线性光电耦合器的进一步线性化

叶 克 江

(1.广东省外语艺术职业学院 信息学院，广东 广州 510640;2.广州江帆精工光电科技有限公司开发部，广东 广州 510640. )

0 引言

凡需信号隔离或变换的场合，都需要信号隔离器。其应用领域几乎与行业无关，因为任何行业都可能需要信号的隔离传输、变换传输或采集控制。模拟信号线性隔离法通常有电磁隔离型、电容隔离型和光电隔离型3类，其自身的物理特性即极限线性度均为0.1%，从而决定了各种信号隔离器产品的极限精度均为0.1%。信号隔离的作用是为了解决地环流干扰、自然干扰及人为干扰等问题，避免输入、输出端电路系统因接地点不同带来的误差及相互干扰，避免输入、输出端电路故障的相互影响，提高抗干扰能力。利用光电耦合器(简称光耦)实现电信号的线性隔离在体积、成本、抗干扰能力和电路复杂度等方面具有一定优势，因此得到广泛的应用[1]。

采用光藕实现的隔离，分为数字信号隔离和模拟信号隔离。数字信号的光耦隔离法简单，但模拟信号的光耦隔离较复杂，既要达到隔离效果，又要尽可能地保证模拟信号的线性传输[2]。为了提高极限精度，开发了HCNR201[3]、LOC210[4]、TIL300[5]、SLC800[6]等一系列带有自身线性化负反馈的线性光耦，这些线性光耦不仅提高了线性度(可达0.01%，非批量)，同时还改善了温度特性和频率特性，有力促进了光电隔离型产品的应用。

随着科学技术的发展，工农业生产、自动控制尤其是涉及航空航天或军事应用，都对信号隔离器提出了更高要求，即精度需要小于0.01%，成本低，温度范围宽，工作频率较高等。而目前线性光耦的最佳线性度为0.01%(批量芯片的线性度一般为0.05%)，叠加电路系统前后级的各种误差后，传输精度不可能小于0.01%。目前信号隔离器产品的正常工作温度范围很窄，以典型的HCNR201为例，其温度系数高达-65×10-6/℃，导致零点漂移严重，温度变化15 ℃就会引起约0.1%的误差。一些厂家提供隔离放大器作为模拟信号隔离的解决方案，如典型的ADI的AD202[7]，能够在从直流到几千赫兹的频率范围内提供0.025%的极限线性度(非批量)，但这种集成的隔离放大器因内部电路复杂而成本高，外围电路也很复杂，无法保证规模批量产品线性度的一致性，传输信号的频率范围很窄，温度漂移系数较大，不适合大规模应用。

本文以市场上常见的廉价线性光耦HCNR201为例，通过大量的实验研究，选择合适的工作范围，提出了一种临界点线性加减补偿算法，该算法将硬件与软件补偿相结合[8]，大幅改善信号传输的线性度，辅以零点漂移的软硬件补偿措施(较简单)，实现了利用线性光耦的极高精度模拟信号隔离器的批量自动化生产，其中线性光耦的极限线性度通过进一步线性化后均可小于0.003%，信号隔离器的极限精度均小于0.01%，有效工作温度范围拓展为工业级(-40～+85 ℃)。

1 实验研究

1.1 线性光耦HCNR201

HCNR201是Agilent公司生产的一种高精度线性光耦器件，线性度最佳值为0.01%，一般批量线性度为0.05%，同时，该器件带宽可达1.0 MHz，增益温度系数较低。这些特征决定了该芯片在模拟信号隔离中有广泛的应用。该芯片设计灵活，通过应用电路的适当设计可有很多工作模式，包括单极/双极[9]、AC/DC及反相和同相，HCNR201为许多模拟信号隔离问题提供了卓越的解决方案。HCNR201高线性模拟光耦内含一个高性能AlGaAs-LED和2个高度匹配的光二极管(见图1)。输入光二极管可用来反馈监测并稳定LED的光度输出，因此，LED的非线性和漂移特性几乎被消除，输出光二极管会产生线性对应LED光输出的光电流，光二极管间的紧密匹配和先进的封装设计可确保光耦的高线性度和稳定增益。HCNR201的主要参数及技术指标：最佳线性度为0.01%，转换增益K3=IPD2/IPD1(其中，IPD1为3、4引脚之间的电流，IPD2为5、6引脚之间的电流)(见图1)的变化范围为-5%～5%，K3的温度系数最大值为-65×10-6/℃，带宽高(DC～1.0 MHz)，通过全球安全规范认证、提供表面贴装或8-pin DIP封装。HCNR201的结构及典型应用原理图如图2所示[6]。

