線性光電耦合器關(guān)鍵傳遞性能參數(shù)測(cè)試方法研究

高 成，寇震夢(mèng)，黃姣英

（北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191）

光電耦合器的原理是利用一個(gè)發(fā)光二極管LED 將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為光信號(hào)，而后經(jīng)過(guò)光敏二極管重新轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并輸出，這種傳輸模式能夠?qū)⑤斎肱c輸出進(jìn)行有效的電氣隔離[1]。線性光電耦合器增加光接收反饋電路抵消傳輸過(guò)程中的非線性失真，使得輸入輸出呈線性關(guān)系。本文選取的線性光電耦合器的關(guān)鍵傳輸性能參數(shù)包括傳遞系數(shù)、非線性度、帶寬，是表征線性光電耦合器性能的重要參數(shù)[2]。針對(duì)普通光耦的測(cè)試方法不能應(yīng)用于線性光電耦合器的問(wèn)題，本文圍繞線性光電耦合器的關(guān)鍵傳遞性能參數(shù)（帶寬、傳遞系數(shù)、非線性度），研究參數(shù)的測(cè)試原理及方法，并進(jìn)行仿真測(cè)試。

1 線性光電耦合器主要結(jié)構(gòu)

典型線性光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 線性光電耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Internal structure diagram of linear optocoupler

線性光電耦合器主要由發(fā)光二極管LED、反饋光電二極管PD1、輸出光電二極管PD2以及外部封裝構(gòu)成。當(dāng)有電流經(jīng)過(guò)時(shí)，LED 發(fā)出紅外光照射在PD1和PD2上，在反饋通路和輸出通路上分別產(chǎn)生電流，通過(guò)外圍電路將反饋電流引入輸出端，形成負(fù)反饋控制LED 發(fā)光強(qiáng)度，使得輸入和輸出呈線性關(guān)系。

2 測(cè)試原理

2.1 帶寬測(cè)試原理

脈沖信號(hào)在通過(guò)線性光耦時(shí)會(huì)因?yàn)楦哳l分量的丟失而產(chǎn)生變化。這種變化主要體現(xiàn)在線性光耦的響應(yīng)信號(hào)的上升沿[3]。脈沖信號(hào)測(cè)試線性光耦帶寬的原理就是讓如圖2所示脈沖測(cè)試信號(hào)經(jīng)過(guò)被測(cè)線性光耦電路，得到的響應(yīng)曲線的時(shí)間和幅值的圖像如圖3所示。

圖2 脈沖信號(hào)Fig.2 Pulse signal

圖3 響應(yīng)曲線Fig.3 Response curve

當(dāng)t=t1時(shí)，輸出幅值為最大值的0.1；當(dāng)t=t2時(shí)，輸出幅值為最大幅值的0.9；定義響應(yīng)曲線上升時(shí)間為τr，且：

由線性光耦電路時(shí)域與頻域的轉(zhuǎn)換，可以得到電路帶寬與響應(yīng)曲線上升時(shí)間之間的關(guān)系：

式中，B為待測(cè)線性光耦電路的帶寬[4]。

2.2 傳遞系數(shù)及非線性度測(cè)試原理

如圖1所示，定義If為1，2引腳之間流過(guò)的電流，即發(fā)光LED通路流過(guò)的電流；定義IPD1為3，4引腳之間流過(guò)的電流，即反饋通路流過(guò)的電流；定義IPD2為5，6引腳之間通過(guò)的電流，即輸出通路的電流。線性光耦將反饋電流IPD1作為輸入電流的一部分，形成一個(gè)負(fù)反饋，調(diào)節(jié)輸入信號(hào)的大小，從而抵消輸出通路的非線性來(lái)達(dá)到線性輸出的目的。因此反饋通路的電流和輸出通路的電流之間的比值對(duì)線性光耦的信號(hào)隔離傳遞有關(guān)鍵的影響，定義傳遞系數(shù)K，則：

