線性光耦原理與電路設計

設運放負端的電壓為,運放輸出端的電壓為,在運放不飽和的情況下二者滿足下面的關系:

Vo=Voo-GVi (1)

其中是在運放輸入差模為0時的輸出電壓,G為運放的增益,一般比較大.

忽略運放負端的輸入電流,可以認為通過R1的電流為IP1,根據R1的歐姆定律得:

通過R3兩端的電流為IF,根據歐姆定律得:

其中,為光耦2腳的電壓,考慮到LED導通時的電壓()基本不變,這里的作為常數對待.

根據光耦的特性,即

K1=IP1/IF (4)

將和的表達式代入上式,可得:

上式經變形可得到:

將的表達式代入(3)式可得:

考慮到G特別大,則可以做以下近似:

這樣,輸出與輸入電壓的關系如下:

可見,在上述電路中,輸出和輸入成正比,并且比例系數只由K3和R1、R2確定.一般選R1=R2,達到只隔離不放大的目的.

4. 輔助電路與參數確定

上面的推導都是假定所有電路都是工作在線性范圍內的,要想做到這一點需要對運放進行合理選型,并且確定電阻的阻值.

4.1 運放選型

運放可以是單電源供電或正負電源供電,上面給出的是單電源供電的例子.為了能使輸入范圍能夠從0到VCC,需要運放能夠滿擺幅工作,另外,運放的工作速度、壓擺率不會影響整個電路的性能.TI公司的LMV321單運放電路能夠滿足以上要求,可以作為HCNR200/201的外圍電路.

4.2 阻值確定

電阻的選型需要考慮運放的線性范圍和線性光耦的最大工作電流IFmax.K1已知的情況下,IFmax又確定了IPD1的最大值IPD1max,這樣,由于Vo的范圍最小可以為0,由于考慮到IFmax大有利于能量的傳輸,這樣,一般取另外,由于工作在深度負反饋狀態的運放滿足虛短特性,因此,考慮IPD1的限制,這樣,R2的確定可以根據所需要的放大倍數確定,例如如果不需要方法,只需將R2=R1即可.

另外由于光耦會產生一些高頻的噪聲,通常在R2處并聯電容,構成低通濾波器,具體電容的值由輸入頻率以及噪聲頻率確定.

4.3 參數確定實例

假設確定Vcc=5V,輸入在0-4V之間,輸出等于輸入,采用LMV321運放芯片以及上面電路,下面給出參數確定的過程.

* 確定IFmax:HCNR200/201的手冊上推薦器件工作的25mA左右;

* 確定R3:R3=5V/25mA=200;

* 確定R1:;

* 確定R2:R2=R1=32K.

5. 總結

本文給出了線性光耦的簡單介紹以及電路設計、參數選擇等使用中的注意事項與參考設計,并對電路的設計方法給出相應的推導與解釋,供廣大電子工程師參考.