线性光耦原理与电路设计

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,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.