實(shí)際測(cè)試中傳遞系數(shù)為多組測(cè)量的平均值：

式中，j為實(shí)驗(yàn)的次數(shù)。

線性光電耦合器最大的優(yōu)勢(shì)在于其線性傳輸信號(hào)的能力。非線性度可以表征在線性光電耦合器隔離傳輸范圍內(nèi)輸入信號(hào)與輸出信號(hào)線性關(guān)系強(qiáng)弱，測(cè)試非線性度常用最小二乘法擬合[5]的方式。

定義非線性度為δ，非線性度的計(jì)算方式如下：

3 仿真分析

3.1 器件及仿真原理電路圖選擇

選擇HCNR200 線性光電耦合器。該典型線性光電耦合器的傳遞性能參數(shù)涵蓋帶寬、傳遞系數(shù)和非線性度。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過(guò)查閱其數(shù)據(jù)手冊(cè)可知其特征性能參數(shù)：帶寬大于等于1 MHz；傳遞系數(shù)為 0.85～1.15；非線性度為 0.01%～0.25%。HCNR200 由于其獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在信號(hào)隔離傳輸過(guò)程中需要配合外圍電路使用，因此選擇外圍電路是測(cè)試帶寬參數(shù)的重要的一步。本文選擇HCNR200 線性光電耦合器的模擬隔離電路[6]作為外圍電路，如圖4所示。

圖4 HCNR200 線性光電耦合器模擬隔離電路Fig.4 Analog isolation circuit of HCNR200 linear optocoupler

該電路中VIN為輸入信號(hào)，VOUT為輸出信號(hào)，輸入側(cè)運(yùn)算放大器 A1由 Q1，Q2，R3和R4構(gòu)成，輸出側(cè)運(yùn)算放大器 A2則包含 Q3，Q4，R2，R5，R6和R7，電路的增益基本保持穩(wěn)定，使用三極管和電阻構(gòu)成運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì)使得帶寬較大[7]。該模擬隔離電路帶寬的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為1.5 MHz。

3.2 仿真測(cè)試

由圖4中所選用的外圍電路，使用OrcadCapture 建立仿真電路[8]形式如圖5所示。

圖5 HCNR200 帶寬測(cè)試電路Fig.5 Bandwidth testing circuit of HCNR200

對(duì)脈沖信號(hào)源進(jìn)行如表1所示的參數(shù)設(shè)置。

表1 脈沖源參數(shù)設(shè)置表Table 1 Parameter setting of pulse source

隨后使用PSpice 運(yùn)行仿真，通過(guò)探針[9]觀測(cè)到信號(hào)的響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 線性光耦響應(yīng)曲線Fig.6 Response curve of linear optocoupler

讀取響應(yīng)曲線中電壓幅值為峰值的1/10 時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間和峰值的0.9 時(shí)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，如表2所示。

表2 帶寬仿真數(shù)據(jù)表Table 2 Simulation data of bandwidth

根據(jù)階躍脈沖法測(cè)試的原理得τr（單位：ns）：

于是型號(hào)HCNR200 線性光耦的高速低成本模擬隔離器電路的帶寬（單位：MHz）為：

進(jìn)行誤差分析有：

誤差在合理的范圍內(nèi)，通過(guò)仿真驗(yàn)證此種測(cè)試方法的有效性。由于使用仿真軟件不能得出傳遞系數(shù)和非線性度的有效數(shù)據(jù)，因此選用HCNR200 線性光耦實(shí)物進(jìn)行測(cè)試并進(jìn)一步分析[10]。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 帶寬測(cè)試連接

根據(jù)測(cè)試原理，該測(cè)試系統(tǒng)由脈沖信號(hào)源發(fā)生器、待測(cè)隔離電路、示波器、5 V 電壓源和計(jì)算機(jī)組成。完整的測(cè)試系統(tǒng)連接如圖7所示。

