基于线性光耦HCNR200的电流检测电路设计与实现_精品.doc

基于线性光耦HCNR200的电流检测电路设计与实现 浙江大学生仪学院 生物医学工程 **** 学号****** [摘要]本文主要介绍了惠普公司的高线性度模拟光耦HCNR200的基本结构及工作原理。利用该器件设计了一种模拟信号隔离来对医疗设备中电流检测的硬件电路，较好地解决了设备中高电压、强电流很容易串入低压器件将其烧毁线性光耦HCNR200可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离，隔离电压峰值达8000V；输出跟随输入变化，线性度达0.01％。 式中K1、K2分别为输入、输出光电二极管的电流传输比，其典型值均为0．5％左右(0．25％~0．75％)。因为If一般在l~20mA之间，所以IPD1、IPD2一般在50uA以下。K3为传输增益，当一只HCNR200被制造出来后，其输出侧光电流和输入侧光电流之比就是一个恒定值K3，HCNR200的传输增益K3约为l土0.15。 图1 HCNR200内部结构原理图 使用该芯片时，发光二极管LED与光电二极管PDl组成隔离转换电路的输入部分并形成负反馈，用来检测和稳定发光二极管发光的强度。PD2则构成隔离转换电路的输出部分。由于整个电路输入部分构成负反馈回路，因而只要负反馈通道的LED和PD1关系确定，隔离转换电路的输入部分就稳定。又因为PD 1与PD2严格成比例，则可通过适当的电路使输出信号与输入信号有稳定的比例关系。总之，PD1和PD2安装位置的精确性及两者严格比例关系、负反馈电路的应用以及元件先进的封装设计保证了HCNR200的高线性度和传输增益的高稳定性。 3 HCNR200典型应用电路分析 图2所示为用HCNR200实现一个简单隔离放大器的基本应用电路。运算放大器Al构成负反馈放大电路，PDl接在A1的输入端，完成对LED输出光信号的检测，并自动调整通过LED的电流，以补偿LED光强随温度变化引起的非线性，因此该反馈放大器主要用于稳定LED的光输出并使其线性化。A2构成电流电压转换电路A2和及R2将IPD2转换为电压输出。R3为LED的限流电阻，C1、C2为起反馈作用，用于改善电路的高频特性，提高电路的稳定性，消除自激振荡，滤除电路中的毛刺信号，降低电路的输出噪声，其容值可根据电路的频率特性来选取。设IED两端的电压为VLED，A1输出端电压为Vo1，根据运放“虚短”和“虚断”特性，有： 由上式可得，IPD1仅仅决定于V in以及R1的值，与LED的输出光强特性无关。该隔离放大器电路的V out与V in也成线性关系，也与LED的输出光强无关。由于K3约等于1，所以只需通过调整R1和R2的比值，即可改变此隔离放大器的传输增益。 图2 HCNR200应用电路 4 电流检测电路 .1 光电导模式下的电流检测电路设计HCNR200工作在光电导模式下的检测电流电路如图所示，信号为正极性输入，正极性输出。隔离电路中,R1调节初级运算放大器的输入偏置电流的大小,C1起反馈作用,同时滤除了电路中的毛刺信号,避免HCNR200中的铝砷化镓发光二极管(LED)受到意外的冲击。但是，随着频率的提高,阻抗将变小,HCNR200的初级电流增大,增益随之变大,因而，C1的引入对通道在高频时的增益有一定影响,虽然减小C1的值可以拓展带宽,但是，会影响初级运算放大器的增益,同时,初级运算放大器输出的较大毛刺信号不易被滤除。R3可以控制LED的发光强度,对控制通道增益起一定作用。 光电导模式下的电流检测电路.2 光电压模式下的电流检测电路设计 HCNR200工作在光电压模式下的检测电流电路如图所示，信号为正极性输入，正极性输出。R1、R2、R3、C1的作用与在光电导模式下的作用基本相同。放大器A1调节电流If。当输入电压Vin增加时，I1增加，同时放大器A1“＋”输入端电压增加，促使电流If增加。由于D1与D2之间的联系，I1就会把“＋”输入端电压重新拉回0V，形成负反馈。如果放大器A1的输入电流很小，那么流经R1的电流就为Vin/R1=I1。显而易见，I1与Vin之间是线性比例关系。I1稳定线性变化，If也稳定线性变化。因为D3受到D1光照，I2也跟着稳定线性变化。放大器A2和电阻R2将I2转化成电压VOut=I2×R2。 光电压模式下的电流检测电路设计 运算放大器的选择 HCNR200/201是电流驱动型器件,其LED的工作电流为1mA～20mA,因此，运算放大器A1的驱动电流也必须达到20mA,能达到这种输出电流能力的运算放大器输出级一般为双极型，因此，选双极型运算放大器较合适。同时,根据输入电压范围,也要求运算放大器有相应的共模输入和输出能力。本设计电路采用单电源供电的HA17324集成运算放大器,其输出电流可达40mA。 电阻器的选择 下面讨论光电导模式下电阻器的选择。 A1组成驱