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        線性光電耦合器的進(jìn)一步線性化

        2019-10-22 09:27:18
        壓電與聲光 2019年5期
        關(guān)鍵詞:臨界點(diǎn)拋物線線性

        葉 克 江

        (1.廣東省外語藝術(shù)職業(yè)學(xué)院 信息學(xué)院,廣東 廣州 510640;2.廣州江帆精工光電科技有限公司開發(fā)部,廣東 廣州 510640. )

        0 引言

        凡需信號隔離或變換的場合,都需要信號隔離器。其應(yīng)用領(lǐng)域幾乎與行業(yè)無關(guān),因?yàn)槿魏涡袠I(yè)都可能需要信號的隔離傳輸、變換傳輸或采集控制。模擬信號線性隔離法通常有電磁隔離型、電容隔離型和光電隔離型3類,其自身的物理特性即極限線性度均為0.1%,從而決定了各種信號隔離器產(chǎn)品的極限精度均為0.1%。信號隔離的作用是為了解決地環(huán)流干擾、自然干擾及人為干擾等問題,避免輸入、輸出端電路系統(tǒng)因接地點(diǎn)不同帶來的誤差及相互干擾,避免輸入、輸出端電路故障的相互影響,提高抗干擾能力。利用光電耦合器(簡稱光耦)實(shí)現(xiàn)電信號的線性隔離在體積、成本、抗干擾能力和電路復(fù)雜度等方面具有一定優(yōu)勢,因此得到廣泛的應(yīng)用[1]。

        采用光藕實(shí)現(xiàn)的隔離,分為數(shù)字信號隔離和模擬信號隔離。數(shù)字信號的光耦隔離法簡單,但模擬信號的光耦隔離較復(fù)雜,既要達(dá)到隔離效果,又要盡可能地保證模擬信號的線性傳輸[2]。為了提高極限精度,開發(fā)了HCNR201[3]、LOC210[4]、TIL300[5]、SLC800[6]等一系列帶有自身線性化負(fù)反饋的線性光耦,這些線性光耦不僅提高了線性度(可達(dá)0.01%,非批量),同時(shí)還改善了溫度特性和頻率特性,有力促進(jìn)了光電隔離型產(chǎn)品的應(yīng)用。

        隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、自動控制尤其是涉及航空航天或軍事應(yīng)用,都對信號隔離器提出了更高要求,即精度需要小于0.01%,成本低,溫度范圍寬,工作頻率較高等。而目前線性光耦的最佳線性度為0.01%(批量芯片的線性度一般為0.05%),疊加電路系統(tǒng)前后級的各種誤差后,傳輸精度不可能小于0.01%。目前信號隔離器產(chǎn)品的正常工作溫度范圍很窄,以典型的HCNR201為例,其溫度系數(shù)高達(dá)-65×10-6/℃,導(dǎo)致零點(diǎn)漂移嚴(yán)重,溫度變化15 ℃就會引起約0.1%的誤差。一些廠家提供隔離放大器作為模擬信號隔離的解決方案,如典型的ADI的AD202[7],能夠在從直流到幾千赫茲的頻率范圍內(nèi)提供0.025%的極限線性度(非批量),但這種集成的隔離放大器因內(nèi)部電路復(fù)雜而成本高,外圍電路也很復(fù)雜,無法保證規(guī)模批量產(chǎn)品線性度的一致性,傳輸信號的頻率范圍很窄,溫度漂移系數(shù)較大,不適合大規(guī)模應(yīng)用。

        本文以市場上常見的廉價(jià)線性光耦HCNR201為例,通過大量的實(shí)驗(yàn)研究,選擇合適的工作范圍,提出了一種臨界點(diǎn)線性加減補(bǔ)償算法,該算法將硬件與軟件補(bǔ)償相結(jié)合[8],大幅改善信號傳輸?shù)木€性度,輔以零點(diǎn)漂移的軟硬件補(bǔ)償措施(較簡單),實(shí)現(xiàn)了利用線性光耦的極高精度模擬信號隔離器的批量自動化生產(chǎn),其中線性光耦的極限線性度通過進(jìn)一步線性化后均可小于0.003%,信號隔離器的極限精度均小于0.01%,有效工作溫度范圍拓展為工業(yè)級(-40~+85 ℃)。

