线性光电耦合器关键传递性能参数测试方法研究

高 成，寇震梦，黄姣英

（北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191）

光电耦合器的原理是利用一个发光二极管LED 将电信号转化为光信号，而后经过光敏二极管重新转化为电信号并输出，这种传输模式能够将输入与输出进行有效的电气隔离[1]。线性光电耦合器增加光接收反馈电路抵消传输过程中的非线性失真，使得输入输出呈线性关系。本文选取的线性光电耦合器的关键传输性能参数包括传递系数、非线性度、带宽，是表征线性光电耦合器性能的重要参数[2]。针对普通光耦的测试方法不能应用于线性光电耦合器的问题，本文围绕线性光电耦合器的关键传递性能参数（带宽、传递系数、非线性度），研究参数的测试原理及方法，并进行仿真测试。

1 线性光电耦合器主要结构

典型线性光电耦合器的内部结构如图1所示。

图1 线性光电耦合器内部结构图Fig.1 Internal structure diagram of linear optocoupler

线性光电耦合器主要由发光二极管LED、反馈光电二极管PD1、输出光电二极管PD2以及外部封装构成。当有电流经过时，LED 发出红外光照射在PD1和PD2上，在反馈通路和输出通路上分别产生电流，通过外围电路将反馈电流引入输出端，形成负反馈控制LED 发光强度，使得输入和输出呈线性关系。

2 测试原理

2.1 带宽测试原理

脉冲信号在通过线性光耦时会因为高频分量的丢失而产生变化。这种变化主要体现在线性光耦的响应信号的上升沿[3]。脉冲信号测试线性光耦带宽的原理就是让如图2所示脉冲测试信号经过被测线性光耦电路，得到的响应曲线的时间和幅值的图像如图3所示。

图2 脉冲信号Fig.2 Pulse signal

图3 响应曲线Fig.3 Response curve

当t=t1时，输出幅值为最大值的0.1；当t=t2时，输出幅值为最大幅值的0.9；定义响应曲线上升时间为τr，且：

由线性光耦电路时域与频域的转换，可以得到电路带宽与响应曲线上升时间之间的关系：

式中，B为待测线性光耦电路的带宽[4]。

2.2 传递系数及非线性度测试原理

如图1所示，定义If为1，2引脚之间流过的电流，即发光LED通路流过的电流；定义IPD1为3，4引脚之间流过的电流，即反馈通路流过的电流；定义IPD2为5，6引脚之间通过的电流，即输出通路的电流。线性光耦将反馈电流IPD1作为输入电流的一部分，形成一个负反馈，调节输入信号的大小，从而抵消输出通路的非线性来达到线性输出的目的。因此反馈通路的电流和输出通路的电流之间的比值对线性光耦的信号隔离传递有关键的影响，定义传递系数K，则：

实际测试中传递系数为多组测量的平均值：

式中，j为实验的次数。

线性光电耦合器最大的优势在于其线性传输信号的能力。非线性度可以表征在线性光电耦合器隔离传输范围内输入信号与输出信号线性关系强弱，测试非线性度常用最小二乘法拟合[5]的方式。

定义非线性度为δ，非线性度的计算方式如下：

3 仿真分析

3.1 器件及仿真原理电路图选择

选择HCNR200 线性光电耦合器。该典型线性光电耦合器的传递性能参数涵盖带宽、传递系数和非线性度。其内部结构图如图1所示。通过查阅其数据手册可知其特征性能参数：带宽大于等于1 MHz；传递系数为 0.85～1.15；非线性度为 0.01%～0.25%。HCNR200 由于其独特的内部结构，在信号隔离传输过程中需要配合外围电路使用，因此选择外围电路是测试带宽参数的重要的一步。本文选择HCNR200 线性光电耦合器的模拟隔离电路[6]作为外围电路，如图4所示。

图4 HCNR200 线性光电耦合器模拟隔离电路Fig.4 Analog isolation circuit of HCNR200 linear optocoupler

该电路中VIN为输入信号，VOUT为输出信号，输入侧运算放大器 A1由 Q1，Q2，R3和R4构成，输出侧运算放大器 A2则包含 Q3，Q4，R2，R5，R6和R7，电路的增益基本保持稳定，使用三极管和电阻构成运算放大器的设计使得带宽较大[7]。该模拟隔离电路带宽的标准数据为1.5 MHz。

