一、概述

???? ??以avago公司的hcnr201線(xiàn)性光耦為例說(shuō)明線(xiàn)性光耦的內(nèi)部原理及隔離電路的原理。

????? 對(duì)于數(shù)字信號(hào)的隔離，使用一般的光耦器件隔離就能達(dá)到很好的效果。然而一般的光耦具有較大的非線(xiàn)性電流傳輸特性且受溫度變化的影響較大，對(duì)于模擬信號(hào)的傳輸其精度和線(xiàn)性度難以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求。為了能更精確地傳送模擬信號(hào)，用線(xiàn)性光耦隔離是最好的選擇。線(xiàn)性光耦輸出信號(hào)隨輸入信號(hào)變化而成比例變化，它為模擬信號(hào)傳輸中隔離電路的簡(jiǎn)單化、高精度化帶來(lái)了方便。???

????? 在工業(yè)測(cè)量和控制系統(tǒng)中，為防止外界的各種干擾，必須將測(cè)量系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行電氣隔離。常用的隔離措施有變壓器隔離、電容耦合隔離和光耦隔離。與變壓器隔離、電容耦合隔離相比，光耦體積小，價(jià)格便宜，隔離電路簡(jiǎn)單且可以完全消除前后級(jí)的相互干擾，具有更強(qiáng)的抗干擾能力。?????

??? 二、?hcnr201線(xiàn)性光耦隔離原理

??? 線(xiàn)性光耦hcnr201內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。hcnr201由一個(gè)高性能發(fā)光二極管led和兩個(gè)相鄰匹配的光敏二極管pd1和pd2組成，這兩個(gè)光敏二極管有完全相同的性能參數(shù)。led是隔離信號(hào)的輸入端，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)就會(huì)發(fā)光，兩個(gè)光敏二極管在有光照射時(shí)就會(huì)產(chǎn)生光電流，hcnr201的內(nèi)部封裝結(jié)構(gòu)使得pd1和pd2都能從led得到近似光照，且感應(yīng)出正比于led發(fā)光強(qiáng)度的光電流。光敏二極管pd1起負(fù)反饋?zhàn)饔糜糜谙齦ed的非線(xiàn)性和偏差特性帶來(lái)的誤差，改善輸入與輸出電路間的線(xiàn)性和溫度特性，穩(wěn)定電路性能。光敏二極管pd2是線(xiàn)性光耦的輸出端，接收由led發(fā)出的光線(xiàn)而產(chǎn)生與光強(qiáng)成正比的輸出電流，達(dá)到輸入及輸出電路間電流隔離的作用。正是hncnr201內(nèi)部的封裝結(jié)構(gòu)、pd1與pd2的嚴(yán)格比例關(guān)系及pd1負(fù)反饋的作用保證了線(xiàn)性光耦的高穩(wěn)定性和高線(xiàn)性度。

圖1 線(xiàn)性光耦hcnr201內(nèi)部結(jié)構(gòu)

?????? 三、?線(xiàn)性光耦hcnr201隔離電路

??? 1.?工作原理

??? hcnr201的led、pd1及運(yùn)放a1等組成隔離電路的輸入部分，pd2及運(yùn)放a2等組成隔離電路的輸出部分。設(shè)隔離電路輸入電壓為vin，輸出電壓為vout，led上電流為if，二極管pd1上產(chǎn)生的電流為ipd1，二極管pd2上產(chǎn)生的電流為ipd2，如圖2所示。

圖2 線(xiàn)性光耦hcnr201模擬電壓隔離電路

??? 隔離電路中pd1形成了負(fù)反饋，當(dāng)有電壓vin輸入時(shí)，運(yùn)放a1的輸出使led上有電流if流過(guò)，且輸入電壓的變化體現(xiàn)在電流if上，并驅(qū)動(dòng)led發(fā)光把電信號(hào)轉(zhuǎn)變成光信號(hào)。led發(fā)出的光被pd1探測(cè)到并產(chǎn)生光電流ipd1。同時(shí)，輸入電壓vin也會(huì)產(chǎn)生電流流過(guò)r1。假定a1是理想運(yùn)放，則沒(méi)有電流流入a1的輸入端，流過(guò)r1的電流將會(huì)流過(guò)pd1到地，因此，ipd1=vin/r1。注意，ipd1只取決于輸入電壓vin和r1的值，與led的光輸出特性無(wú)關(guān)。又因led發(fā)出的光同時(shí)照射在兩個(gè)光敏二極管上，且pd1和pd2完全相同的，理想情況下ipd2應(yīng)該等于ipd1。定義一個(gè)系數(shù)k，有ipd1=kipd2，k約為1±5%(當(dāng)芯片制作完成后隨之確定)。運(yùn)放a2和電阻r2把ipd2轉(zhuǎn)變成輸出電壓vout，有vout=ipd2r2，組合上面的3個(gè)方程得到輸出電壓和輸入電壓關(guān)系：vout/vin=kr2/r1，因此，輸出電壓vout具有穩(wěn)定性和線(xiàn)性，其增益可通過(guò)調(diào)整r2與r1的值來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常取r1和r2的值相同。

??? 隔離電路中電阻r1起限流作用。r3用于控制led的發(fā)光強(qiáng)度，從而對(duì)控制通道增益起一定作用。電容c1、c2為反饋電容，用于提高電路的穩(wěn)定性。運(yùn)算放大器a1的作用是把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)，運(yùn)算放大器a2的作用是把光耦輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，并增強(qiáng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。

????2.?注意事項(xiàng)

??? (1) 要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的完全隔離，不僅信號(hào)本身要隔離，供給隔離前后電路工作的電源也需要隔離。電路中前后級(jí)運(yùn)放采用了獨(dú)立的電源供電，起到隔離干擾的作用。

??? (2) 由于線(xiàn)性光耦引入反饋機(jī)制，所以隔離電路不適用于被測(cè)信號(hào)變化太快或頻率很高的場(chǎng)合。

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