        1 實(shí)驗(yàn)研究

        1.1 線性光耦HCNR201

        HCNR201是Agilent公司生產(chǎn)的一種高精度線性光耦器件,線性度最佳值為0.01%,一般批量線性度為0.05%,同時(shí),該器件帶寬可達(dá)1.0 MHz,增益溫度系數(shù)較低。這些特征決定了該芯片在模擬信號隔離中有廣泛的應(yīng)用。該芯片設(shè)計(jì)靈活,通過應(yīng)用電路的適當(dāng)設(shè)計(jì)可有很多工作模式,包括單極/雙極[9]、AC/DC及反相和同相,HCNR201為許多模擬信號隔離問題提供了卓越的解決方案。HCNR201高線性模擬光耦內(nèi)含一個(gè)高性能AlGaAs-LED和2個(gè)高度匹配的光二極管(見圖1)。輸入光二極管可用來反饋監(jiān)測并穩(wěn)定LED的光度輸出,因此,LED的非線性和漂移特性幾乎被消除,輸出光二極管會產(chǎn)生線性對應(yīng)LED光輸出的光電流,光二極管間的緊密匹配和先進(jìn)的封裝設(shè)計(jì)可確保光耦的高線性度和穩(wěn)定增益。HCNR201的主要參數(shù)及技術(shù)指標(biāo):最佳線性度為0.01%,轉(zhuǎn)換增益K3=IPD2/IPD1(其中,IPD1為3、4引腳之間的電流,IPD2為5、6引腳之間的電流)(見圖1)的變化范圍為-5%~5%,K3的溫度系數(shù)最大值為-65×10-6/℃,帶寬高(DC~1.0 MHz),通過全球安全規(guī)范認(rèn)證、提供表面貼裝或8-pin DIP封裝。HCNR201的結(jié)構(gòu)及典型應(yīng)用原理圖如圖2所示[6]。

        圖1 HCNR201的結(jié)構(gòu)框圖

        圖2 HCNR201的典型應(yīng)用原理圖

        圖1中,1、2引腳作為隔離信號的輸入控制腳,3、4引腳用于反饋,5、6引腳用于輸出(7、8引腳不用)。1、2引腳之間的LED電流為IF。輸入信號經(jīng)過電壓/電流轉(zhuǎn)化,電壓的變化體現(xiàn)在電流IF上,IPD1、IPD2基本與IF成線性關(guān)系,比例系數(shù)K1=IPD1/IF,K2=IPD2/IF,轉(zhuǎn)換增益K3=K2/K1=IPD2/IPD1。分析圖2可知,當(dāng)LED發(fā)光強(qiáng)度增加時(shí),光二極管PD1的受光量會增加,導(dǎo)致IPD1變大,運(yùn)算放大器A1的反相輸入端電位降低,A1的輸出端電位升高,從而使LED的電流變小,LED發(fā)光量減少;反之亦然,于是穩(wěn)定了LED的發(fā)光量,同時(shí)穩(wěn)定了IPD2,使運(yùn)算放大器A2的輸出穩(wěn)定。采用負(fù)反饋技術(shù),拓展了工作頻率帶寬,大幅改善溫度穩(wěn)定性。

