线性光耦电路的设计方法及相关参考设计，讲得太全了！

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1.线形光耦介绍
+ C5 g( V) e" v+ l' P( Z( f! p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。
- [6 V; M, z+ V, ]9 {
/ \5 }! t! X, m  r6 ~+ D: j; R$ m* }* K" D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。
% p* y$ L8 j! j( M8 Y
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。
1 F! j+ X5 _$ `- p1 _! m" ?
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。

2. 芯片介绍与原理说明
  A1 b9 z3 G% {  V- ^) X其中 1、2 引作为隔离信号的输入，3、4 引脚用于反馈，5、6 引脚用于输出。1、2 引脚之间的电流记作 IF，3、4 引脚之间和 5、6 引脚之间的电流分别记作 IPD1 和 IPD2。输入信号经过电压 - 电流转化，电压的变化体现在电流 IF 上，IPD1 和 IPD2 基本与 IF 成线性关系，线性系数分别记为 K1 和 K2,即
4 s1 x( N' [9 f. o, ~. Q3 j
0 {5 G/ v" J. I# c) ^/ u9 U! m/ k

K1 与 K2 一般很小（HCNR200 是 0.50%），并且随温度变化较大（HCNR200 的变化范围在 0.25%到 0.75%之间），但芯片的设计使得 K1 和 K2 相等。在后面可以看到，在合理的外围电路设计中，真正影响输出 / 输入比值的是二者的比值 K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。
+ X" B! q: z0 @9 T4 B
0 A0 x7 D3 J' O2 y3 @+ ]. r5 |2 w1 j8 pHCNR200 和 HCNR201 的内部结构完全相同，差别在于一些指标上。相对于 HCNR200，HCNR201 提供更高的线性度。
4 g0 s5 H, v3 M1 T
1 y  E- D0 [9 r* @; F, v: O/ }9 R采用 HCNR200/201 进行隔离的一些指标如下所示：

* 线性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%；
, r4 D. H* T" ^' i! H: _
/ r, y+ ]8 _% J$ J. B* z* 线性系数 K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%；
  N+ J9 S% N/ K- l% q* m
* 温度系数：-65ppm/oC；
. X9 {6 o6 D  P4 C) w& D
* 隔离电压：1414V；

9 F" A3 z6 w9 l$ u+ {/ j4 W. W* 信号带宽：直流到大于 1MHz。
+ p5 g, `8 i7 S$ j4 N6 X
从上面可以看出，和普通光耦一样，线性光耦真正隔离的是电流，要想真正隔离电压，需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。下面对 HCNR200/201 的典型电路进行分析，对电路中如何实现反馈以及电流 - 电压、电压 - 电流转换进行推导与说明。
  O1 S9 s$ n9 R: O( O* y; F$ |
3. 典型电路分析
+ H9 N0 X* X7 k9 ]Agilent 公司的 HCNR200/201 的手册上给出了多种实用电路，其中较为典型的一种如下图所示：
9 b& D$ ]) G$ j5 {* M
, {* f! M) `7 R0 k0 }设输入端电压为 Vin，输出端电压为 Vout，光耦保证的两个电流传递系数分别为 K1、K2，显然，，和之间的关系取决于和之间的关系。
0 Q6 D' A) J, o4 A! W% ~
3 w0 Y" ^! \2 C( G: q: R将前级运放的电路提出来看，如下图所示：
% `- {' g2 ~* W4 U  Z' i& _
2 J3 P; k. V. v( V2 m设运放负端的电压为，运放输出端的电压为，在运放不饱和的情况下二者满足下面的关系：
! a3 X8 ?6 V6 d0 \* z
/ D: _( R/ |7 _& m2 l8 I1 y% z/ LVo=Voo-GVi  (1)

其中是在运放输入差模为 0 时的输出电压，G 为运放的增益，一般比较大。
& i$ x7 m" Q/ t! _' {8 S
8 \+ `/ r5 y2 S9 N" q- n忽略运放负端的输入电流，可以认为通过 R1 的电流为 IP1，根据 R1 的欧姆定律得：

