基于LOC11X線性光耦合器的隔離放大器

前言

通常隔離放大器都具有極好的抗共模干擾能力，還可有效阻斷現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的電聯(lián)系，但并不切斷它們之間的信號(hào)傳遞，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，電路的隔離是必要的，傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的隔離都是由變壓器及光耦合元件完成的，其中變壓器用于耦合交流信號(hào);而光耦合器則用于直流信號(hào)的耦合。與一般的光耦合元件不同，LOC11X 光耦合器可工作在伺服模式，并能用以補(bǔ)償發(fā)光二極管的非線性時(shí)間及溫度特性，除此之外，LOC11X光耦合器還能同時(shí)耦合交流及直流信號(hào)，為設(shè)計(jì)者提供了可取代大體積變壓器及非線性光耦合元件的更佳選擇。

2 結(jié)構(gòu)原理

LOC11X光耦合器有LOC110、LOC111和LOC112三種型號(hào)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)為一個(gè)紅外線發(fā)光二極管與兩個(gè)光電三極管形成的光耦合。其中 的一個(gè)光電三極管可在伺服反饋機(jī)制中對(duì)發(fā)光二極管的導(dǎo)通電流予以補(bǔ)償;另一個(gè)光電三極管用于提供輸入及輸出電路間的電流隔離。圖1所示是LOC11X的內(nèi) 部結(jié)構(gòu)及引腳排列。LOC11X光耦合器有DIP和表面貼裝兩種封裝形式，它們均能耦合模擬和數(shù)字信號(hào)，且具有高增益穩(wěn)定性，其帶寬大于200kHz，線 性度可達(dá)0.01%。

由于LOC11X光耦合器內(nèi)部有一對(duì)線性光耦合器，應(yīng)當(dāng)用在電流隔離，可保持正確的交流及直流信號(hào)的耦合以及輸入/輸出的線性，它有光電壓和光電導(dǎo)兩種工作模式。

2.1 光電導(dǎo)模式

圖2是LOC11X光耦合器在光電導(dǎo)模式下工作的典型電路，該電路被配置成光電三極管的集電極與基極反向偏壓，這是LOC11X光耦合器在光電導(dǎo)模式下運(yùn)作的典型接法。

當(dāng)輸入電壓VIN在0V且IF為0mA時(shí)，U1有一個(gè)大的開(kāi)環(huán)增益值，而隨著VIN值的升高，U1的輸出值開(kāi)始進(jìn)入VCC1的軌跡上，隨著U1輸出 的增大，IF開(kāi)始有電流值，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時(shí)，將在U1 的反相端產(chǎn)生電壓VA，從而使得放大器進(jìn)入負(fù)反饋工作狀態(tài)。當(dāng)VA的值與VIN相等時(shí)，IF的值便不再增加，而且電路將穩(wěn)定在閉環(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，并可產(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，且該電流立刻反映在I1上，從而使放大器的輸出電壓為I2 R2。

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，該電路的線性特性及漂移特性與有±1位元線性誤差的8位元D/A變流器 (Converter)相類(lèi)似。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的結(jié)面在反向偏壓時(shí)比在順向偏壓及無(wú)偏壓時(shí)具有 更寬的耗盡區(qū)，而較寬的耗盡區(qū)會(huì)造成較低的結(jié)面電容，因而有著較快的反應(yīng)時(shí)間常數(shù)。隨著反向偏壓的增加，結(jié)面的耗盡區(qū)會(huì)變得越來(lái)越寬，從而使其生成的結(jié)面 電容更小。

2.2光電壓模式

在光電壓模式下，使用LOC11X光耦合器可達(dá)到最佳的線性度、最低的干擾及漂移性能。在這種模式下，電路線性度可以達(dá)到12位元，然而，這卻是以40kHz的較小帶寬為代價(jià)的，圖3為典型的光電壓模式隔離放大電路。

在光電壓模式下，LOC11X光耦合器中光電三極管的作用類(lèi)似一個(gè)電壓發(fā)生器。此時(shí)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，同時(shí)可改善其線性度。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，其輸出電流與發(fā)光二極管的電流將成線性關(guān)系。為達(dá) 到這一目的，可將LOC11X中的一個(gè)光電三極管連接到運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端，這樣，隨著VIN的增加，流經(jīng)發(fā)光二極管的電流也會(huì)增加，所產(chǎn)生的光也增 加，同時(shí)，發(fā)光二極管光源的光打在伺服光電三極管上，將產(chǎn)生一個(gè)起始電流I1。由于此電流是由運(yùn)算放大器的反相輸入端流至光電三極管的，因而與VIN成線 性關(guān)系，即I1=VIN/R1，這樣就可使運(yùn)算放大器反相輸入端的電壓維持在0V。