图1 HCNR201的结构框图

图2 HCNR201的典型应用原理图

图1中，1、2引脚作为隔离信号的输入控制脚，3、4引脚用于反馈，5、6引脚用于输出(7、8引脚不用)。1、2引脚之间的LED电流为IF。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、IPD2基本与IF成线性关系，比例系数K1=IPD1/IF，K2=IPD2/IF，转换增益K3=K2/K1=IPD2/IPD1。分析图2可知，当LED发光强度增加时，光二极管PD1的受光量会增加，导致IPD1变大，运算放大器A1的反相输入端电位降低，A1的输出端电位升高，从而使LED的电流变小，LED发光量减少；反之亦然，于是稳定了LED的发光量，同时稳定了IPD2，使运算放大器A2的输出稳定。采用负反馈技术，拓展了工作频率带宽，大幅改善温度稳定性。

1.2 硬件模块结构及工作原理

根据图2的典型应用原理图设计的用线性光耦HCNR201实现隔离并进一步线性化的部分实际电路如图3所示。U6是线性光耦HCNR201，U2、U3和U7都是双运算放大器(简称运放)AD822，U1是四运放AD824，U8是双100K数字电位器MAX5415，U4是四模拟开关MAX4604，U5是双10位数字模拟电压转换器LTC1661，G15 V是输入端(被隔离端或称前端)的隔离15 V电源，N是输入端地线，L是输入端电流4～20 mA的输入点，该电流通过电阻R6=250 Ω转换为1～5 V的电压(当取消R6时，L就成为隔离电压信号的输入点)。电阻R7=550 kΩ等效图2中的R1，使IPD1的工作电流为1.8～9.0 μA，R1(500 kΩ)与U8的B组串联构成图2中的电阻R2，其中U8的B组用于粗调原始输出电压V2=V3的斜率，使之接近0.25 V/mA。U5的B组输出电压TJD是关键的临界点电压值(一般取3.0 V，可适当调整)。当V3TJD时，VK=0低电平，U4的第1组模拟开关有效闭合，VY=V3，WA与VY相关实现线性光耦的进一步线性化补偿.电阻R10与R12分压决定VA位于2.5 V附近，U5的A组输出电压TZB用于调节输出特性曲线的零点，U1的第4运放构成加法电路，实现V3=V2与VA1=VA的合成，形成最终输出电压Vo=V4(当然也可改变电路结构实现任意量程的比例电流输出)。CS、CS1、CK和SD为单片机控制数字脚，与U5、U8通信以设定或动态调整有关参数。15 V、5 V、2.5 V为输出端模拟及基准电源，GND为地，其余标号为网络连线标识。

图3 用线性光耦HCNR201实现隔离并进一步线性化的部分实际电路图

2 临界点线性加减补偿算法

2.1 基本模型

图4为线性光耦HCNR201的电流传输误差包络图[6]。由图可知，在IPD1的有效范围(0～50 μA)内，IPD2的误差呈类似抛物线波动。实际IPD1的工作电流范围为1.8～9.0 μA，工作电流较小，功耗较低，有利于减小长期使用的老化效应并延长器件寿命的同时，使误差包络曲线呈单一简单抛物线形状，便于实现临界点线性加减补偿算法。

