应用于隔离放大器的LOC11X线性光耦合器

1 前言

通常隔离放大器都具有极好的抗共模干扰能力，还可有效阻断现场和数据采集系统之间的电联系，但并不切断它们之间的信号传递，在通信、工业、医疗器材、电源及测试装置等系统之中，电路的隔离是必要的，传统的实现的隔离都是由变压器及光耦合元件完成的，其中变压器用于耦合交流信号;而光耦合器则用于直流信号的耦合。与一般的光耦合元件不同，LOC11X 光耦合器可工作在伺服模式，并能用以补偿发光二极管的非线性时间及温度特性，除此之外，LOC11X光耦合器还能同时耦合交流及直流信号，为设计者提供了可取代大体积变压器及非线性光耦合元件的更佳选择。

2 结构原理

LOC11X光耦合器有LOC110、LOC111和LOC112三种型号，其内部结构为一个红外线发光二极管与两个光电三极管形成的光耦合。其中的一个光电三极管可在伺服反馈机制中对发光二极管的导通电流予以补偿;另一个光电三极管用于提供输入及输出电路间的电流隔离。图1所示是LOC11X的内部结构及引脚排列。LOC11X光耦合器有DIP和表面贴装两种封装形式，它们均能耦合模拟和数字信号，且具有高增益稳定性，其带宽大于200kHz，线性度可达0.01%。

由于LOC11X光耦合器内部有一对线性光耦合器，应当用在电流隔离，可保持正确的交流及直流信号的耦合以及输入/输出的线性，它有光电压和光电导两种工作模式。



2.1 光电导模式

图2是LOC11X光耦合器在光电导模式下工作的典型电路，该电路被配置成光电三极管的集电极与基极反向偏压，这是LOC11X光耦合器在光电导模式下运作的典型接法。

当输入电压VIN在0V且IF为0mA时，U1有一个大的开环增益值，而随着VIN值的升高，U1的输出值开始进入VCC1的轨迹上，随着U1输出的增大，IF开始有电流值，发光二极管也进入工作状态。接着，光电三极管受到发光二极管所发出光的照射而导通并产生电流I1，当I1流经R1时，将在U1的反相端产生电压VA，从而使得放大器进入负反馈工作状态。当VA的值与VIN相等时，IF的值便不再增加，而且电路将稳定在闭环状态。假如VIN被改变，VA将会跟随VIN变化，发光二极管所产生的光同样也照射在输出光电三极管上，并可产生一输出电流。这一电流与发光二极管所产生的光及流过的电流成正比，且该电流立刻反映在I1上，从而使放大器的输出电压为I2 R2。

当放大器所应用的带宽达200kHz时，必须使用光电导模式。在此模式下，该电路的线性特性及漂移特性与有±1位元线性误差的8位元D/A变流器(Converter)相类似。光电导模式所以有如此高的频宽，原因之一是输出光电三极管的基极和集电极间的结面在反向偏压时比在顺向偏压及无偏压时具有更宽的耗尽区，而较宽的耗尽区会造成较低的结面电容，因而有着较快的反应时间常数。随着反向偏压的增加，结面的耗尽区会变得越来越宽，从而使其生成的结面电容更小。

2.2 光电压模式

在光电压模式下，使用LOC11X光耦合器可达到最佳的线性度、最低的干扰及漂移性能。在这种模式下，电路线性度可以达到12位元，然而，这却是以40kHz的较小带宽为代价的，图3为典型的光电压模式隔离放大电路。



在光电压模式下，LOC11X光耦合器中光电三极管的作用类似一个电压发生器。此时所有的光电器件都呈现出一些电压线性相关的特性，在光电三极管上，维持0V偏压可解决这一问题，同时可改善其线性度。假如一个小电阻被连接在光电三极管的两个端点上，其输出电流与发光二极管的电流将成线性关系。为达到这一目的，可将LOC11X中的一个光电三极管连接到运算放大器的两个输入端，这样，随着VIN的增加，流经发光二极管的电流也会增加，所产生的光也增加，同时，发光二极管光源的光打在伺服光电三极管上，将产生一个起始电流I1。由于此电流是由运算放大器的反相输入端流至光电三极管的，因而与VIN成线性关系，即I1=VIN/R1，这样就可使运算放大器反相输入端的电压维持在0V。

由于发光二极管产生的光也照在输出端的光电三极管上而产生光电流I2，该电流会首先从运算放大器的反相输入端流出，紧接着由输出端流入一股电流逐渐取代由运算放大器反相端流出的电流I2，同时运放输出端点的电压将逐渐升高以产生输出电压。

光电压模式下的光电三极管与光电导模式下的接法不同，由于光电压模式下有一个外加电源加在集电极上。如果没有外部电源接在光电三极管上，那么，将没有暗电流的存在。

3 具体应用

3.1 使用LOC11X光耦合器时的设计原则

在使用LOC11X进行隔离放大时，通常应遵守如下原则：

(1)在200kHz的带宽应用时，当线性度与±1LSB(Least Significant Bit)线性误差的8位D/A转换器相同时，应使用光电导模式。

(2)在40kHz的带宽应用时，其线性度要求与±1 LSB线性误差(0.01%)的12～13位D/A转换器相当时，可使用光电压模式。

(3)为维持最佳线性度，同时为了使总谐波失真(Total Harmonic Distortion;THD)降至最小，可以使用三极管作为缓冲来驱动LED。

(4)要求高电阻值(＞30kΩ)时，可在运算放大器的输出端与反相输入端之间加一个100pF的电容(见图2)，以防止振荡。

(5)与LOC11X光耦合器一起应用的运算放大器型号主要有LMC6484、LM201、LM358和LM1558等。



3.2 LOC11X光耦合器在心律监视系统中的应用

在测量类似心电图(Electrocardiogram;EGG)所提供的心律信号时，用LOC11X设计仪器与其它设计不同。成人的心律信号振幅大约为1mV，而胚胎的信号可能低至50μV。由于心律信号是如此的小，因此，像残留电极电压(residual electrode voltage)和60Hz电源线拾音器(pickup)之类的噪声可能很容易掩盖真正要测量的信号。所以，设计时应设计一个隔离放大器电路与探针界面，并且应有较高的共模抑制比(Common Mode Rejection;CMR)，以去除共模干扰，同时为心律信号提供放大功能。

使用LOC11X光耦合器配合其它的电路即可提供隔离、放大、线性及高共模抑制比，而这些优点正是这类应用所必需的。图4为LOC11X光耦合器测量 EGG信号的示意图。隔离放大器区块包含LOC11X光耦合器和高CMR值的运算放大器，该电极经屏蔽导线后应连接到放大器上，以使干扰信号被隔离，而将保护层连接到病人的右脚则可提供最佳的共模抑制比。

3.3 LOC11X光耦合器的标准应用领域

LOC11X光耦合器的标准应用领域及其工作模式如表1所列。