線性光耦合器LOC110的原理與應(yīng)用

1、線性光耦合器LOC110的原理與應(yīng)用摘 要：隔離放大器電路在通信、工業(yè)、醫(yī)療器械、電源及測(cè)試裝置等儀器中是十分關(guān)鍵的部件，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作非常重要。LOC110是美國(guó)CLARE公司生產(chǎn)的線性光耦合器，本文介紹其工作原理及其在隔離放大電路中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：隔離放大器、線性光耦合器、LOC110、線性度前言 隔離放大器具有極好的抗共模干擾能力，能有效地阻斷現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間電的聯(lián)系，但并不切斷它們之間的信號(hào)傳遞。而在通信、工業(yè)、醫(yī)療器材、電源及測(cè)試裝置等系統(tǒng)之中，電路中的隔離是必要的。傳統(tǒng)上該目的的實(shí)現(xiàn)是由變壓器及光耦合器件完成，其中變壓器是用于耦合交流信號(hào)；而光耦合器則用于直流信號(hào)的耦

2、合。不像一般的光耦合器件，LOC110在伺服模式設(shè)計(jì)下運(yùn)作，以補(bǔ)償發(fā)光二極管的非線性時(shí)間及溫度特性，除此之外，LOC110能同時(shí)耦合交流及直流信號(hào)。LOC110為設(shè)計(jì)者提供可取代大體積的變壓器及非線性光耦合器件在許多應(yīng)用中的另一種更佳的選擇。LOC110的結(jié)構(gòu)及工作原理 LOC110包含一個(gè)紅外線發(fā)光二極管與兩個(gè)光電三極管形成光耦合。其中的一個(gè)光電三極管是用在伺服反饋機(jī)制上，對(duì)發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流予以補(bǔ)償；另一個(gè)光電三極管是用于提供輸入及輸出電路間的電流隔離，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳。LOC110有DIP和表面貼裝兩種封裝形式，能耦合模擬和數(shù)字信號(hào)，增益穩(wěn)定性高，帶寬大于200KHz，低功耗，線性度可

3、達(dá)0.01%。 LOC110是以一對(duì)線性光耦合器應(yīng)用在電流的隔離上，以保持正確的交流及直流信號(hào)和由輸入到輸出的線性特性，它有光電壓和光電導(dǎo)兩種工作模式。 LOC110在光電導(dǎo)模式下工作的典型電路，圖中電路是配置成光電三極管的集電極與基極反向偏壓，這是LOC110在光電導(dǎo)模導(dǎo)式下運(yùn)作的接法。 當(dāng)輸入電壓VIN在0V及IF是0mA時(shí)，U1有一個(gè)大的開環(huán)增益值。隨著VIN值的升高，U1的輸出值開始進(jìn)入VCC1的軌跡上。隨著U1輸出的增大，IF開始有電流值而發(fā)光二極管也進(jìn)入工作狀態(tài)。接著，光電三極管受到發(fā)光二極管所發(fā)出光的照射而導(dǎo)通，并產(chǎn)生電流I1。當(dāng)I1流經(jīng)R1，在U1的反相端便產(chǎn)生電壓VA，使得放

4、大器進(jìn)入負(fù)反饋工作狀態(tài)。當(dāng)VA的值與VIN相等時(shí)，IF的值便不再增加，而且電路處在穩(wěn)定的閉環(huán)狀態(tài)。假如VIN被改變，VA將會(huì)跟隨VIN變化，發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光同樣也照射在輸出光電三極管上，而產(chǎn)生一輸出電流。這一電流與發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光及流過(guò)的電流成正比，而這一電流立刻反映在I1上。放大器的輸出電壓是電流I2和電阻R2的積。主要參數(shù)定義如下： 伺服增益K1 這個(gè)參數(shù)定義為伺服光電流I1對(duì)發(fā)光二極管的順向電流IF的比值，即K1I1/IF ，K1的典型值為0.007，輸入條件為IF =10mA， VCC =15V。 順向增益K2 此參數(shù)定義為伺服光電流I1與發(fā)光二極管順向電流IF的比值。即K2I

5、2/IF ，K2的典型值為0.007， 輸入條件為IF=10mA， VCC=15V. 轉(zhuǎn)移增益K3 此參數(shù)定義為K2和K1的比值，即K3K2/K1 當(dāng)放大器所應(yīng)用的帶寬達(dá)200KHz時(shí)，必須使用光電導(dǎo)模式。在此模式下有著與有 1位元線性誤差的8位元D/A變流器(Converter)相類似的線性特性及漂移特性。光電導(dǎo)模式所以有如此高的頻寬，原因之一是輸出光電三極管的基極和集電極間結(jié)面在反向偏壓時(shí)比順向偏壓及無(wú)偏壓時(shí)，有著較寬的耗盡區(qū)。在結(jié)面上，較寬的耗盡區(qū)造成一較低的結(jié)面電容，并有著較快的反應(yīng)時(shí)間常數(shù)，隨著反向偏壓的增加，結(jié)面的耗盡區(qū)變得越來(lái)越寬而造成一較低的結(jié)面電容。2光電壓模式 在光電壓模式

6、下，使用LOC110可達(dá)成最佳的線性度，最低的干擾及漂移性能。在這種模式下達(dá)成12位元線性度是有可能的，然而這是以較小帶寬40KHz為代價(jià)，典型的光電壓模式隔離放大器電路。 在光電壓模式下，LOC110的光電三極管的作用類似一個(gè)電壓發(fā)生器。所有的光電器件都呈現(xiàn)出一些電壓線性相關(guān)的特性，在光電三極管上維持0V偏壓可解決這一問(wèn)題，并改善其線性度。假如一個(gè)小電阻被連接在光電三極管的兩個(gè)端點(diǎn)上，則其輸出電流與發(fā)光二極管的電流成線性關(guān)系。為達(dá)到這一目的，光電三極管被連接在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端。隨著VIN的增加，流經(jīng)發(fā)光二極管的電流也增加，所產(chǎn)生的光也增加。發(fā)光二極管光源的光打在伺服光電三極管上，產(chǎn)生一

