安华高高线性光耦-HCNR200/201

线形光耦的研究设计

光隔离是一种很常用的信号隔离形式。常用光耦器件及其外围电路组成。由于光耦电路简单，在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到，如UART协议的20mA电流环。对于模拟信号，光耦因为输入输出的线形较差，并且随温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离的应用。

对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见的选择，但对于 支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如ADI的AD202，能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度， 但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂，体积 大，成本高，不适合大规模应用。

模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦 的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的， 但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。

市场上的线性光耦有几中可选择的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。这里以HCNR200/201为例介绍

HCNR201的结构及工作原理
　　HCNR201光电耦合器是一种由三个光电元件组成的器件，主要技术指标如下：
　　●具有±5％的传输增益误差和±0．05％的线性误差；
●具有DC～1MHz的带宽；
　　●绝缘电阻高达1013Ω，输入与输出回路之间的分布电容为0．4pF；
　　●耐压能力为一分钟5000V，最大绝缘工作电压为1414V；
●具有0～15V的输入／输出范围。
　　HCNR201光电耦合器的内部结构如图1所示，其中LED为铝砷化镓发光二极管，PD1、PD2是两个相邻匹配的光敏二极管，这种封装结构决定了每一个光敏二极管都能从LED得到近似的光照，因而消除了LED的非线性和偏差特性所带来的误差。当电流流过LED时，LED发出的光被耦合到PD1与 PD2，从而在器件输出端产生与光强成正比的输出电流。

file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21264.png

　　在使用时，可将第3、4输出端与第1、2输入端一起接入控制回路，其中第3、4端的光敏二极管起反馈作用，它可将产生的输出电流再反馈到第1、2端的LED上，以对输入信号进行反馈控制。
应用电路
1.基本外围电路配置
　　图2是HCNR201的外围电路配置。其中IPD1和IPD2表示LED的输入电流IF和光敏二极管的反向电压处在额定值时光敏二极管中流过的电流。该电流的大小与IF有关。如果LED的输出光强发生改变，那么，放大器N1就会调节IF以进行补偿，并且在PD1、PD2上保持一个稳定的电流。

file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-2575.png

　　IPD1，IPD2的大小与IF的关系如下：
file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-14305.png
　　其中K1和K2分别为IPD1和IPD2随IF的变化参数，对于HCNR201来说，其参数变化应是一致的，当典型值为1时的取值范围为0．95～1．05。对于图2所示电路，其输入Vin＝IPD1 R1，输出端Vout＝IPD2 R2，故有Vout／Vin＝KR2／R1。
　　由此可见，其输入与输出呈一种线性关系，且其隔离放大器的增益可通过调整R2与R1的比值来实现。
在检测电路中的应用
　　在某随动检测系统中，需要用检测板对系统中的各电路板的参数进行监测，以对工作不正常的电路板给出故障指示，并用单片机来处理检测结果。由于实际工作环境比较恶劣，为了防止干扰信号由采集信道进入检测板及保证单片机系统工作正常，笔者采用光电耦合器来实现信号的传输。由于光电耦合器的发光二极管为电流驱动器件，因而应以电流环路的形式进行传送，而且电流环路是低阻抗电路，它对噪声的敏感度较低，因此提高了电路的抗干扰能力。有时干扰噪声虽有较大的电压幅度，但其能量小，所以只能形成微弱的电流，而光电耦合器输入部分的发光二极管是在电流状态下工作的，只有在通过一定强度的电流时才能发光，因此，即使有很高电压幅值的干扰，也会因其所形成的电流大小而被抑制掉。
　　在实际检测电路的某一采集信道中，如需对一组差动输入信号进行检测，可将电路接成如图3所示的连接方式。图中，通过放大器N1可将输入的差动信号变为单边信号后输出。由于二极管V1和V2的作用，当输入信号为正时，V2导通，V1截止，放大器N2呈开环状态，光耦N5工作，N4关断；而当输入信号为负时，则正好相反。当HCNR201的第3、4端的光敏二极管受光后，其输出信号将反馈到放大器的输入端，以提高光耦的线性并减少温漂。第5、6端输出的信号经运放放大后输出。电位器RP1的作用是调节运放输入偏置电流的大小。电容C2、C3为反馈电容，可用于提高电路的稳定性，消除自激振荡，滤除电路中的毛刺信号，降低电路的输出噪声，其容值可根据电路的频率特性来选取。放大器N6的作用是把光耦输出的电流信号转变为电压信号以供后级电路使用，并增强负载驱动能力，降低输出阻抗。调整电阻RP2的值可以调整信道的增益。

file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-7468.png

结束语
　　HCNR201 可以广泛地应用在需要良好稳定性、线性度和带宽的模拟信号隔离场合。它可在单／双极信号输入、交直流电路、转换电路等多种模式下工作，因而可广泛应用在数据通讯、电压电流检测、开关电源、测量和测试工业过程控制（变换器的隔离、热电偶的隔离、4－20mA模拟电流环发射／接收器）等方面。