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线性光耦合器LOC110的原理与应用
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The principle and applications of Linear Opto-Coupler
LOC110
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■天津大学精密仪器与光电子工程学院 李树靖 林凌 李刚
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摘要：隔离放大器电路在通信、工业、医疗器械、电源及测试装置等仪器中是十分关键的部件，对整个系统的正常工作非常重要。LOC110是美国CLARE公司生产的线性光耦合器，本文介绍其工作原理及其在隔离放大电路中的应用。
关键词：隔离放大器、线性光耦合器、LOC110、线性度
前言
隔离放大器具有极好的抗共模干扰能力，能有效地阻断现场和数据采集系统之间电的联系，但并不切断它们之间的信号传递。而在通信、工业、医疗器材、电源及测试装置等系统之中，电路中的隔离是必要的。传统上该目的的实现是由变压器及光耦合器件完成，其中变压器是用于耦合交流信号；而光耦合器则用于直流信号的耦合。不像一般的光耦合器件，LOC110在伺服模式设计下运作，以补偿发光二极管的非线性时间及温度特性，除此之外，LOC110能同时耦合交流及直流信号。LOC110为设计者提供可取代大体积的变压器及非线性光耦合器件在许多应用中的另一种更佳的选择。
LOC110的结构及工作原理
LOC110包含一个红外线发光二极管与两个光电三极管形成光耦合。其中的一个光电三极管是用在伺服反馈机制上，对发光二极管的导通电流予以补偿；另一个光电三极管是用于提供输入及输出电路间的电流隔离，其内部结构及引脚如图1所示。LOC110有DIP和表面贴装两种封装形式，能耦合模拟和数字信号，增益稳定性高，带宽大于200KHz，低功耗，线性度可达0.01%。
LOC110是以一对线性光耦合器应用在电流的隔离上，以保持正确的交流及直流信号和由输入到输出的线性特性，它有光电压和光电导两种工作模式。
1.光电导模式
图2是LOC110在光电导模式下工作的典型电路，图中电路是配置成光电三极管的集电极与基极反向偏压，这是LOC110在光电导模导式下运作的接法。
当输入电压VIN在0V及IF是0mA时，U1有一个大的开环增益值。随着VIN值的升高，U1的输出值开始进入VCC1的轨迹上。随着U1输出的增大，IF开始有电流值而发光二极管也进入工作状态。接着，光电三极管受到发光二极管所发出光的照射而导通，并产生电流I1。当I1流经R1，在U1的反相端便产生电压VA，使得放大器进入负反馈工作状态。当VA的值与VIN相等时，IF的值便不再增加，而且电路处在稳定的闭环状态。假如VIN被改变，VA将会跟随VIN变化，发光二极管所产生的光同样也照射在输出光电三极管上，而产生一输出电流。这一电流与发光二极管所产生的光及流过的电流成正比，而这一电流立刻反映在I1上。放大器的输出电压是电流I2和电阻R2的积。主要参数定义如下：
伺服增益－K1
这个参数定义为伺服光电流I1对发光二极管的顺向电流IF的比值，即K1＝I1/IF ，K1的典型值为0.007，输入条件为IF =10mA，
VCC =15V。
顺向增益－K2
此参数定义为伺服光电流I1与发光二极管顺向电流IF的比值。即K2＝I2/IF ，K2的典型值为0.007， 输入条件为IF=10mA，
VCC=15V.