        1.2 硬件模塊結(jié)構(gòu)及工作原理

        根據(jù)圖2的典型應(yīng)用原理圖設(shè)計(jì)的用線性光耦HCNR201實(shí)現(xiàn)隔離并進(jìn)一步線性化的部分實(shí)際電路如圖3所示。U6是線性光耦HCNR201,U2、U3和U7都是雙運(yùn)算放大器(簡稱運(yùn)放)AD822,U1是四運(yùn)放AD824,U8是雙100K數(shù)字電位器MAX5415,U4是四模擬開關(guān)MAX4604,U5是雙10位數(shù)字模擬電壓轉(zhuǎn)換器LTC1661,G15 V是輸入端(被隔離端或稱前端)的隔離15 V電源,N是輸入端地線,L是輸入端電流4~20 mA的輸入點(diǎn),該電流通過電阻R6=250 Ω轉(zhuǎn)換為1~5 V的電壓(當(dāng)取消R6時(shí),L就成為隔離電壓信號的輸入點(diǎn))。電阻R7=550 kΩ等效圖2中的R1,使IPD1的工作電流為1.8~9.0 μA,R1(500 kΩ)與U8的B組串聯(lián)構(gòu)成圖2中的電阻R2,其中U8的B組用于粗調(diào)原始輸出電壓V2=V3的斜率,使之接近0.25 V/mA。U5的B組輸出電壓TJD是關(guān)鍵的臨界點(diǎn)電壓值(一般取3.0 V,可適當(dāng)調(diào)整)。當(dāng)V3TJD時(shí),VK=0低電平,U4的第1組模擬開關(guān)有效閉合,VY=V3,WA與VY相關(guān)實(shí)現(xiàn)線性光耦的進(jìn)一步線性化補(bǔ)償.電阻R10與R12分壓決定VA位于2.5 V附近,U5的A組輸出電壓TZB用于調(diào)節(jié)輸出特性曲線的零點(diǎn),U1的第4運(yùn)放構(gòu)成加法電路,實(shí)現(xiàn)V3=V2與VA1=VA的合成,形成最終輸出電壓Vo=V4(當(dāng)然也可改變電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)任意量程的比例電流輸出)。CS、CS1、CK和SD為單片機(jī)控制數(shù)字腳,與U5、U8通信以設(shè)定或動態(tài)調(diào)整有關(guān)參數(shù)。15 V、5 V、2.5 V為輸出端模擬及基準(zhǔn)電源,GND為地,其余標(biāo)號為網(wǎng)絡(luò)連線標(biāo)識。

        圖3 用線性光耦HCNR201實(shí)現(xiàn)隔離并進(jìn)一步線性化的部分實(shí)際電路圖

        2 臨界點(diǎn)線性加減補(bǔ)償算法

        2.1 基本模型

        圖4為線性光耦HCNR201的電流傳輸誤差包絡(luò)圖[6]。由圖可知,在IPD1的有效范圍(0~50 μA)內(nèi),IPD2的誤差呈類似拋物線波動。實(shí)際IPD1的工作電流范圍為1.8~9.0 μA,工作電流較小,功耗較低,有利于減小長期使用的老化效應(yīng)并延長器件壽命的同時(shí),使誤差包絡(luò)曲線呈單一簡單拋物線形狀,便于實(shí)現(xiàn)臨界點(diǎn)線性加減補(bǔ)償算法。

        圖4 線性光耦HCNR201的電流傳輸誤差包絡(luò)圖

        圖5為未經(jīng)補(bǔ)償?shù)脑颊`差結(jié)果典型示例(對零點(diǎn)誤差和斜率誤差進(jìn)行了歸一化處理,下同),與圖4的理論說明一致。由圖5可知,多數(shù)HCNR201的電流傳輸誤差拋物線的開口向下(當(dāng)IPD1電流為1.8~9.0 μA時(shí),電流誤差已被轉(zhuǎn)換為輸出電壓誤差),少數(shù)開口向上。無論誤差拋物線的開口向下或向上,頂點(diǎn)位置一般位于輸出電壓3.0 V附近,將該頂點(diǎn)電壓值定義為臨界點(diǎn)(電壓),由圖3中的TJD控制進(jìn)行精確調(diào)節(jié)。

        圖5 未補(bǔ)償誤差結(jié)果

        2.2 補(bǔ)償算法

        當(dāng)誤差拋物線的開口向下時(shí)(見圖5),若V3>TJD,由圖3的電路結(jié)構(gòu)分析可知,VK=0,U4的第1組有效閉合,VY=V3,通過U8的A組抽頭WA將一定比例的V3與TJD的差值通過R13線性耦合到VA(以TJD為基數(shù)),實(shí)現(xiàn)線性光耦的進(jìn)一步線性化“加”補(bǔ)償;若V3

        圖6 合理補(bǔ)償誤差結(jié)果

        由圖6可看出,誤差拋物線變成基于臨界點(diǎn)左右大致對稱的兩條拋物線,當(dāng)補(bǔ)償合理時(shí),兩條拋物線的頂點(diǎn)基本等高,3個(gè)最低點(diǎn)也基本等高。U8的A組抽頭WA對VY=V3的采樣比例可調(diào)整,但是耦合到VA的補(bǔ)償值始終是線性的,故稱為線性補(bǔ)償。

