高 成，寇震夢，黃姣英

（北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191）

光電耦合器的原理是利用一個發(fā)光二極管LED 將電信號轉(zhuǎn)化為光信號，而后經(jīng)過光敏二極管重新轉(zhuǎn)化為電信號并輸出，這種傳輸模式能夠?qū)⑤斎肱c輸出進(jìn)行有效的電氣隔離[1]。線性光電耦合器增加光接收反饋電路抵消傳輸過程中的非線性失真，使得輸入輸出呈線性關(guān)系。本文選取的線性光電耦合器的關(guān)鍵傳輸性能參數(shù)包括傳遞系數(shù)、非線性度、帶寬，是表征線性光電耦合器性能的重要參數(shù)[2]。針對普通光耦的測試方法不能應(yīng)用于線性光電耦合器的問題，本文圍繞線性光電耦合器的關(guān)鍵傳遞性能參數(shù)（帶寬、傳遞系數(shù)、非線性度），研究參數(shù)的測試原理及方法，并進(jìn)行仿真測試。

1 線性光電耦合器主要結(jié)構(gòu)

典型線性光電耦合器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 線性光電耦合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Internal structure diagram of linear optocoupler

線性光電耦合器主要由發(fā)光二極管LED、反饋光電二極管PD1、輸出光電二極管PD2以及外部封裝構(gòu)成。當(dāng)有電流經(jīng)過時，LED 發(fā)出紅外光照射在PD1和PD2上，在反饋通路和輸出通路上分別產(chǎn)生電流，通過外圍電路將反饋電流引入輸出端，形成負(fù)反饋控制LED 發(fā)光強度，使得輸入和輸出呈線性關(guān)系。

2 測試原理

2.1 帶寬測試原理

脈沖信號在通過線性光耦時會因為高頻分量的丟失而產(chǎn)生變化。這種變化主要體現(xiàn)在線性光耦的響應(yīng)信號的上升沿[3]。脈沖信號測試線性光耦帶寬的原理就是讓如圖2所示脈沖測試信號經(jīng)過被測線性光耦電路，得到的響應(yīng)曲線的時間和幅值的圖像如圖3所示。

圖2 脈沖信號Fig.2 Pulse signal

圖3 響應(yīng)曲線Fig.3 Response curve

當(dāng)t=t1時，輸出幅值為最大值的0.1；當(dāng)t=t2時，輸出幅值為最大幅值的0.9；定義響應(yīng)曲線上升時間為τr，且：

由線性光耦電路時域與頻域的轉(zhuǎn)換，可以得到電路帶寬與響應(yīng)曲線上升時間之間的關(guān)系：

式中，B為待測線性光耦電路的帶寬[4]。

2.2 傳遞系數(shù)及非線性度測試原理

如圖1所示，定義If為1，2引腳之間流過的電流，即發(fā)光LED通路流過的電流；定義IPD1為3，4引腳之間流過的電流，即反饋通路流過的電流；定義IPD2為5，6引腳之間通過的電流，即輸出通路的電流。線性光耦將反饋電流IPD1作為輸入電流的一部分，形成一個負(fù)反饋，調(diào)節(jié)輸入信號的大小，從而抵消輸出通路的非線性來達(dá)到線性輸出的目的。因此反饋通路的電流和輸出通路的電流之間的比值對線性光耦的信號隔離傳遞有關(guān)鍵的影響，定義傳遞系數(shù)K，則：

實際測試中傳遞系數(shù)為多組測量的平均值：

式中，j為實驗的次數(shù)。

線性光電耦合器最大的優(yōu)勢在于其線性傳輸信號的能力。非線性度可以表征在線性光電耦合器隔離傳輸范圍內(nèi)輸入信號與輸出信號線性關(guān)系強弱，測試非線性度常用最小二乘法擬合[5]的方式。

定義非線性度為δ，非線性度的計算方式如下：

3 仿真分析

3.1 器件及仿真原理電路圖選擇

選擇HCNR200 線性光電耦合器。該典型線性光電耦合器的傳遞性能參數(shù)涵蓋帶寬、傳遞系數(shù)和非線性度。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過查閱其數(shù)據(jù)手冊可知其特征性能參數(shù)：帶寬大于等于1 MHz；傳遞系數(shù)為 0.85～1.15；非線性度為 0.01%～0.25%。HCNR200 由于其獨特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在信號隔離傳輸過程中需要配合外圍電路使用，因此選擇外圍電路是測試帶寬參數(shù)的重要的一步。本文選擇HCNR200 線性光電耦合器的模擬隔離電路[6]作為外圍電路，如圖4所示。

圖4 HCNR200 線性光電耦合器模擬隔離電路Fig.4 Analog isolation circuit of HCNR200 linear optocoupler

該電路中VIN為輸入信號，VOUT為輸出信號，輸入側(cè)運算放大器 A1由 Q1，Q2，R3和R4構(gòu)成，輸出側(cè)運算放大器 A2則包含 Q3，Q4，R2，R5，R6和R7，電路的增益基本保持穩(wěn)定，使用三極管和電阻構(gòu)成運算放大器的設(shè)計使得帶寬較大[7]。該模擬隔離電路帶寬的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為1.5 MHz。

