線性光電耦合器的進一步線性化

葉 克 江

(1.廣東省外語藝術職業(yè)學院 信息學院，廣東 廣州 510640;2.廣州江帆精工光電科技有限公司開發(fā)部，廣東 廣州 510640. )

0 引言

凡需信號隔離或變換的場合，都需要信號隔離器。其應用領域幾乎與行業(yè)無關，因為任何行業(yè)都可能需要信號的隔離傳輸、變換傳輸或采集控制。模擬信號線性隔離法通常有電磁隔離型、電容隔離型和光電隔離型3類，其自身的物理特性即極限線性度均為0.1%，從而決定了各種信號隔離器產(chǎn)品的極限精度均為0.1%。信號隔離的作用是為了解決地環(huán)流干擾、自然干擾及人為干擾等問題，避免輸入、輸出端電路系統(tǒng)因接地點不同帶來的誤差及相互干擾，避免輸入、輸出端電路故障的相互影響，提高抗干擾能力。利用光電耦合器(簡稱光耦)實現(xiàn)電信號的線性隔離在體積、成本、抗干擾能力和電路復雜度等方面具有一定優(yōu)勢，因此得到廣泛的應用[1]。

采用光藕實現(xiàn)的隔離，分為數(shù)字信號隔離和模擬信號隔離。數(shù)字信號的光耦隔離法簡單，但模擬信號的光耦隔離較復雜，既要達到隔離效果，又要盡可能地保證模擬信號的線性傳輸[2]。為了提高極限精度，開發(fā)了HCNR201[3]、LOC210[4]、TIL300[5]、SLC800[6]等一系列帶有自身線性化負反饋的線性光耦，這些線性光耦不僅提高了線性度(可達0.01%，非批量)，同時還改善了溫度特性和頻率特性，有力促進了光電隔離型產(chǎn)品的應用。

隨著科學技術的發(fā)展，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自動控制尤其是涉及航空航天或軍事應用，都對信號隔離器提出了更高要求，即精度需要小于0.01%，成本低，溫度范圍寬，工作頻率較高等。而目前線性光耦的最佳線性度為0.01%(批量芯片的線性度一般為0.05%)，疊加電路系統(tǒng)前后級的各種誤差后，傳輸精度不可能小于0.01%。目前信號隔離器產(chǎn)品的正常工作溫度范圍很窄，以典型的HCNR201為例，其溫度系數(shù)高達-65×10-6/℃，導致零點漂移嚴重，溫度變化15 ℃就會引起約0.1%的誤差。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案，如典型的ADI的AD202[7]，能夠在從直流到幾千赫茲的頻率范圍內(nèi)提供0.025%的極限線性度(非批量)，但這種集成的隔離放大器因內(nèi)部電路復雜而成本高，外圍電路也很復雜，無法保證規(guī)模批量產(chǎn)品線性度的一致性，傳輸信號的頻率范圍很窄，溫度漂移系數(shù)較大，不適合大規(guī)模應用。

本文以市場上常見的廉價線性光耦HCNR201為例，通過大量的實驗研究，選擇合適的工作范圍，提出了一種臨界點線性加減補償算法，該算法將硬件與軟件補償相結合[8]，大幅改善信號傳輸?shù)木€性度，輔以零點漂移的軟硬件補償措施(較簡單)，實現(xiàn)了利用線性光耦的極高精度模擬信號隔離器的批量自動化生產(chǎn)，其中線性光耦的極限線性度通過進一步線性化后均可小于0.003%，信號隔離器的極限精度均小于0.01%，有效工作溫度范圍拓展為工業(yè)級(-40～+85 ℃)。

1 實驗研究

1.1 線性光耦HCNR201

HCNR201是Agilent公司生產(chǎn)的一種高精度線性光耦器件，線性度最佳值為0.01%，一般批量線性度為0.05%，同時，該器件帶寬可達1.0 MHz，增益溫度系數(shù)較低。這些特征決定了該芯片在模擬信號隔離中有廣泛的應用。該芯片設計靈活，通過應用電路的適當設計可有很多工作模式，包括單極/雙極[9]、AC/DC及反相和同相，HCNR201為許多模擬信號隔離問題提供了卓越的解決方案。HCNR201高線性模擬光耦內(nèi)含一個高性能AlGaAs-LED和2個高度匹配的光二極管(見圖1)。輸入光二極管可用來反饋監(jiān)測并穩(wěn)定LED的光度輸出，因此，LED的非線性和漂移特性幾乎被消除，輸出光二極管會產(chǎn)生線性對應LED光輸出的光電流，光二極管間的緊密匹配和先進的封裝設計可確保光耦的高線性度和穩(wěn)定增益。HCNR201的主要參數(shù)及技術指標：最佳線性度為0.01%，轉(zhuǎn)換增益K3=IPD2/IPD1(其中，IPD1為3、4引腳之間的電流，IPD2為5、6引腳之間的電流)(見圖1)的變化范圍為-5%～5%，K3的溫度系數(shù)最大值為-65×10-6/℃，帶寬高(DC～1.0 MHz)，通過全球安全規(guī)范認證、提供表面貼裝或8-pin DIP封裝。HCNR201的結構及典型應用原理圖如圖2所示[6]。