        通過上述臨界點(diǎn)線性加減補(bǔ)償算法的電路實(shí)現(xiàn),在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)輸出誤差減小,輸入、輸出傳輸特性曲線的最小二乘法線性擬合相關(guān)系數(shù)r接近于1.0(取33個(gè)點(diǎn),r≥0.999 999 999),非線性誤差極小,線性度小于0.003%。典型的輸入電流IL、輸出電壓Vo傳輸特性曲線如圖7所示。特性曲線可表示為Vo=k×IL+b,其中k為擬合直線的斜率,b為零點(diǎn)。

        圖7 典型的輸入、輸出傳輸特性曲線

        3 軟硬件結(jié)合及其性能描述

        3.1 補(bǔ)償比例的動態(tài)調(diào)整

        實(shí)測表明,在不同溫度下,圖5中原始誤差拋物線的開口程度不同,因此最佳補(bǔ)償比例也不同,這可通過單片機(jī)控制U8的A組電位器在生產(chǎn)過程中掃描整個(gè)工作溫度范圍,采取一定算法動態(tài)采集,并將補(bǔ)償比例與溫度的關(guān)系曲線擬合后寫入最終的產(chǎn)品單片機(jī)中。在產(chǎn)品正常工作時(shí),單片機(jī)會采集環(huán)境溫度數(shù)據(jù),將對應(yīng)的最佳補(bǔ)償比例回寫到U8的A組中,從而使線性度始終保持最佳值(即小于0.003%)。圖8為欠補(bǔ)償結(jié)果。圖9為過補(bǔ)償結(jié)果。

        圖8 欠補(bǔ)償結(jié)果

        圖9 過補(bǔ)償結(jié)果

        3.2 斜率的動態(tài)調(diào)整

        由于線性光耦K3存在溫度系數(shù),在常溫下先利用U8的B組電位器粗調(diào)k,使k接近0.25(5.0 V/20 mA),然后利用與線性補(bǔ)償類似的電路采集V3的一定比例(很小),將其合成到U1的第4運(yùn)放加法電路中,對工作溫度范圍內(nèi)k的變化進(jìn)行精確細(xì)調(diào),數(shù)據(jù)采集和工作原理與補(bǔ)償比例的動態(tài)調(diào)整相同。從而在產(chǎn)品正常工作時(shí),在全溫度范圍內(nèi)k保持不變。

        3.3 零點(diǎn)的動態(tài)調(diào)整

        由于線性光耦與多級運(yùn)放組成較復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu),使傳輸特性曲線的零點(diǎn)b≠0,且由于電子器件自身固有的溫漂,導(dǎo)致b隨溫度變化而變化,因此,利用U5的A組輸出TZB實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)的動態(tài)采集與調(diào)整,數(shù)據(jù)采集和工作原理與補(bǔ)償比例的動態(tài)調(diào)整相同。從而在產(chǎn)品正常工作時(shí),在全溫度范圍內(nèi)b均小于±0.2 mV。

        4 結(jié)束語

        利用常規(guī)廉價(jià)的線性光耦HCNR201,通過臨界點(diǎn)線性加減補(bǔ)償算法,實(shí)現(xiàn)了線性光耦的極限線性度的有效突破,最終信號隔離器產(chǎn)品的極限線性度從0.01%(批量芯片0.05%)提高到全工作溫度范圍內(nèi)(-40~+85 ℃)線性度均可小于0.003%,結(jié)合對斜率和零點(diǎn)的動態(tài)調(diào)整,使極限精度小于0.01%,克服了光耦隔離的固有缺陷,充分發(fā)揮了光耦隔離的自身優(yōu)勢。研究表明,臨界點(diǎn)線性加減補(bǔ)償算法對于其他類型的線性光耦或非線性光耦同樣適用,均可大幅改善線性度,滿足工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)尤其是軍事應(yīng)用的更高要求,對抗干擾、數(shù)據(jù)采集、自動控制具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

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