介紹
本文介紹了HCNR200和HCNR201高線性模擬光耦合器的操作和應用。詳細介紹了光耦合器的內部操作和伺服控制機制。本文給出了一些應用實例，從電機控制電流傳感到傳統的過程控制中的電流回路通信。本文還介紹了這些光耦合器的評估板。

HCNR200/201高線性模擬光耦合器由一個高性能的砷化鋁鎵LED組成，它可以照亮兩個緊密匹配的光電二極管，PD1和PD2，如圖1所示。輸入光電二極管，PD1可用于監測，從而穩定，LED的光輸出。因此，LED的非線性和漂移特性可以實際上被消除。輸出光電二極管PD2產生與LED的光輸出線性相關的光電流。光電二極管的緊密匹配與封裝的先進設計，保證了光耦合器的高線性度和穩定的增益特性[1].HCNR200/201有400毫升寬體DIP-8封裝（見圖2），具有鷗翼表面安裝選項。表1顯示了HNCR200/201的選擇指南。

HCNR200/201可用于隔離模擬信號，需要良好的穩定性、線性度、帶寬和低成本。HCNR200/201非常靈活，通過適當的應用電路設計，能夠在多種不同的模式下工作，包括：單極/雙極、交流/直流和反相/非反相。HCNR200/201是解決許多模擬隔離問題的一個很好的解決方案，其中我們在這里討論了幾個應用實例。

圖1.HCNR200和HCNR201的示意圖。

圖2.HCNR200和HCNR201400mil寬體DIP-8軟件包。

表1。HCNR200和HCNR201的選擇指南。

圖3。一個典型的電機驅動方框圖。

操作理論

操作1，p。從圖4A可以看出，電路可能不明顯，特別是電路的輸入部分。運放器總是試圖保持相同的輸入電壓在其兩個輸入在一個線性反饋，閉環連接。因此，輸入側運放器A1總是試圖在光電二極管PD1上放置零伏。現在，如果有一些正電壓文+如果應用于輸入端，運放輸出將傾向于擺動到負軌道，導致LED電流流動。

這個VIN+將導致一個電流流過R1，并且LED光的輸出將被PD1檢測到，從而產生一個電流IPD1.假設A1是一個完美的運算放，沒有電流流入A1的輸入；因此，所有流過R1的電流都將流過PD1。由于A1的“+”輸入是0V，通過R1的電流，因此IPD1同樣，也等于VIN+/R1，或IPD1=文+/r1.

請注意IPD1只取決于輸入電壓和r1的值與LED的光輸出特性無關。當LED的光輸出隨溫度變化時，放大器A1進行調整如果以補償并保持PD1中的恒定電流。也要注意IPD1正與文+，給出了輸入電壓和光電二極管電流之間的非常線性關系。光電二極管的輸入光功率和輸出電流之間的關系是非常線性的。因此，通過穩定和線性化IPD1，LED的光輸出也被穩定和線性化。由于LED的光落在兩個光電二極管上，IPD2也會穩定下來。

由于PD1和PD2彼此相同，IPD2應等于IPD1完美地在現實中，這種關系包括一個系數K3.所以我們有IPD2=K3xIPD1,在哪里K3數據表是傳輸增益中定義的(K3=IPD2/IPD1=1).放大器A2和電阻R2形成一個跨電阻放大器，可以轉換IPD2回到電壓，虛擬輸出在哪里虛擬輸出=IPD2xR2.結合上述三個方程，得到一個總體的前-表示輸出電壓與輸入電壓之間的關系的表達式，VOUT/VIN+=K3x（R2/R1）。

因此，兩者之間的關系文+和虛擬輸出是恒定的，線性的，并且與LED的光輸出特性無關。僅通過調整R2與R1的比值，即可調整模擬隔離塊電路的增益。

圖4A為單極配置，只容納正電壓輸入。圖4B被配置為容納雙極輸入（一個同時發生正波動和負波動的信號）。兩個當前源，IOS1和IOS2，被添加以偏移信號，使它似乎是單極的光耦合器。電流源IOS1提供足夠的偏移量，以確保IPD1總是積極的。第二個當前源，IOS2，提供一個偏移量，以獲得所需值的凈電路偏移量電壓(e。g.,如果同時使用正、負電源，則可能需要0V，而中間電壓可能更適合于單個正電源電路的情況)。當前來源IOS1和IOS2可以簡單地實現為將電阻連接到合適的電壓源。請注意，偏移量的性能取決于的匹配IOS1和IOS2而且也依賴于光耦合器的增益。