由于發(fā)光二極管產(chǎn)生的光也照在輸出端的光電三極管上而產(chǎn)生光電流I2，該電流會(huì)首先從運(yùn)算放大器的反相輸入端流出，緊接著由輸出端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)運(yùn)放輸出端點(diǎn)的電壓將逐漸升高以產(chǎn)生輸出電壓。

光電壓模式下的光電三極管與光電導(dǎo)模式下的接法不同，由于光電壓模式下有一個(gè)外加電源加在集電極上。如果沒(méi)有外部電源接在光電三極管上，那么，將沒(méi)有暗電流的存在

3 具體應(yīng)用

3.1 使用LOC11X光耦合器時(shí)的設(shè)計(jì)原則

在使用LOC11X進(jìn)行隔離放大時(shí)，通常應(yīng)遵守如下原則：

(1)在200kHz的帶寬應(yīng)用時(shí)，當(dāng)線性度與±1LSB(Least Significant Bit)線性誤差的8位D/A轉(zhuǎn)換器相同時(shí)，應(yīng)使用光電導(dǎo)模式。

(2)在40kHz的帶寬應(yīng)用時(shí)，其線性度要求與±1 LSB線性誤差(0.01%)的12～13位D/A轉(zhuǎn)換器相當(dāng)時(shí)，可使用光電壓模式。

(3)為維持最佳線性度，同時(shí)為了使總諧波失真(Total Harmonic Distortion;THD)降至最小，可以使用三極管作為緩沖來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。

(4)要求高電阻值(>30kΩ)時(shí)，可在運(yùn)算放大器的輸出端與反相輸入端之間加一個(gè)100pF的電容(見(jiàn)圖2)，以防止振蕩。

(5)與LOC11X光耦合器一起應(yīng)用的運(yùn)算放大器型號(hào)主要有LMC6484、LM201、LM358和LM1558等。

3.2 LOC11X光耦合器在心律監(jiān)視系統(tǒng)中的應(yīng)用

在測(cè)量類(lèi)似心電圖(Electrocardiogram;EGG)所提供的心律信號(hào)時(shí)，用LOC11X設(shè)計(jì)儀器與其它設(shè)計(jì)不同。成人的心律信號(hào)振幅 大約為1mV，而胚胎的信號(hào)可能低至50μV。由于心律信號(hào)是如此的小，因此，像殘留電極電壓(residual electrode voltage)和60Hz電源線拾音器(pickup)之類(lèi)的噪聲可能很容易掩蓋真正要測(cè)量的信號(hào)。所以，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)隔離放大器電路與探針界面， 并且應(yīng)有較高的共模抑制比(Common Mode Rejection;CMR)，以去除共模干擾，同時(shí)為心律信號(hào)提供放大功能。

使用LOC11X光耦合器配合其它的電路即可提供隔離、放大、線性及高共模抑制比，而這些優(yōu)點(diǎn)正是這類(lèi)應(yīng)用所必需的。圖4為L(zhǎng)OC11X光耦合器測(cè) 量 EGG信號(hào)的示意圖。隔離放大器區(qū)塊包含LOC11X光耦合器和高CMR值的運(yùn)算放大器，該電極經(jīng)屏蔽導(dǎo)線后應(yīng)連接到放大器上，以使干擾信號(hào)被隔離，而將 保護(hù)層連接到病人的右腳則可提供最佳的共模抑制比。

3.3 LOC11X光耦合器的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用領(lǐng)域

LOC11X光耦合器的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用領(lǐng)域及其工作模式如表1所列。

4 結(jié)束語(yǔ)

LOC11X光耦合器是一種高性能的線性光耦合器，由于其工作于伺服反饋模式，因而線性度很高，能廣泛應(yīng)用于各種需要隔離放大的場(chǎng)合，特別在需要把輸入信號(hào)進(jìn)行線性隔離傳遞的儀器電路設(shè)計(jì)中，該器件具有很強(qiáng)的實(shí)用性。