圖1 HCNR201的結構框圖

圖2 HCNR201的典型應用原理圖

圖1中，1、2引腳作為隔離信號的輸入控制腳，3、4引腳用于反饋，5、6引腳用于輸出(7、8引腳不用)。1、2引腳之間的LED電流為IF。輸入信號經(jīng)過電壓/電流轉(zhuǎn)化，電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上，IPD1、IPD2基本與IF成線性關系，比例系數(shù)K1=IPD1/IF，K2=IPD2/IF，轉(zhuǎn)換增益K3=K2/K1=IPD2/IPD1。分析圖2可知，當LED發(fā)光強度增加時，光二極管PD1的受光量會增加，導致IPD1變大，運算放大器A1的反相輸入端電位降低，A1的輸出端電位升高，從而使LED的電流變小，LED發(fā)光量減少；反之亦然，于是穩(wěn)定了LED的發(fā)光量，同時穩(wěn)定了IPD2，使運算放大器A2的輸出穩(wěn)定。采用負反饋技術，拓展了工作頻率帶寬，大幅改善溫度穩(wěn)定性。

1.2 硬件模塊結構及工作原理

根據(jù)圖2的典型應用原理圖設計的用線性光耦HCNR201實現(xiàn)隔離并進一步線性化的部分實際電路如圖3所示。U6是線性光耦HCNR201，U2、U3和U7都是雙運算放大器(簡稱運放)AD822，U1是四運放AD824，U8是雙100K數(shù)字電位器MAX5415，U4是四模擬開關MAX4604，U5是雙10位數(shù)字模擬電壓轉(zhuǎn)換器LTC1661，G15 V是輸入端(被隔離端或稱前端)的隔離15 V電源，N是輸入端地線，L是輸入端電流4～20 mA的輸入點，該電流通過電阻R6=250 Ω轉(zhuǎn)換為1～5 V的電壓(當取消R6時，L就成為隔離電壓信號的輸入點)。電阻R7=550 kΩ等效圖2中的R1，使IPD1的工作電流為1.8～9.0 μA，R1(500 kΩ)與U8的B組串聯(lián)構成圖2中的電阻R2，其中U8的B組用于粗調(diào)原始輸出電壓V2=V3的斜率，使之接近0.25 V/mA。U5的B組輸出電壓TJD是關鍵的臨界點電壓值(一般取3.0 V，可適當調(diào)整)。當V3TJD時，VK=0低電平，U4的第1組模擬開關有效閉合，VY=V3，WA與VY相關實現(xiàn)線性光耦的進一步線性化補償.電阻R10與R12分壓決定VA位于2.5 V附近，U5的A組輸出電壓TZB用于調(diào)節(jié)輸出特性曲線的零點，U1的第4運放構成加法電路，實現(xiàn)V3=V2與VA1=VA的合成，形成最終輸出電壓Vo=V4(當然也可改變電路結構實現(xiàn)任意量程的比例電流輸出)。CS、CS1、CK和SD為單片機控制數(shù)字腳，與U5、U8通信以設定或動態(tài)調(diào)整有關參數(shù)。15 V、5 V、2.5 V為輸出端模擬及基準電源，GND為地，其余標號為網(wǎng)絡連線標識。

圖3 用線性光耦HCNR201實現(xiàn)隔離并進一步線性化的部分實際電路圖

2 臨界點線性加減補償算法

2.1 基本模型

圖4為線性光耦HCNR201的電流傳輸誤差包絡圖[6]。由圖可知，在IPD1的有效范圍(0～50 μA)內(nèi)，IPD2的誤差呈類似拋物線波動。實際IPD1的工作電流范圍為1.8～9.0 μA，工作電流較小，功耗較低，有利于減小長期使用的老化效應并延長器件壽命的同時，使誤差包絡曲線呈單一簡單拋物線形狀，便于實現(xiàn)臨界點線性加減補償算法。