圖7 線性光電耦合器帶寬測(cè)試連接Fig.7 Connection for bandwidth testing of linear optocoupler

4.2 傳遞系數(shù)及非線性度測(cè)試試驗(yàn)連接

由傳遞系數(shù)及非線性度的測(cè)試原理，繪制出測(cè)試電路原理圖如圖8所示。

圖8 傳遞系數(shù)及非線性度測(cè)試原理圖Fig.8 Testing schematic diagram of transfer coefficient and non-linearity

測(cè)試過(guò)程中改變管腳2連接的電壓源V5的輸入信號(hào)的數(shù)值，使得通過(guò)發(fā)光二極管的電流分別為1 mA，2 mA，4 mA，6 mA，8 mA，10 mA，12 mA，14 mA，并用電流表測(cè)量通過(guò)PD1的電流和PD2的電流值，分別記為IPD1j和IPD2j。根據(jù)以上方法搭建測(cè)試線性光電耦合器的傳遞系數(shù)及非線性度所用的測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)由電壓源、電流表、測(cè)試接口板組成。將三個(gè)電壓源分別連接發(fā)光二極管通路（即1，2 管腳）、光敏二極管通路（即3，4 管腳）、光敏二極管通路（即5，6 管腳），三個(gè)電流表分別接入發(fā)光二極管連接發(fā)光二極管通路（If）、光敏二極管通路（IPD1）、光敏二極管通路（IPD2）；系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖9所示。

4.3 帶寬測(cè)試驗(yàn)證

選用HCNR200 線性光電耦合器作為研究對(duì)象，調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)源參數(shù)，將脈沖沿上升時(shí)間調(diào)整到8.4 ns（脈沖信號(hào)源的脈沖最短上升時(shí)間），脈沖寬度為10 μs，選擇起始幅值為0 V，輸出幅值為5 V。將脈沖源調(diào)整至output 狀態(tài)，使用示波器采集到隔離電路輸入信號(hào)和隔離電路響應(yīng)信號(hào)波形如圖10所示。

圖9 線性光電耦合器傳遞系數(shù)及非線性度測(cè)試系統(tǒng)Fig.9 Testing system for transfer coefficient and non-linearity of linear optocoupler

圖10 線性光電耦合器帶寬測(cè)試結(jié)果Fig.10 Testing result of bandwidth of linear optocoupler

讀取響應(yīng)信號(hào)上升時(shí)間（單位：ns）：

根據(jù)響應(yīng)曲線上升時(shí)間與電路通頻帶寬之間的關(guān)系，得到B（單位：MHz）：

得到HCNR200 型線性光耦的隔離電路的帶寬為1.585 MHz。進(jìn)行誤差分析可得：

由此可見脈沖測(cè)試法測(cè)試的帶寬誤差在合理范圍內(nèi)。

4.4 傳遞系數(shù)及非線性度測(cè)試驗(yàn)證

根據(jù)連接及測(cè)試原理進(jìn)行多次測(cè)試后得到表3。由以上數(shù)據(jù)整理可以得到器件的傳遞系數(shù)為：

進(jìn)行誤差分析有：

進(jìn)一步對(duì)非線性度進(jìn)行計(jì)算：

由此可見根據(jù)測(cè)試原理進(jìn)行測(cè)試得出的傳遞系數(shù)和非線性度誤差較小。

表3 傳遞系數(shù)及非線性度測(cè)試數(shù)據(jù)Table 3 Tested data of transfer coefficient and non-linearity

5 結(jié) 論

本文以HCNR200 線性光電耦合器為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)線性光電耦合器的帶寬、傳遞系數(shù)和非線性度進(jìn)行研究，得出線性光電耦合器的帶寬、傳遞系數(shù)和非線性度的測(cè)試原理及方法。利用PSpice 仿真帶寬的脈沖測(cè)試方法，使用硬件實(shí)物測(cè)試HCNR200 線性光電耦合器的帶寬、傳遞系數(shù)和非線性度，得出較接近理論值的結(jié)果。驗(yàn)證帶寬的脈沖測(cè)試法，傳遞系數(shù)的電流測(cè)試法以及非線性度的公式法的有效性和準(zhǔn)確性。