圖4。(A)單極輸入和(B)雙極輸入的模擬隔離塊的簡化原理圖。

用于電流感應和電壓監測的隔離放大器

除了HCNR200和HCNR201外，還提供了一系列微型隔離放大器和隔離A/D轉換器，用于與單片機或數字信號處理（DSP）單元的直接接口，以服務于電流傳感和電壓監測的目的。這種復雜的模擬光電隔離器越來越取代霍爾效應傳感器來測量和監測反饋參數，如交流相電流、直流軌道/母線電流、直流母線電壓和溫度。

使用隔離放大器和隔離的A/D轉換器的一些關鍵優點:

1. 可靠性高，使用壽命長，變速/頻率控制能力
2. 變速/頻率控制能力
3. 包裝尺寸和占地面積較小
4. 低功耗
5. 低成本
6. 安全光隔離（電流隔離）
7. 監管機構和安全機構的批準

當前的環路通信應用程序

在過程控制行業中，電流回路已成為傳感器信號傳輸的標準方法[4].這種方法對于長距離傳輸（最高可達10公里）特別有用。電流回路是一個非常靈活的通信接口。有幾種類型的電流回路：模擬（線性電流表示模擬信號）、邏輯（高和低邏輯電平表示MARK和空間狀態），以及使用HART?（高速公路可尋址遠程換能器）通信協議的組合模擬和數字電流回路。

與電壓信號相比，電流回路具有以下優點：

1. 對噪聲不敏感，對線阻抗產生的誤差免疫
2. 無幅度損耗的長距離傳輸
3. Subarub便宜的2線電纜
4. Subarb低EMI靈敏度
5. 檢測離線傳感器、傳輸線路中斷和其他故障

在4-20mA電流回路中添加絕緣材料對于保護系統電子設備免受電子噪聲和瞬變現象的影響非常重要，這在工業過程監測應用中很常見。絕緣屏障允許傳感器被電流隔開數百甚至數千伏特。HCNR200和HCNR201提供了目前最高水平的安全和監管性能，這使它們適合于這些應用程序。寬體封裝有400毫升的鉛間距，以滿足所要求的外部爬電和間隙要求。

UL/CSAViso耐壓等級為5000Vrms(1分鐘），IEC/EN/DINEN60747-5-2工作電壓規格為1414Vpeak。施工中設有內部間隙1mm（通過絕緣距離），外部漏電10mm，外部間隙9.6mm。這些裝置不僅適用于需要加強絕緣的應用，而且也適用于由于其結構造成的故障安全設計。除了HCNR200/201之外，HCPL-4100和HCPL-4200光耦合的20mA電流回路發射器和接收器也分別提供給使用20mA邏輯電流回路[5,6]的系統.4-20mA模擬電流回路發射器和接收機的示例框圖分別如圖5和6所示。

圖5。一個4-20mA模擬電流回路變送器的方框圖。

圖6。一個4-20mA模擬電流回路接收器的方框圖。

線性輸入范圍

由于HCNR200/201優越的性能和設計靈活性，這些設備正在看到越來越多的應用。這吸引了一些類似的產品進入市場。一些產品包括LED和PIN光電二極管，而其他一些產品包括LED和光電晶體管。它們都出現在相似的元件排列中，利用伺服反饋的優勢來實現更好的線性性能。由于固有的高led-光電二極管線性，光電二極管的緊密匹配和封裝的先進設計，確保了HCNR200和HCNR201的高線性和穩定的增益特性。這種出色的表現使他們在同齡人中脫穎而出。

除了線性性能的區別外，在組件選擇過程中還值得考慮的一點是電路的線性輸入范圍（LIR）。電路的LIR決定輸入信號的動態范圍，可以享受線性要求的片，這又由一個特定的光電-決定普勒的數據表中規定的線性響應范圍。例如，在HCNR200和HCNR201數據表上，規定了HCNR200在5nA

必須對應用電路拓撲進行假設，以達到來自不同供應商的各種線性模擬光耦合器的LIR的比較。在這種情況下，已使用圖4A所示的應用電路來計算輸入電壓的LIR。從圖7所示的比較圖，可以看出，HCNR200/201有一個更寬的線性響應范圍，這意味著電路使用HCNR200/201享有更寬的線性輸入電壓范圍比同行（寬60dB，66dB寬66dB比較B）。

圖7。不同光耦合器的線性輸入范圍的比較。

總結

在一個典型的應用中，一個外部反饋放大器可以與PD1一起用于監測LED的光輸出，并自動調整LED電流，以補償LED的光輸出的任何非線性或變化。反饋放大器的作用是穩定和線性化LED的光輸出。然后輸出的光電二極管將LED穩定的、線性的光輸出轉換為電流，然后由另一個放大器轉換回電壓。通過對應用電路的適當設計，這些成熟的、通用的模擬光耦合器能夠在多種不同的模式下運行，以滿足各種模擬隔離的需求。

審核編輯黃昊宇