3.2 仿真测试

由图4中所选用的外围电路，使用OrcadCapture 建立仿真电路[8]形式如图5所示。

图5 HCNR200 带宽测试电路Fig.5 Bandwidth testing circuit of HCNR200

对脉冲信号源进行如表1所示的参数设置。

表1 脉冲源参数设置表Table 1 Parameter setting of pulse source

随后使用PSpice 运行仿真，通过探针[9]观测到信号的响应曲线如图6所示。

图6 线性光耦响应曲线Fig.6 Response curve of linear optocoupler

读取响应曲线中电压幅值为峰值的1/10 时对应的时间和峰值的0.9 时对应的时间，如表2所示。

表2 带宽仿真数据表Table 2 Simulation data of bandwidth

根据阶跃脉冲法测试的原理得τr（单位：ns）：

于是型号HCNR200 线性光耦的高速低成本模拟隔离器电路的带宽（单位：MHz）为：

进行误差分析有：

误差在合理的范围内，通过仿真验证此种测试方法的有效性。由于使用仿真软件不能得出传递系数和非线性度的有效数据，因此选用HCNR200 线性光耦实物进行测试并进一步分析[10]。

4 试验验证

4.1 带宽测试连接

根据测试原理，该测试系统由脉冲信号源发生器、待测隔离电路、示波器、5 V 电压源和计算机组成。完整的测试系统连接如图7所示。

图7 线性光电耦合器带宽测试连接Fig.7 Connection for bandwidth testing of linear optocoupler

4.2 传递系数及非线性度测试试验连接

由传递系数及非线性度的测试原理，绘制出测试电路原理图如图8所示。

图8 传递系数及非线性度测试原理图Fig.8 Testing schematic diagram of transfer coefficient and non-linearity

测试过程中改变管脚2连接的电压源V5的输入信号的数值，使得通过发光二极管的电流分别为1 mA，2 mA，4 mA，6 mA，8 mA，10 mA，12 mA，14 mA，并用电流表测量通过PD1的电流和PD2的电流值，分别记为IPD1j和IPD2j。根据以上方法搭建测试线性光电耦合器的传递系数及非线性度所用的测试系统。该测试系统由电压源、电流表、测试接口板组成。将三个电压源分别连接发光二极管通路（即1，2 管脚）、光敏二极管通路（即3，4 管脚）、光敏二极管通路（即5，6 管脚），三个电流表分别接入发光二极管连接发光二极管通路（If）、光敏二极管通路（IPD1）、光敏二极管通路（IPD2）；系统的主要结构如图9所示。

4.3 带宽测试验证

选用HCNR200 线性光电耦合器作为研究对象，调节脉冲信号源参数，将脉冲沿上升时间调整到8.4 ns（脉冲信号源的脉冲最短上升时间），脉冲宽度为10 μs，选择起始幅值为0 V，输出幅值为5 V。将脉冲源调整至output 状态，使用示波器采集到隔离电路输入信号和隔离电路响应信号波形如图10所示。

图9 线性光电耦合器传递系数及非线性度测试系统Fig.9 Testing system for transfer coefficient and non-linearity of linear optocoupler

图10 线性光电耦合器带宽测试结果Fig.10 Testing result of bandwidth of linear optocoupler

读取响应信号上升时间（单位：ns）：

根据响应曲线上升时间与电路通频带宽之间的关系，得到B（单位：MHz）：

得到HCNR200 型线性光耦的隔离电路的带宽为1.585 MHz。进行误差分析可得：

由此可见脉冲测试法测试的带宽误差在合理范围内。

4.4 传递系数及非线性度测试验证

根据连接及测试原理进行多次测试后得到表3。由以上数据整理可以得到器件的传递系数为：

进行误差分析有：

进一步对非线性度进行计算：

由此可见根据测试原理进行测试得出的传递系数和非线性度误差较小。

表3 传递系数及非线性度测试数据Table 3 Tested data of transfer coefficient and non-linearity

5 结 论

本文以HCNR200 线性光电耦合器为研究对象，通过对线性光电耦合器的带宽、传递系数和非线性度进行研究，得出线性光电耦合器的带宽、传递系数和非线性度的测试原理及方法。利用PSpice 仿真带宽的脉冲测试方法，使用硬件实物测试HCNR200 线性光电耦合器的带宽、传递系数和非线性度，得出较接近理论值的结果。验证带宽的脉冲测试法，传递系数的电流测试法以及非线性度的公式法的有效性和准确性。