線性光耦介紹
光隔離是一種很常用的信號隔離形式。常用光耦器件及其外圍電路組成。由于光耦電路簡單，在數字隔離電路或數據傳輸電路中常常用到，如UART協議的20mA電流環。對于模擬信號，光耦因為輸入輸出的線形較差，并且隨溫度變化較大，限制了其在模擬信號隔離的應用。
對于高頻交流模擬信號，變壓器隔離是最常見的選擇，但對于支流信號卻不適用。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案，如ADI的AD202，能夠提供從直流到幾K的頻率內提供0.025%的線性度，但這種隔離器件內部先進行電壓- 頻率轉換，對產生的交流信號進行變壓器隔離，然后進行頻率-電壓轉換得到隔離效果。集成的隔離放大器內部電路復雜，體積大，成本高，不適合大規模應用。
模擬信號隔離的一個比較好的選擇是使用線形光耦。線性光耦的隔離原理與普通光耦沒有差別，只是將普通光耦的單發單收模式稍加改變，增加一個用于反饋的光接受電路用于反饋。這樣，雖然兩個光接受電路都是非線性的，但兩個光接受電路的非線性特性都是一樣的，這樣，就可以通過反饋通路的非線性來抵消直通通路的非線性，從而達到實現線性隔離的目的。
市場上的線性光耦有幾中可選擇的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。這里以HCNR200/201為例介紹。
HCNR201的結構及工作原理
HCNR201光電耦合器是一種由三個光電元件組成的器件，主要技術指標如下：
具有±5％的傳輸增益誤差和±0．05％的線性誤差；
具有DC～1MHz的帶寬；
絕緣電阻高達1013Ω，輸入與輸出回路之間的分布電容為0．4pF；
耐壓能力為一分鐘5000V，最大絕緣工作電壓為1414V；
具有0～15V的輸入／輸出范圍。
HCNR201光電耦合器的內部結構如圖1所示，其中LED為鋁砷化鎵發光二極管，PD1、PD2是兩個相鄰匹配的光敏二極管，這種封裝結構決定了每一個光敏二極管都能從LED得到近似的光照，因而消除了LED的非線性和偏差特性所帶來的誤差。當電流流過LED時，LED發出的光被耦合到PD1與PD2，從而在器件輸出端產生與光強成正比的輸出電流。
圖1 線性光耦hcnr201內部結構
在使用時，可將第3、4輸出端與第1、2輸入端一起接入控制回路，其中第3、4端的光敏二極管起反饋作用，它可將產生的輸出電流再反饋到第1、2端的LED上，以對輸入信號進行反饋控制。
工作原理
hcnr201的led、pd1及運放a1等組成隔離電路的輸入部分，pd2及運放a2等組成隔離電路的輸出部分。設隔離電路輸入電壓為vin，輸出電壓為vout，led上電流為if，二極管pd1上產生的電流為ipd1，二極管pd2上產生的電流為ipd2，如圖2所示。
圖2 線性光耦hcnr201模擬電壓隔離電路
隔離電路中pd1形成了負反饋，當有電壓vin輸入時，運放a1的輸出使led上有電流if流過，且輸入電壓的變化體現在電流if上，并驅動led發光把電信號轉變成光信號。led發出的光被pd1探測到并產生光電流ipd1。同時，輸入電壓vin也會產生電流流過r1。假定a1是理想運放，則沒有電流流入a1的輸入端，流過r1的電流將會流過pd1到地，因此，ipd1=vin/r1。注意，ipd1只取決于輸入電壓vin和r1的值，與led的光輸出特性無關。又因led發出的光同時照射在兩個光敏二極管上，且pd1和pd2完全相同的，理想情況下ipd2應該等于ipd1。定義一個系數k，有ipd1=kipd2，k約為1±5%（當芯片制作完成后隨之確定）。運放a2和電阻r2把ipd2轉變成輸出電壓vout，有vout=ipd2r2，組合上面的3個方程得到輸出電壓和輸入電壓關系：vout/vin=kr2/r1，因此，輸出電壓vout具有穩定性和線性，其增益可通過調整r2與r1的值來實現，通常取r1和r2的值相同。
隔離電路中電阻r1起限流作用。r3用于控制led的發光強度，從而對控制通道增益起一定作用。電容c1、c2為反饋電容，用于提高電路的穩定性。運算放大器a1的作用是把電壓信號轉變成電流信號，運算放大器a2的作用是把光耦輸出的電流信號轉變為電壓信號，并增強負載驅動能力。
線性光耦的使用實例（一）
在某隨動檢測系統中，需要用檢測板對系統中的各電路板的參數進行監測，以對工作不正常的電路板給出故障指示，并用單片機來處理檢測結果。由于實際工作環境比較惡劣，為了防止干擾信號由采集信道進入檢測板及保證單片機系統工作正常，筆者采用光電耦合器來實現信號的傳輸。由于光電耦合器的發光二極管為電流驅動器件，因而應以電流環路的形式進行傳送，而且電流環路是低阻抗電路，它對噪聲的敏感度較低，因此提高了電路的抗干擾能力。有時干擾噪聲雖有較大的電壓幅度，但其能量小，所以只能形成微弱的電流，而光電耦合器輸入部分的發光二極管是在電流狀態下工作的，只有在通過一定強度的電流時才能發光，因此，即使有很高電壓幅值的干擾，也會因其所形成的電流大小而被抑制掉。
在實際檢測電路的某一采集信道中，如需對一組差動輸入信號進行檢測，可將電路接成如圖3所示的連接方式。圖中，通過放大器N1可將輸入的差動信號變為單邊信號后輸出。由于二極管V1和V2的作用，當輸入信號為正時，V2導通，V1截止，放大器N2呈開環狀態，光耦N5工作，N4關斷；而當輸入信號為負時，則正好相反。當HCNR201的第3、4端的光敏二極管受光后，其輸出信號將反饋到放大器的輸入端，以提高光耦的線性并減少溫漂。第5、6端輸出的信號經運放放大后輸出。電位器RP1的作用是調節運放輸入偏置電流的大小。電容C2、C3為反饋電容，可用于提高電路的穩定性，消除自激振蕩，濾除電路中的毛刺信號，降低電路的輸出噪聲，其容值可根據電路的頻率特性來選取。放大器N6的作用是把光耦輸出的電流信號轉變為電壓信號以供后級電路使用，并增強負載驅動能力，降低輸出阻抗。調整電阻RP2的值可以調整信道的增益。