转移增益－K3
此参数定义为K2和K1的比值，即K3＝K2/K1
当放大器所应用的带宽达200KHz时，必须使用光电导模式。在此模式下有着与有 1位元线性误差的8位元D/A变流器(Converter)相类似的线性特性及漂移特性。光电导模式所以有如此高的频宽，原因之一是输出光电三极管的基极和集电极间结面在反向偏压时比顺向偏压及无偏压时，有着较宽的耗尽区。在结面上，较宽的耗尽区造成一较低的结面电容，并有着较快的反应时间常数，随着反向偏压的增加，结面的耗尽区变得越来越宽而造成一较低的结面电容。
2．光电压模式
在光电压模式下，使用LOC110可达成最佳的线性度，最低的干扰及漂移性能。在这种模式下达成12位元线性度是有可能的，然而这是以较小带宽40KHz为代价，图3为典型的光电压模式隔离放大器电路。
在光电压模式下，LOC110的光电三极管的作用类似一个电压发生器。所有的光电器件都呈现出一些电压线性相关的特性，在光电三极管上维持0V偏压可解决这一问题，并改善其线性度。假如一个小电阻被连接在光电三极管的两个端点上，则其输出电流与发光二极管的电流成线性关系。为达到这一目的，光电三极管被连接在运算放大器的两个输入端。随着VIN的增加，流经发光二极管的电流也增加，所产生的光也增加。发光二极管光源的光打在伺服光电三极管上，产生一个起始电流I1，此电流由运算放大器的反相输入端流至光电三极管，而与VIN成线性关系。I1＝VIN
/R1并使得运算放大器反相输入端的电压，维持在0V。
由发光二极管产生的光也照在输出端的光电三极管上，产生I2光电流，从运算放大器的反相输入端流出，紧接着由输出端点流入一股电流逐渐取代由运算放大器反相端流出的电流I2。同时输出端端点电压逐渐升高，这是I2'经R2所产生的电压。
VOUT＝I2'·R2，I2＝I2'，因此VOUT =I2·R2，便得到与光电导模式相同的表达式：
VOUT＝VIN·K3·（R2/R1）
在光电压模式下，光电三极管不象在光电导模式下一样，有个外加电源在集电极上。由于没有外部电源接在光电三极管上，因而没有暗电流的存在问题。
LOC110的应用举例
1．使用LOC110时的设计原则
⑴在200KHz的带宽应用时，当线性度与 1 LSB（Least Significant Bit）线性误差的8位D/A转换器相同时，使用光电导模式设计。
⑵在40KHz的带宽应用时，线性度与 1 LSB线性误差（0.01%）的12 13位D/A转换器相当使用光电压模式。
⑶为维持最佳线性度及使总谐波失真（Total Harmonic Distortion; THD）降至最小，可以使用一三极管作为缓冲来驱动LED。
⑷要求高电阻值（>30K）时，可在运算放大器的输出端与反相输入端间，加一个100PF的电容，如图2所示，以防止振荡产生。
⑸常与LOC110一起使用在电路设计中的运算放大器型号主要有：LMC6484、LM201、LM358和LM1558。
2．应用领域
⑴在通信应用方面：通信产品，比如数据机，其电路中，从电话线到数据机资料间的隔离及信号耦合。
⑵在工业控制的应用方面：产品象温度传感器和控制器。温度传感器经常与控制器被分开的距离很长，而且处于接近高压线的有害环境中，隔离设计提供所需的信号耦合并同时保障工作人员在控制器附近作业时的安全。
⑶在医疗器械的应用方面：EEG及ECG装置有各种传感器附着于病人身上，这些传感器的电流需要被隔离，以便在病人及装置之间提供一个高压隔离的屏蔽。
⑷在电源及测试装置的应用方面：经常使用于隔离交换电源上。因为需要检测输出电压及反馈一部分的信号到控制器以使电压得到调节，而不危及电源的隔离目的。
3．LOC110的应用实例
电路图如图2所示，两个运算放大器都有5V的供电电源Vcc。要求输入电压范围为0 2V时，输出电压范围为0 4V，此时需确定参数R1和R2的值。
⑴R1的确定
因为光电流I1及R1的积会紧随VIN变化而变化，所以
VIN＝I1·R1 （1）
现在光电流I1是由发光二极管（LED）所发出的光产生，而发光二极管的光又是由发光二极管的电流IF流过LED时所激发，因此I1与发光二极管的电流IF及比例常数K1成正比，而此常数被定义为伺服增益。
I1＝K1·IF （2）
要想以最佳的方式决定R1值，IF的最大值应使用上式求得，由于此值正对应VIN的最大值2V，在此例中，运算放大器的输出电流设定为15mA，因此R1值可以表示为
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值为33.3K 。
⑵R2的确定
输出电压VOUT与R2相关
VOUT＝I2·R2 （4）
光电流I2与发光二极管所产生的光成正比，而发光二极管的电流IF及比例常数K2合起来可以表示I2的值。
I2＝IF·K2 （5）
将方程式（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值为66.6K 。
⑶本实例的相关参数及定义
由第3式解VIN
VIN＝IF·K1·R1 （7）
将第4式及第5式合并解VOUT:
VOUT＝IF·K2·R2 (8)
将第8式除第7式得到VOUT的最后式:
VOUT＝VIN(K2 R2)/(K1 R1） (9)
由于K3的定义是K3＝K2/K1，因而可简化为:
VOUT＝VIN K3 （R2/R1） (10)
其中IF在第10式中相互抵消，这是由于伺服光电三极管和输出光电三极管使用同一个发光二极管产生的光源，因为K3=K2/K1，而K1=K2=0.004，进而得到K3=1。
因此VOUT值与R2及R1的比值成正比。
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