圖4 線性光耦HCNR201的電流傳輸誤差包絡圖

圖5為未經(jīng)補償?shù)脑颊`差結果典型示例(對零點誤差和斜率誤差進行了歸一化處理，下同)，與圖4的理論說明一致。由圖5可知，多數(shù)HCNR201的電流傳輸誤差拋物線的開口向下(當IPD1電流為1.8～9.0 μA時，電流誤差已被轉(zhuǎn)換為輸出電壓誤差)，少數(shù)開口向上。無論誤差拋物線的開口向下或向上，頂點位置一般位于輸出電壓3.0 V附近，將該頂點電壓值定義為臨界點(電壓)，由圖3中的TJD控制進行精確調(diào)節(jié)。

圖5 未補償誤差結果

2.2 補償算法

當誤差拋物線的開口向下時(見圖5)，若V3>TJD，由圖3的電路結構分析可知，VK=0，U4的第1組有效閉合，VY=V3，通過U8的A組抽頭WA將一定比例的V3與TJD的差值通過R13線性耦合到VA(以TJD為基數(shù))，實現(xiàn)線性光耦的進一步線性化“加”補償；若V3

圖6 合理補償誤差結果

由圖6可看出，誤差拋物線變成基于臨界點左右大致對稱的兩條拋物線，當補償合理時，兩條拋物線的頂點基本等高，3個最低點也基本等高。U8的A組抽頭WA對VY=V3的采樣比例可調(diào)整，但是耦合到VA的補償值始終是線性的，故稱為線性補償。

通過上述臨界點線性加減補償算法的電路實現(xiàn)，在整個工作溫度范圍內(nèi)輸出誤差減小，輸入、輸出傳輸特性曲線的最小二乘法線性擬合相關系數(shù)r接近于1.0(取33個點，r≥0.999 999 999)，非線性誤差極小，線性度小于0.003%。典型的輸入電流IL、輸出電壓Vo傳輸特性曲線如圖7所示。特性曲線可表示為Vo=k×IL+b，其中k為擬合直線的斜率，b為零點。

圖7 典型的輸入、輸出傳輸特性曲線

3 軟硬件結合及其性能描述

3.1 補償比例的動態(tài)調(diào)整

實測表明，在不同溫度下，圖5中原始誤差拋物線的開口程度不同，因此最佳補償比例也不同，這可通過單片機控制U8的A組電位器在生產(chǎn)過程中掃描整個工作溫度范圍，采取一定算法動態(tài)采集，并將補償比例與溫度的關系曲線擬合后寫入最終的產(chǎn)品單片機中。在產(chǎn)品正常工作時，單片機會采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，將對應的最佳補償比例回寫到U8的A組中，從而使線性度始終保持最佳值(即小于0.003%)。圖8為欠補償結果。圖9為過補償結果。

圖8 欠補償結果

圖9 過補償結果

3.2 斜率的動態(tài)調(diào)整

由于線性光耦K3存在溫度系數(shù)，在常溫下先利用U8的B組電位器粗調(diào)k，使k接近0.25(5.0 V/20 mA)，然后利用與線性補償類似的電路采集V3的一定比例(很小)，將其合成到U1的第4運放加法電路中，對工作溫度范圍內(nèi)k的變化進行精確細調(diào)，數(shù)據(jù)采集和工作原理與補償比例的動態(tài)調(diào)整相同。從而在產(chǎn)品正常工作時，在全溫度范圍內(nèi)k保持不變。

3.3 零點的動態(tài)調(diào)整

由于線性光耦與多級運放組成較復雜的電路結構，使傳輸特性曲線的零點b≠0，且由于電子器件自身固有的溫漂，導致b隨溫度變化而變化，因此，利用U5的A組輸出TZB實現(xiàn)零點的動態(tài)采集與調(diào)整，數(shù)據(jù)采集和工作原理與補償比例的動態(tài)調(diào)整相同。從而在產(chǎn)品正常工作時，在全溫度范圍內(nèi)b均小于±0.2 mV。

4 結束語

利用常規(guī)廉價的線性光耦HCNR201，通過臨界點線性加減補償算法，實現(xiàn)了線性光耦的極限線性度的有效突破，最終信號隔離器產(chǎn)品的極限線性度從0.01%(批量芯片0.05%)提高到全工作溫度范圍內(nèi)(-40～+85 ℃)線性度均可小于0.003%，結合對斜率和零點的動態(tài)調(diào)整，使極限精度小于0.01%，克服了光耦隔離的固有缺陷，充分發(fā)揮了光耦隔離的自身優(yōu)勢。研究表明，臨界點線性加減補償算法對于其他類型的線性光耦或非線性光耦同樣適用，均可大幅改善線性度，滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是軍事應用的更高要求，對抗干擾、數(shù)據(jù)采集、自動控制具有重要的應用價值。