3.2 仿真測試

由圖4中所選用的外圍電路，使用OrcadCapture 建立仿真電路[8]形式如圖5所示。

圖5 HCNR200 帶寬測試電路Fig.5 Bandwidth testing circuit of HCNR200

對脈沖信號源進(jìn)行如表1所示的參數(shù)設(shè)置。

表1 脈沖源參數(shù)設(shè)置表Table 1 Parameter setting of pulse source

隨后使用PSpice 運行仿真，通過探針[9]觀測到信號的響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 線性光耦響應(yīng)曲線Fig.6 Response curve of linear optocoupler

讀取響應(yīng)曲線中電壓幅值為峰值的1/10 時對應(yīng)的時間和峰值的0.9 時對應(yīng)的時間，如表2所示。

表2 帶寬仿真數(shù)據(jù)表Table 2 Simulation data of bandwidth

根據(jù)階躍脈沖法測試的原理得τr（單位：ns）：

于是型號HCNR200 線性光耦的高速低成本模擬隔離器電路的帶寬（單位：MHz）為：

進(jìn)行誤差分析有：

誤差在合理的范圍內(nèi)，通過仿真驗證此種測試方法的有效性。由于使用仿真軟件不能得出傳遞系數(shù)和非線性度的有效數(shù)據(jù)，因此選用HCNR200 線性光耦實物進(jìn)行測試并進(jìn)一步分析[10]。

4 試驗驗證

4.1 帶寬測試連接

根據(jù)測試原理，該測試系統(tǒng)由脈沖信號源發(fā)生器、待測隔離電路、示波器、5 V 電壓源和計算機組成。完整的測試系統(tǒng)連接如圖7所示。

圖7 線性光電耦合器帶寬測試連接Fig.7 Connection for bandwidth testing of linear optocoupler

4.2 傳遞系數(shù)及非線性度測試試驗連接

由傳遞系數(shù)及非線性度的測試原理，繪制出測試電路原理圖如圖8所示。

圖8 傳遞系數(shù)及非線性度測試原理圖Fig.8 Testing schematic diagram of transfer coefficient and non-linearity

測試過程中改變管腳2連接的電壓源V5的輸入信號的數(shù)值，使得通過發(fā)光二極管的電流分別為1 mA，2 mA，4 mA，6 mA，8 mA，10 mA，12 mA，14 mA，并用電流表測量通過PD1的電流和PD2的電流值，分別記為IPD1j和IPD2j。根據(jù)以上方法搭建測試線性光電耦合器的傳遞系數(shù)及非線性度所用的測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)由電壓源、電流表、測試接口板組成。將三個電壓源分別連接發(fā)光二極管通路（即1，2 管腳）、光敏二極管通路（即3，4 管腳）、光敏二極管通路（即5，6 管腳），三個電流表分別接入發(fā)光二極管連接發(fā)光二極管通路（If）、光敏二極管通路（IPD1）、光敏二極管通路（IPD2）；系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)如圖9所示。

4.3 帶寬測試驗證

選用HCNR200 線性光電耦合器作為研究對象，調(diào)節(jié)脈沖信號源參數(shù)，將脈沖沿上升時間調(diào)整到8.4 ns（脈沖信號源的脈沖最短上升時間），脈沖寬度為10 μs，選擇起始幅值為0 V，輸出幅值為5 V。將脈沖源調(diào)整至output 狀態(tài)，使用示波器采集到隔離電路輸入信號和隔離電路響應(yīng)信號波形如圖10所示。

圖9 線性光電耦合器傳遞系數(shù)及非線性度測試系統(tǒng)Fig.9 Testing system for transfer coefficient and non-linearity of linear optocoupler

圖10 線性光電耦合器帶寬測試結(jié)果Fig.10 Testing result of bandwidth of linear optocoupler

讀取響應(yīng)信號上升時間（單位：ns）：

根據(jù)響應(yīng)曲線上升時間與電路通頻帶寬之間的關(guān)系，得到B（單位：MHz）：

得到HCNR200 型線性光耦的隔離電路的帶寬為1.585 MHz。進(jìn)行誤差分析可得：

由此可見脈沖測試法測試的帶寬誤差在合理范圍內(nèi)。

4.4 傳遞系數(shù)及非線性度測試驗證

根據(jù)連接及測試原理進(jìn)行多次測試后得到表3。由以上數(shù)據(jù)整理可以得到器件的傳遞系數(shù)為：

進(jìn)行誤差分析有：

進(jìn)一步對非線性度進(jìn)行計算：

由此可見根據(jù)測試原理進(jìn)行測試得出的傳遞系數(shù)和非線性度誤差較小。

表3 傳遞系數(shù)及非線性度測試數(shù)據(jù)Table 3 Tested data of transfer coefficient and non-linearity

5 結(jié) 論

本文以HCNR200 線性光電耦合器為研究對象，通過對線性光電耦合器的帶寬、傳遞系數(shù)和非線性度進(jìn)行研究，得出線性光電耦合器的帶寬、傳遞系數(shù)和非線性度的測試原理及方法。利用PSpice 仿真帶寬的脈沖測試方法，使用硬件實物測試HCNR200 線性光電耦合器的帶寬、傳遞系數(shù)和非線性度，得出較接近理論值的結(jié)果。驗證帶寬的脈沖測試法，傳遞系數(shù)的電流測試法以及非線性度的公式法的有效性和準(zhǔn)確性。