一种模拟信号的光电隔离电路

文明 邓红超 董浩（第七二六研究所，上海，201108）



一种模拟信号的光电隔离电路

文明 邓红超 董浩
（第七二六研究所，上海，201108）

摘要介绍了一种基于线性光耦器件的模拟信号光电隔离电路，给出了光伏和光导两种工作方式下的原理、电路图、测试数据和应用注意事项。该电路广泛应用于功率放大电路中电压、电流的隔离检测中。

关键词线性光耦；隔离检测；HCNR201

所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应[1]。光照射在半导体材料上产生的光电效应可分两种：光电导效应和光生伏特效应。前者指半导体受到光照时会产生电子-空穴对，使导电能力增强。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和反相偏置工作的光敏二极管与三极管。光生伏特效应是光照引起PN结两端产生电动势的效应。PN结可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。

1线性光耦原理

相对于电容耦合隔离放大器（如ISO124）和磁隔离放大器（如AD215），由于线性光耦内部的LED和两个光电二极管都是可达的，因此具有更好的灵活性，能够在带宽、精度和价格上作出折中。而且，线性光耦可应用与单电源或双电源供电的系统中。

AVAGO公司的高线性度线性光耦器件HCNR201由高性能AlGaAs LED和两个匹配的光敏二极管组成，其外形和内部原理如图1所示[2]。

图1　HCNR201引脚图

输入侧的光敏二极管PD1用以监测LED的光强，并使其保持稳定，还消除了LED的非线性和温漂特性。输出侧的光敏二极管PD2产生的光电流也正比于LED产生的光照强度。通过IC设计，使得这两个光敏二极管接收到来自LED的光强基本相等，即IPD2= IPD1。

线性光耦有两种工作模式：光伏模式（Photovoltalic mode）和光导模式（Photoconductive mode）。光伏模式具有较好的线性度，但是带宽较小；光导模式具有很大的带宽。Clair公司的LOC111 与HCNR201引脚兼容，其在光伏模式下带宽达40 kHz，光导模式下带宽可达200 kHz[3]。HCNR201在光导模式下带宽能达1 MHz。

2 线性光耦的光伏工作模式

线性光耦的光伏工作模式电路见图2。运放N1B调节LED电流ILED，产生光电流IPD1，使N1B的反相输入端保持在0 V。工作原理如下：当输入电压升高时，会使N1B反相输入端的电压有升高的趋势，N1B将其放大后，会使ILED和IPD1增加，而IPD1的增加会使N1B的反相输入端电压降低，并使其保持在0 V。

根据运放虚断原理，所有流经R5的电流都流过PD1，因此有如下关系：

从上式可知，IPD1仅由输入电压VIN和输入电阻R5确定，与LED的光照强度无关。当LED光照强度发生漂移时，N1B会调节ILED，使IPD1保持稳定。因此IPD1与输入电压VIN保持较好的线性关系。

由于LED发出的光同时射到PD1和PD2，因此输出端的IPD2也将保持稳定。N3A与R7形成跨阻放大器，将IPD1转换成输出电压VOUT，有如下关系：

可见，VOUT和VIN保持线性关系并与LED的输出无关。K3＝1±0.05，典型温漂为−65 ppm/℃，K3为光耦传输增益。图3为线性光耦测试数据，供电电压为5 V。测试仪器为DH1718E-4稳压源两台，FLUKE45、Agilent 34410A数字万用表各一台。

图2　光伏模式下的隔离电路

图3　光伏模式下隔离电路的输出—输入电压曲线

由图3可见，电路输出与输入保持了较好的线性关系。另外，经测试，该隔离电路的带宽为1.3 kHz，频率响应曲线如图4所示。

图4　光伏模式下隔离电路的频响曲线

当电路输出饱和时（图中圆圈所示），该隔离电路的输出温漂较明显。用热风枪距离电路板10 cm对其进行加热，调节热风枪温度，记录输出电压的变化。测试结果如表1。

表1　隔离电路输出饱和时输出电压与温度关系

可见，输出饱和时该电路温漂超过了20%，这是由于运放的饱和输出电压随环境温度的升高而减小造成的。将输入电压调至3 V时再测试，发现基本无温漂，因此工作时要避免电路进入饱和区域。

3线性光耦的光导工作模式

线性光耦的光导工作模式电路见图5。运放N4B调节LED电流ILED，产生光电流IPD1，使N1B的反相输入端与同相输入端保持同一电平。工作原理如下：当输入电压升高时，N4B将其放大后，使输出端的电压升高，因ILED和IPD1增加，而IPD1的增加会使N1B的反相输入端电压升高，并使其电压随输入电压变化。

根据运放虚短原理，N4B的反相输入端电压与同相输入端电压相等，因此有：

从上式可知，IPD1仅由输入电压VIN和输入电阻R8确定，与LED的光照强度无关。当LED光照强度发生漂移时，N1B会调节ILED，使IPD1保持稳定。因此IPD1与输入电压VIN保持较好的线性关系。

在输出端，PD2产生的光电流IPD2在R12产生压降，经N6A形成的跟随器输出，输出电压为：

图5　光导模式下的隔离电路

图6为线性光耦测试数据，供电电压均为5 V。测试仪器为DH1718E-4稳压源两台，GW SFG-2104信号源一台，Tektronix TDS2012示波器一台。使信号源输出正弦信号，信号峰峰值4 Vpp，（1.414Vrms.ac），直流偏置2 V，示波器分别对隔离电路的交流输入和输出电压进行测试。从测试数据可以看出，光导模式下，该隔离电路的带宽为160 kHz，通过调节电路参数R8、C11和R12，带宽可?

图6　光导模式下隔离电路频响曲线

4 线性光耦应用注意事项

光隔离电路在应用时应该注意以下几点，才能使其达到最佳性能：

通过合适的器件选型和电路参数技术，该线性光电隔离电路能达到较高的线性度和较宽的带宽，适合对中频的电压、电流等信号进行高精度的隔离检测。

参考文献：

[1] 贾伯年,俞朴.传感器技术[M].南京: 东南大学出版社,1992.

[2] AVAGO.HCNR200 and HCNR201,high-linearity analog optocouplers[M]. 2008.

[3] CLARE. LOC111 datasheet[M]. 2002.