一个有趣的线性光耦隔离放大电路

01 光耦放大电路

一、前言

前几天，有人询问我一个有趣的电路该如何分析。这是一个基于HCNR201  这款带有输入补偿的线性光耦的模拟隔离放大器。下面让我们来看一下这个放大器输入输出之间的线性关系是什么。

▲ 图1 仿真原理图

二、原理分析

之所以这个电路图看起来容易让人感到困惑，实际上就是这个仿真电路中，错误的使用了这样的光电三极管来表示HCNR201 中的光电二极管。这样就使得器件电流流向产生错觉。下面看一下 HCNR201 数据手册中的表示方法。可以看到，这里使用了二极管表示光电管，这里使用了箭头表示了发光二极管电流方向，接收光电管的方向恰好相反，分别从管脚3 流向管脚4，从管脚6流向管脚7. 对着仿真电路图，可以看到，这样才是光电流流动的方向。怎么样，是不是出乎意料之外？ 另外，需要说明的是，接收光电管的光电流的产生是不需要外部施加电压的。也就是在它两端电压为0时，它会主动输出电流。

下面让我们看一下这个电路工作情况。首先，这个仿真电路还有一个陷阱，那就是这里使用了标号，表示了电路的连接关系。如果没有注意，很容易走入死胡同。输入电压经过R2,R3分压之后，加入到 U2 的正输入端。这个通道是负反馈，将会使得 U2 的负输入端的电压等于正输入端电压。负反馈的过程是这样的，首先，U2 正输入端的电压，会使得输出电压上升，进而通过三极管 Q1 给光耦提供输入电流。光耦中输入端的光电管，产生光电流。根据这个电流的方向，将会从 U3的负输入端，通过 R10流出光电流。这个电流来自于 U3 的输出电压，经过R4 提供的。U3 的输出电压是多少呢？实际上，就是 U2的正输入端的电压。这样，我们就可以计算出光耦中光电管输出电流的大小了。它等于输入电压，乘以这个因子。下面再对光耦后面的信号进行分析。

▲ 图1.2.1 光电管电流

  这里，需要我们知道，光耦的两个输出光电管的电流是一样的，这样，第二个光耦所产生的电流，经过U5放大之后，转换成反向电压，再经过U4的反向放大，输出同相的电压。这是光电电流到输出电压之间的比例。将前后联系起来， 这是输出电压的表达式。 这样，我们就可以得到输入输出之间的比例关系。这是信号放大倍数。

根据电路中给定的参数，可以计算出电路的放大倍数为 1.6886。电路是同相放大。为了能够放大负电压，在电路中还设置了偏置电路，这两个电路能够使得输入信号为 0 时，光耦中就有电流输出。这样，当输入负的电压信号时，电路也能够输出负电压。由于时间有限，今天就先到这里。关于电路偏置的分析，下次再讲。

※ 总  结 ※

本文对一个光耦模拟隔离放大电路进行了初步分析。更好的理解最好是能够通过实际电路进行测试。