图4 线性光耦HCNR201的电流传输误差包络图

图5为未经补偿的原始误差结果典型示例(对零点误差和斜率误差进行了归一化处理，下同)，与图4的理论说明一致。由图5可知，多数HCNR201的电流传输误差抛物线的开口向下(当IPD1电流为1.8～9.0 μA时，电流误差已被转换为输出电压误差)，少数开口向上。无论误差抛物线的开口向下或向上，顶点位置一般位于输出电压3.0 V附近，将该顶点电压值定义为临界点(电压)，由图3中的TJD控制进行精确调节。

图5 未补偿误差结果

2.2 补偿算法

当误差抛物线的开口向下时(见图5)，若V3>TJD，由图3的电路结构分析可知，VK=0，U4的第1组有效闭合，VY=V3，通过U8的A组抽头WA将一定比例的V3与TJD的差值通过R13线性耦合到VA(以TJD为基数)，实现线性光耦的进一步线性化“加”补偿；若V3

图6 合理补偿误差结果

由图6可看出，误差抛物线变成基于临界点左右大致对称的两条抛物线，当补偿合理时，两条抛物线的顶点基本等高，3个最低点也基本等高。U8的A组抽头WA对VY=V3的采样比例可调整，但是耦合到VA的补偿值始终是线性的，故称为线性补偿。

通过上述临界点线性加减补偿算法的电路实现，在整个工作温度范围内输出误差减小，输入、输出传输特性曲线的最小二乘法线性拟合相关系数r接近于1.0(取33个点，r≥0.999 999 999)，非线性误差极小，线性度小于0.003%。典型的输入电流IL、输出电压Vo传输特性曲线如图7所示。特性曲线可表示为Vo=k×IL+b，其中k为拟合直线的斜率，b为零点。

图7 典型的输入、输出传输特性曲线

3 软硬件结合及其性能描述

3.1 补偿比例的动态调整

实测表明，在不同温度下，图5中原始误差抛物线的开口程度不同，因此最佳补偿比例也不同，这可通过单片机控制U8的A组电位器在生产过程中扫描整个工作温度范围，采取一定算法动态采集，并将补偿比例与温度的关系曲线拟合后写入最终的产品单片机中。在产品正常工作时，单片机会采集环境温度数据，将对应的最佳补偿比例回写到U8的A组中，从而使线性度始终保持最佳值(即小于0.003%)。图8为欠补偿结果。图9为过补偿结果。

图8 欠补偿结果

图9 过补偿结果

3.2 斜率的动态调整

由于线性光耦K3存在温度系数，在常温下先利用U8的B组电位器粗调k，使k接近0.25(5.0 V/20 mA)，然后利用与线性补偿类似的电路采集V3的一定比例(很小)，将其合成到U1的第4运放加法电路中，对工作温度范围内k的变化进行精确细调，数据采集和工作原理与补偿比例的动态调整相同。从而在产品正常工作时，在全温度范围内k保持不变。

3.3 零点的动态调整

由于线性光耦与多级运放组成较复杂的电路结构，使传输特性曲线的零点b≠0，且由于电子器件自身固有的温漂，导致b随温度变化而变化，因此，利用U5的A组输出TZB实现零点的动态采集与调整，数据采集和工作原理与补偿比例的动态调整相同。从而在产品正常工作时，在全温度范围内b均小于±0.2 mV。

4 结束语

利用常规廉价的线性光耦HCNR201，通过临界点线性加减补偿算法，实现了线性光耦的极限线性度的有效突破，最终信号隔离器产品的极限线性度从0.01%(批量芯片0.05%)提高到全工作温度范围内(-40～+85 ℃)线性度均可小于0.003%，结合对斜率和零点的动态调整，使极限精度小于0.01%，克服了光耦隔离的固有缺陷，充分发挥了光耦隔离的自身优势。研究表明，临界点线性加减补偿算法对于其他类型的线性光耦或非线性光耦同样适用，均可大幅改善线性度，满足工农业生产尤其是军事应用的更高要求，对抗干扰、数据采集、自动控制具有重要的应用价值。