0 d; o& U' m' ~+ j
) i! m( t9 p1 g% L. h$ a6 ~. ~
, {$ }, G+ K% ~; k# G; ?通过 R3 两端的电流为 IF，根据欧姆定律得：
( _0 z2 @; |" ]# a& `6 I
  W) y6 [3 Y& R

* w( D" B: p; w- W1 x9 H其中,为光耦 2 脚的电压，考虑到 LED 导通时的电压基本不变，这里的作为常数对待。
# ^5 m- s+ M/ |
根据光耦的特性，即
  q8 T# C* p5 p- O' C) n0 W5 b+ N- L: S
K1=IP1/IF  (4)

, w( O1 X& I0 K5 [9 C" O将和的表达式代入上式，可得：
  |; H# ^) N" R) R+ A. \

- A- X3 k( j  }2 A; M2 ?

) l' }& V. v% D! T& ]" P上式经变形可得到：

& K3 m; w! O0 ]3 A# |
* i2 I) \+ a0 k
将的表达式代入（3）式可得：
; f6 F& S! V& B( g+ X0 W) @
& i% z6 T' ]; j& y) j8 f$ Y

" x; T2 ]* `& v/ h9 G

4 l+ I1 A8 W4 F考虑到 G 特别大，则可以做以下近似：
  {! s& Q" u4 Y( y1 Q

7 ?+ `+ v% d( Q& I( e) J! F这样，输出与输入电压的关系如下：

" v6 t. \& Z. Q1 H! U) x% T1 l
' ?5 S% I( O- ]( \$ g
可见，在上述电路中，输出和输入成正比，并且比例系数只由 K3 和 R1、R2 确定。一般选 R1=R2，达到只隔离不放大的目的。

' _8 d+ r' T2 S/ |0 x4. 辅助电路与参数确定
上面的推导都是假定所有电路都是工作在线性范围内的，要想做到这一点需要对运放进行合理选型，并且确定电阻的阻值。

; j1 y8 i* s: U! E4.1 运放选型
, |2 W; X/ ~" |) w5 r9 t运放可以是单电源供电或正负电源供电，上面给出的是单电源供电的例子。为了能使输入范围能够从 0 到 VCC，需要运放能够满摆幅工作，另外，运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。TI 公司的 LMV321 单运放电路能够满足以上要求，可以作为 HCNR200/201 的外围电路。

) |- ^0 \* i- s) k, E5 f4.2 阻值确定
  Y/ b# A/ a" o; E  }) h1 f电阻的选型需要考虑运放的线性范围和线性光耦的最大工作电流 IFmax。K1 已知的情况下，IFmax 又确定了 IPD1 的最大值 IPD1max，这样，由于 Vo 的范围最小可以为 0，这样，由于考虑到 IFmax 大有利于能量的传输，这样，一般取最大值。
另外，由于工作在深度负反馈状态的运放满足虚短特性，因此，考虑 IPD1 的限制，这样，R2 的确定可以根据所需要的放大倍数确定，例如如果不需要放大，只需将 R2=R1 即可。

8 Z2 q( f( I$ y# i1 Q5 s  r另外由于光耦会产生一些高频的噪声，通常在 R2 处并联电容，构成低通滤波器，具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。
* N3 P) |6 b: U' t' \' z' v
4.3 参数确定实例
$ O. p  m5 k5 c$ Q假设确定 Vcc=5V，输入在 0-4V 之间，输出等于输入，采用 LMV321 运放芯片以及上面电路，下面给出参数确定的过程。

* 确定 IFmax：HCNR200/201 的手册上推荐器件工作的 25mA 左右；

* 确定 R3：R3=5V/25mA=200；

) n. a6 S; B6 D( `, z3 b* 确定 R1：;

. W# |' G2 ]9 Q* 确定 R2：R2=R1=32K。
( I" g8 y: P; R/ g6 m, q# |
- H9 A8 K8 B7 A5. 总结
本文给出了线性光耦的简单介绍以及电路设计、参数选择等使用中的注意事项与参考设计，并对电路的设计方法给出相应的推导与解释，供广大电子工程师参考。

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是的，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。