線性光耦合器LOC110的原理與應(yīng)用

         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傳遞。而在通信、工業(yè)、醫(yī)療器材、電源及測試裝置等系統(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；而光耦合器則用于直流信號的耦合。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間及溫度特性，除此之外，LOC110能同時耦合交流及直流信號。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包含一個紅外線發(fā)光二極管與兩個光電三極管形成光耦合。其中的一個光電三極管是用在伺服反饋機(jī)制上，對發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流予以補(bǔ)償；另一個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)及引腳如圖1所示。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，增益穩(wěn)定性高，帶寬大于200KHz，低功耗，線性度可達(dá)0.01%。

　　LOC110是以一對線性光耦合器應(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。

1.光電導(dǎo)模式

　　圖2是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，U1有一個大的開環(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，使得放大器進(jìn)入負(fù)反饋工作狀態(tài)。當(dāng)VA的值與VIN相等時，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

　　這個參數(shù)定義為伺服光電流I1對發(fā)光二極管的順向電流IF的比值，即K1＝I1/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K2＝I2/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K3＝K2/K1

　　當(dāng)放大器所應(yīng)用的帶寬達(dá)200KHz時，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)面在反向偏壓時比順向偏壓及無偏壓時，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)，圖3為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偏壓可解決這一問題，并改善其線性度。假如一個小電阻被連接在光電三極管的兩個端點(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)生一個起始電流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。I1＝VIN /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。

　　VOUT＝I2'·R2，I2＝I2'，因此VOUT =I2·R2，便得到與光電導(dǎo)模式相同的表達(dá)式：

VOUT＝VIN·K3·（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，有個外加電源在集電極上。由于沒有外部電源接在光電三極管上，因而沒有暗電流的存在問題。

LOC110的應(yīng)用舉例

1．使用LOC110時的設(shè)計(jì)原則

⑴在200KHz的帶寬應(yīng)用時，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，使用光電導(dǎo)模式設(shè)計(jì)。

⑵在40KHz的帶寬應(yīng)用時，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。

⑶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驅(qū)動LED。

⑷要求高電阻值（>30K）時，可在運(yùn)算放大器的輸出端與反相輸入端間，加一個100PF的電容，如圖2所示，以防止振蕩產(chǎn)生。

⑸常與LOC110一起使用在電路設(shè)計(jì)中的運(yùn)算放大器型號主要有：LMC6484、LM201、LM358和LM1558。

2．應(yīng)用領(lǐng)域

⑴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耦合。

⑵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，而且處于接近高壓線的有害環(huán)境中，隔離設(shè)計(jì)提供所需的信號耦合并同時保障工作人員在控制器附近作業(yè)時的安全。

⑶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高壓隔離的屏蔽。

⑷在電源及測試裝置的應(yīng)用方面：經(jīng)常使用于隔離交換電源上。因?yàn)樾枰獧z測輸出電壓及反饋一部分的信號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。

3．LOC110的應(yīng)用實(shí)例

　　電路圖如圖2所示，兩個運(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，輸出電壓范圍為0 4V，此時需確定參數(shù)R1和R2的值。

⑴R1的確定

因?yàn)楣怆娏鱅1及R1的積會緊隨VIN變化而變化，所以
VIN＝I1·R1 （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LED時所激發(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。

I1＝K1·IF （2）
　　要想以最佳的方式?jīng)Q定R1值，IF的最大值應(yīng)使用上式求得，由于此值正對應(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
R1＝VIN /(K1·IF) （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 。

⑵R2的確定

輸出電壓VOUT與R2相關(guān)
VOUT＝I2·R2 （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合起來可以表示I2的值。
I2＝IF·K2 （5）
將方程式（5）的I2代入方程式（4），可解出R2。
R2＝VOUT/(IF·K2) （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 。

⑶本實(shí)例的相關(guān)參數(shù)及定義

由第3式解VIN
VIN＝IF·K1·R1 （7）
將第4式及第5式合并解VOUT:
VOUT＝IF·K2·R2 (8)
將第8式除第7式得到VOUT的最后式:
VOUT＝VIN(K2 R2)/(K1 R1） (9)
由于K3的定義是K3＝K2/K1，因而可簡化為:
VOUT＝VIN K3 （R2/R1） (10)
其中IF在第10式中相互抵消，這是由于伺服光電三極管和輸出光電三極管使用同一個發(fā)光二極管產(chǎn)生的光源，因?yàn)镵3=K2/K1，而K1=K2=0.004，進(jìn)而得到K3=1。
因此VOUT值與R2及R1的比值成正比。