1.线形光耦介绍

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

2.芯片介绍与原理说明

hcnr200/201的内部框图如下所示

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

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。

hcnr200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。

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%；

线性系数k3：hcnr200：15%，hcnr201：5%；

温度系数： -65ppm/oc；

隔离电压：1414v；

信号带宽：直流到大于1mhz。

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。

3.典型电路分析

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：

图2

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。

将前级运放的电路提出来看，如下图所示：

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：

vo=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。

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：

通过r3两端的电流为if，根据欧姆定律得：

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。

根据光耦的特性，即

k1=ip1/if (4)

将和的表达式代入上式，可得：


上式经变形可得到：

将的表达式代入（3）式可得：

考虑到g特别大，则可以做以下近似：

这样，输出与输入电压的关系如下：

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。

4.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。

4.1 运放选型

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。

4.2 阻值确定

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

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，例如如果不需要方法，只需将r2=r1即可。

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。

4.3 参数确定实例

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；

确定r1：;

确定r2：r2=r1=32k。

5.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。