嵌入式系统的电气隔离 (6)

模拟电路的隔离比较复杂,要考虑模拟信号的精度、线性度、频率响应、噪声响应等,特别要考虑系统对传输通道的精度要求,对精度要求越高,其通道的成本也可能越高。模拟电路的隔离主要采用变压器、互感器、直流电压隔离器、线性隔离放大器等隔离方法。

对于高频交流模拟信号,变压器是最常见的选择,然而对直流信号却无法使用,数字信号中常用的光耦隔离由于线性度较差无法直接用于模拟信号的隔离,

1. 光电隔离

在数字信号的隔离中光耦器件的接收端处于开关状态,由于光耦的传输特性,普通的光耦具有较大的非线性,如果直接用来传输模拟量,其线性度无法满足系统的性能要求。因此使用光耦器件来进行模拟信号的隔离一般引入差分反馈电路来进行补偿,使光耦器件的非线性得到改善,因此可以使用普通的光耦通过外部电路的配合,构成差分反馈电路从而达到使用非线性光耦实现模拟信号线性隔离的目的,另一种就是选用专门针对模拟信号隔离的线性光耦。

线性光耦并不是说本身是线性的关系,它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种可选择的芯片,如Agilent公司的HCNR200/201,TI子公司TOAS的TIL300,CLARE的LOC111等。这里以HCNR200/201为例介绍线性光耦的工作原理。

HCNR200/201是一种高线性度模拟光电耦合器,主要应用在低成本的模拟信号隔离、工业过程控制、电子反馈回路、监测电机电源电压、医疗等领域。其内部结构图如所示,它由一个AlGaAs制作成的高性能发光二极管和两个结构相同的光电二极管组成。其中一个光电二极管(PD1)在隔离电路的输入部分,另一个光电二极管(PD2)构成隔离电路的输出部分。由于光耦的封装,使每一个光电二极管可从LED上接收大致相同数量的光线。

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其中1、2引脚作为隔离信号的输入端,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

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,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

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上,

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基本与

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成线性关系,线性系数分别记为K1和K2,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。

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