基于国产高线性光耦的交流信号隔离设计

唐宗勇

摘要：本文基于国产高线性光耦HPC300设计并制作了交流信号隔离电路，对电路特性进行了分析、验证和改进。仿真结果和实际电路测试均表明该电路可用，能够有效实现交流信号隔离。

关键词：HPC300；线性光耦；信号隔离

0引言

水面无人平台应用中，为了避免内外部电路因接地点不同所带来的误差，保护内部电路，并确保信号传递质量，往往需要在电气上进行隔离。交流信号隔离一般使用变压器隔离、线性放大器隔离等。变压器隔离有很好的线性度，但是体积大，重量大限制了应用场景，线性隔离放大器则使用成本较高，而光电隔离没有如上问题限制[1]，通过合理的设计可以实现高精度的信号隔离，是一种很实用的模拟信号隔离方式。

1 芯片与原理说明

HPC300是一种国产高精度线性光耦器件,内部结构如图1所示，由砷化铝镓红外LED与两个光敏二极管组成光耦合，LDE发光可分别作用在两个光敏二极管上。光敏二极管VD1用于生成LED 反馈机制用的控制信号驱动电流,从为LED的非线性时间和温度给予补偿[2]。光敏二极管VD2用于提供输入及输出电路间的电流隔离。红外LDE正向电压VF典型值为1.2V,工作电流IF为2～10mA,光敏二极管VD2控制电流IC1，光敏二极管VD2产生输出电流IC2。

图1  HPC300内部结构原理

2 交流隔离电路设计及原理分析

HPC300是高线性度器件，可作为理想的模拟信号隔离器件使用，用来设计交流信号隔离电路，其结构图如图2所示。

图2 隔离原理图

输入信号频率不高于100kHz，幅度为±10V，输出信号同为±10V，设计采用两个光耦互补形式工作。运放U1和光耦OC1用于输入信号正半周的隔离放大，运放U2和光耦OC2用于输入信号负半周的隔离放大。电容C1、C2、C3为反馈电容，可用于提高电路的稳定性，消除自激震荡，滤除电路中的毛刺信号，降低电路的输出噪声。平衡调节电阻RP1可调整输入信号正负部分的关联增益。RP2可调节整个隔离放大电路总增益，可调节总增益为1。

由于电路上下是互补的两个部分,工作原理相同,信号极性不同，在此仅分析信号正半周的隔离放大原理。设定R1为电位器RP1信号正半周通过有效电阻,它和电阻R2一起构成了正半周电路的输入电阻,当输入电压增大时，U1负端电压增大，导致IF增大，IF增大引起IVD1增大，因为VD1和GND1连在一起，IC1的增大将降低U1负端电压，VD1起负反馈作用。U1继续增大IF直到负端变为0V，根据运放“虚短”、“虚断”原则，流过光敏二极管VD1的伺服电流IC1为：

IC1=UIN/（R1+ R2）（1）

由上式可得知，IC1仅仅取决于输入电压和输入电阻（R1+R2），与LED特性无关，当LED受温度影响而特性改变时，运放U1调整IF来补偿和保持VD1的稳定。光敏二极管VD2、运放U3和电阻R8、RP2构成输出回路，设RP2接入电路有效电阻为R9，可得：

VOUT=IC2×（R8+R9）（2）

因为IC1和IC2有关系式K3=IC2/IC1，K3为一常数，典型值为1，结合（1）和（2）式可得：

VOUT/VIN=K3×(R8+R9)/(R1+R2) （3）

因此，输入信号和输出信号成比例关系，二者之间有很好的线性度。

可见，电路很好地实现了信号正半周的隔离，二者有固定的比例关系。在信号负半周，电路工作原理同正半周。RP2和电阻R8串联，可调节RP2使得电路具有放大功能，输入输出具有相同的特性，无需放大，调节RP2使得R8+R9=R1+R2，使电路只隔离而不放大。

3 电路特性仿真与改进

根据互补电路工作原理，信号的正负半周分别通过不同的电路部分，但在信号接近零或者很小时，电路两个部分都不会导通，因此输出信号会出现交越失真。利用软件仿真结果如图3所示。

图3 交越失真仿真

针对交越失真的情况，对电路设置合适的偏置使得在无信号输入或者信号很小时，光耦仍然处于微导通状态；当有信号输入时，运放可以很快响应输入，有效减小波形失真，改进后电路如图4所示，增加二极管D3、D4、D5、D6，用于光耦的偏置，给红外LED设定合适的静态工作点[3]。

图4 隔离电路图

改进后电路仿真如图5所示。可见，加偏置电路后波形的交越失真基本消失，说明偏置电路可以改进电路传输性能。

图5 改进电路仿真

利用温度仿真功能，对改进后的电路进行-20℃和60℃温度特性仿真，检验电路运行稳定性，仿真结果如图6。

图6 电路温度特性仿真

从仿真结果来看，在温度范围内电路工作稳定，线性度良好，失真度小，电路具有很好的温度特性。

4结语

根据电路工作原理分析、仿真试验结果和实际测试结果表明：该电路线性度好，稳定度高，实现了输入信号和输出信号的有效隔离。若继续对电路进行针对设计，可实现单/双极信号、交直流信号等隔离

应用。

参考文献

[1] 赵昕.高线性模拟光耦HCNR201原理及其在检测电路中的应用[J].国外电子元器件,2003,(3):15-17.

[2] 尹永强.基于高线性光耦HCNR201的交流信号隔离电路的实现[J].电测与仪表,2008,(11):6-10.