7、個(gè)起始電流I1，此電流由運(yùn)算放大器的反相輸入端流至光電三極管，而與VIN成線性關(guān)系。I1VIN /R1并使得運(yùn)算放大器反相輸入端的電壓，維持在0V。 由發(fā)光二極管產(chǎn)生的光也照在輸出端的光電三極管上，產(chǎn)生I2光電流，從運(yùn)算放大器的反相輸入端流出，緊接著由輸出端點(diǎn)流入一股電流逐漸取代由運(yùn)算放大器反相端流出的電流I2。同時(shí)輸出端端點(diǎn)電壓逐漸升高，這是I2經(jīng)R2所產(chǎn)生的電壓。 VOUTI2R2，I2I2，因此VOUT =I2R2，便得到與光電導(dǎo)模式相同的表達(dá)式： VOUTVINK3（R2/R1） 在光電壓模式下，光電三極管不象在光電導(dǎo)模式下一樣，有個(gè)外加電源在集電極上。由于沒(méi)有外部電源接在光電三極管上

8、，因而沒(méi)有暗電流的存在問(wèn)題。LOC110的應(yīng)用舉例1使用LOC110時(shí)的設(shè)計(jì)原則 在200KHz的帶寬應(yīng)用時(shí)，當(dāng)線性度與 1 LSB（Least Significant Bit）線性誤差的8位D/A轉(zhuǎn)換器相同時(shí)，使用光電導(dǎo)模式設(shè)計(jì)。 在40KHz的帶寬應(yīng)用時(shí)，線性度與 1 LSB線性誤差（0.01%）的12 13位D/A轉(zhuǎn)換器相當(dāng)使用光電壓模式。 為維持最佳線性度及使總諧波失真（Total Harmonic Distortion; THD）降至最小，可以使用一三極管作為緩沖來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。 要求高電阻值（30K）時(shí)，可在運(yùn)算放大器的輸出端與反相輸入端間，加一個(gè)100PF的電容，以防止振蕩產(chǎn)生。

9、常與LOC110一起使用在電路設(shè)計(jì)中的運(yùn)算放大器型號(hào)主要有：LMC6484、LM201、LM358和LM1558。2應(yīng)用領(lǐng)域 在通信應(yīng)用方面：通信產(chǎn)品，比如數(shù)據(jù)機(jī)，其電路中，從電話線到數(shù)據(jù)機(jī)資料間的隔離及信號(hào)耦合。 在工業(yè)控制的應(yīng)用方面：產(chǎn)品象溫度傳感器和控制器。溫度傳感器經(jīng)常與控制器被分開的距離很長(zhǎng)，而且處于接近高壓線的有害環(huán)境中，隔離設(shè)計(jì)提供所需的信號(hào)耦合并同時(shí)保障工作人員在控制器附近作業(yè)時(shí)的安全。 在醫(yī)療器械的應(yīng)用方面：EEG及ECG裝置有各種傳感器附著于病人身上，這些傳感器的電流需要被隔離，以便在病人及裝置之間提供一個(gè)高壓隔離的屏蔽。 在電源及測(cè)試裝置的應(yīng)用方面：經(jīng)常使用于隔離交換電源

10、上。因?yàn)樾枰獧z測(cè)輸出電壓及反饋一部分的信號(hào)到控制器以使電壓得到調(diào)節(jié)，而不危及電源的隔離目的。3LOC110的應(yīng)用實(shí)例 兩個(gè)運(yùn)算放大器都有5V的供電電源Vcc。要求輸入電壓范圍為0 2V時(shí)，輸出電壓范圍為0 4V，此時(shí)需確定參數(shù)R1和R2的值。 R1的確定 因?yàn)楣怆娏鱅1及R1的積會(huì)緊隨VIN變化而變化，所以 VINI1R1 （1） 現(xiàn)在光電流I1是由發(fā)光二極管（LED）所發(fā)出的光產(chǎn)生，而發(fā)光二極管的光又是由發(fā)光二極管的電流IF流過(guò)LED時(shí)所激發(fā)，因此I1與發(fā)光二極管的電流IF及比例常數(shù)K1成正比，而此常數(shù)被定義為伺服增益。 I1K1IF （2） 要想以最佳的方式?jīng)Q定R1值，IF的最大值應(yīng)使用上

11、式求得，由于此值正對(duì)應(yīng)VIN的最大值2V，在此例中，運(yùn)算放大器的輸出電流設(shè)定為15mA，因此R1值可以表示為 R1VIN /(K1IF) （3） 使用K1最小值0.004，代入VIN =2V和IF最大值15mA，得到R1值為33.3K 。 R2的確定 輸出電壓VOUT與R2相關(guān) VOUTI2R2 （4） 光電流I2與發(fā)光二極管所產(chǎn)生的光成正比，而發(fā)光二極管的電流IF及比例常數(shù)K2合起來(lái)可以表示I2的值。 I2IFK2 （5） 將方程式（5）的I2代入方程式（4），可解出R2。 R2VOUT/(IFK2) （6） 使用K2最小值0.004，代入VOUT =4V和IF最大值15mA，代入（6）式，得到R2值為66.6K 。 本實(shí)例的相關(guān)參數(shù)及定義 由第3式解VIN VINIFK1R1 （7） 將第4式及第5式合并解VOUT: VOUTIFK2R2 (8) 將第8式除第7式得到VOUT的最后式: