线性光耦简介、原理及典型电路分析-电路图讲解-电子技术方案

  1. 线形光耦介绍 光隔离是一种很常用的信号隔离形式。常用光耦器件及其外围电路组成。由于光耦电路简单，在数字隔离电路或数据传输电路中常常用到，如UART协议的20mA电流环。对于模拟信号，光耦因为输入输出的线形较差，并且随温度变化较大，限制了其在模拟信号隔离的应用。   

 对于高频交流模拟信号，变压器隔离是最常见的选择，但对于支流信号却不适用。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如ADI的AD202，能够提供从直流到几K的频率内提供0.025%的线性度，但这种隔离器件内部先进行电压-频率转换，对产生的交流信号进行变压器隔离，然后进行频率-电压转换得到隔离效果。集成的隔离放大器内部电路复杂，体积大，成本高，不适合大规模应用。   

 模拟信号隔离的一个比较好的选择是使用线形光耦。线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别，只是将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加一个用于反馈的光接受电路用于反馈。这样，虽然两个光接受电路都是非线性的，但两个光接受电路的非线性特性都是一样的，这样，就可以通过反馈通路的非线性来抵消直通通路的非线性，从而达到实现线性隔离的目的。   

 市场上的线性光耦有几中可选择的芯片，如Agilent公司的HCNR200/201，TI子公司TOAS的TIL300，CLARE的LOC111等。这里以HCNR200/201为例介绍  

2. 芯片介绍与原理说明 HCNR200/201的内部框图如下所示 

 其中1、2引作为隔离信号的输入，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出。1、2引脚之间的电流记作IF，3、4引脚之间和5、6引脚之间的电流分别记作IPD1和IPD2。输入信号经过电压-电流转化，电压的变化体现在电流IF上，IPD1和IPD2基本与IF成线性关系，线性系数分别记为K1和K2,即     K1与K2一般很小（HCNR200是0.50%），并且随温度变化较大（HCNR200的变化范围在0.25%到0.75%之间），但芯片的设计使得K1和K2相等。在后面可以看到，在合理的外围电路设计中，真正影响输出/输入比值的是二者的比值K3,线性光耦正利用这种特性才能达到满意的线性度的。   HCNR200和HCNR201的内部结构完全相同，差别在于一些指标上。相对于HCNR200，HCNR201提供更高的线性度。  

采用HCNR200/201进行隔离的一些指标如下所示： * 线性度：HCNR200：0.25%，HCNR201：0.05%； * 线性系数K3：HCNR200：15%，HCNR201：5%； * 温度系数： -65ppm/oC； * 隔离电压：1414V； * 信号带宽：直流到大于1MHz。   从上面可以看出，和普通光耦一样，线性光耦真正隔离的是电流，要想真正隔离电压，需要在输出和输出处增加运算放大器等辅助电路。下面对HCNR200/201的典型电路进行分析，对电路中如何实现反馈以及电流-电压、电压-电流转换进行推导与说明。  

3. 典型电路分析 Agilent公司的HCNR200/201的手册上给出了多种实用电路，其中较为典型的一种如下图所示：     

 设输入端电压为Vin，输出端电压为Vout，光耦保证的两个电流传递系数分别为K1、K2，显然，，和之间的关系取决于和之间的关系。                                          

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  天线系统在NFC设备中至关重要。一般来讲，对工作在13.56MHz的NFC系统进行成功设计不仅需要对发射和接收天线进行电磁仿真，还需要将分立组件(包括将射频功率转换为直流信号的整流桥)包含进设计中。需要进行的典型分析包括：随发射/接收距离的变化进行射频匹配，多种情况下的直流信号电平的检测，线圈的电感值及DC端产生的谐波。  

应用AXIEM进行电磁仿真 在此应用文档中，NFC天线(下图所示)是由Rohde&Schwarz公司——NFC论坛的长期成员，负责制定相关的NFC规格和技术所提供。开始，首先将设计以Gerber文件的形式导入AWR的Microwave Office/AXIEM环境。然后利用AXIEM，为版图和相关的离散组件分配端口。最后，AWR的符号生成向导将用于产生一个与版图类似的符号，不需要对一个60个端口的组件进行耗时、易出错的人工布线。

图1：AXIEM中发射/接收天线的版图和端口(承蒙Rohde & Schwarz公司提供设计)。   AXIEM里另一个非常有用的新功能是参数化。发射接收线圈之间的距离是是参数化的，这样一个单一的数值参数Z，可以从1毫米扫描到100毫米，使得线圈之间空气层的厚度也可由参数进行控制。 

 图2：整流的直流电压与发射/接收距离(单位：mm)的关系。   虽然在原理图中描述的电磁结构是以Z为参数的一个有限离散集合，但在通常情况下，Z是连续的。换言之，尽管电磁仿真模拟的离散步进为10mm(从1mm开始)，产生的扫描模型是以1mm进行插值计算所得。   一个需要注意的有趣的现象是，如果如果发射天线的射频匹配是在接收天线不存在的情况下确定的，当接收天线接近时，匹配会显着恶化。可在图3史密斯圆图中的非线性匹配中看出。    

 图3：当接收天线接近时，发射天线的输入端口的射频匹配会恶化。如果发射/接收天线之间的距离小于18mm,则驻波比会大于2。   综上所述，AWR软件非常适合设计NFC天线系统。可方便的将电磁模型整合到非线性原理图中，支持电磁模型的参数化与插值，AWR的Microwave Office/AXIEM软件的结合使得NFC天线系统的设计者们更容易实现紧凑的设计以及使他们的设计和产品达到一个新的水平。                                            

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