jiàn)，VOUT和VIN保持線性關(guān)系并與LED的輸出無(wú)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(cè)試數(shù)據(jù)，供電電壓為5 V。測(cè)試儀器為DH1718E-4穩(wěn)壓源兩臺(tái)，F(xiàn)LUKE45、Agilent 34410A數(shù)字萬(wàn)用表各一臺(tái)。

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

圖4　光伏模式下隔離電路的頻響曲線

當(dāng)電路輸出飽和時(shí)（圖中圓圈所示），該隔離電路的輸出溫漂較明顯。用熱風(fēng)槍距離電路板10 cm對(duì)其進(jìn)行加熱，調(diào)節(jié)熱風(fēng)槍溫度，記錄輸出電壓的變化。測(cè)試結(jié)果如表1。

表1　隔離電路輸出飽和時(shí)輸出電壓與溫度關(guān)系

可見(jiàn)，輸出飽和時(shí)該電路溫漂超過(guò)了20%，這是由于運(yùn)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(shí)再測(cè)試，發(fā)現(xiàn)基本無(wú)溫漂，因此工作時(shí)要避免電路進(jìn)入飽和區(qū)域。

3線性光耦的光導(dǎo)工作模式

線性光耦的光導(dǎo)工作模式電路見(jiàn)圖5。運(yùn)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(dāng)輸入電壓升高時(shí)，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(huì)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(yùn)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(qiáng)度無(wú)關(guān)。當(dāng)LED光照強(qiáng)度發(fā)生漂移時(shí)，N1B會(huì)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(dǎo)模式下的隔離電路

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

圖6　光導(dǎo)模式下隔離電路頻響曲線

4 線性光耦應(yīng)用注意事項(xiàng)

光隔離電路在應(yīng)用時(shí)應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)，才能使其達(dá)到最佳性能：

通過(guò)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(dá)到較高的線性度和較寬的帶寬，適合對(duì)中頻的電壓、電流等信號(hào)進(jìn)行高精度的隔離檢測(cè)。

參考文獻(xiàn)：

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

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

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