线性光耦 和 非线性光耦

光电耦合器又称光耦（opticalcoupler，OC），其原理是把发光器（红外线发光二极管LED）与受光器（光敏半导体管）封装在同一管壳内，当输入端加电信号时发光器发出光线，受光器接受光线之后就产生光电流，从输出端流出，从而实现“电—光—电”转换。它具有体积小、寿命长、无触点，抗干扰能力强，输出和输入之间绝缘，单向传输信号等优点，在数字电路上获得广泛的应用。

一、光耦的分类

光耦按照其电流传输特性通常分为线性光耦与非线性光耦（普通光耦）。线性光耦器件又分为两种：无反馈型和反馈型。

无反馈型线性光耦器件实际上是在器件的材料和生产工艺上采取一定措施(使得光耦器件的输入输出特性的非线性得到改善。但是，由于发光二极管和光电三极管的固有特性，改善十分有限。这种光耦器件主要用于对线性区的范围要求不大的情况，例如开关电源的电压隔离反馈电路中经常使用的PC816A和NEC2501H等线性光耦。由于开关电源在正常工作时的电压调整率不大，通过对反馈电路参数的适当选择，就可以使光耦器件工作在线性区。但由于这种光耦器件只是在有限的范围内线性度较高，所以不适合使用在对测试精度以及范围要求较高的场合。【1】

另一种线性光耦是反馈型器件。其作用原理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。与前面介绍过的普通光耦器件线性化使用的原理类似，只不过它在生产工艺上采取了一定措施，使同一片器件中的2个光耦的特性更加趋于一致。这种器件例如德州仪器公司曾经出品现已停产的TIL300A，CLARE公司生产的LOC系列线性光耦，惠普公司生产的HCNR200/201线性光耦【2】等。

二、光耦的常用型号及用途

线性光耦的电流传输特性曲线接近直线，并且小信号时性能较好，能以线性特性进行隔离控制。 开关电源中常用线性光耦，如果使用非线性光耦，有可能使振荡波形变坏，严重时出现寄生振荡，使数千赫的振荡频率被数十到数百赫的低频振荡依次为号调制。由此产生的后果是对彩电，彩显，VCD，DCD等等，将在图像画面上产生干扰。同时电源带负载能力下降。在彩电，显示器等开关电源维修中如果光耦损坏，一定要用线性光耦代换。

常用的4脚线性光耦 （无反馈型线性光耦）有PC817A-C、PC111、TLP521等。常用的六脚线性光耦有：LP632、 TLP532、PC614、PC714、PS2031等。

非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合于传输模拟量。 常用的4N系列光耦属于非线性光耦 。如4N25、 4N26、4N35、4N36。

 

三、光耦的参数

1.电流传输比（current tranfer ratio，CTR）：描述光耦控制特性的参数，即输出管的工作电压为规定值时，输出电流（IO）与发光二极管正向电流（IF）之比，CTR = IO/IF 。【注】有的地方也作CTR = IC/IF（Collector Current / Forward Current）。

这是衡量线性与非线性的重要参数（这里所说的线性是指无反馈型的线性器件，非线性就是普通的器件）。所谓的线性，主要是指输出端的电流和输入端的电流在一定范围内成一定的y=ax+b的比例关系，这就表现为电流传输比(CTR)的平坦的范围。以下是常用光耦的CTR与IF曲线。

 

 

    由图可见，PC817与TLP521的直线部分比较长，电流传输比比较稳定，在一定程度上称之为为线性光耦。它算是“线性”还能凑合用的光耦，勉强可做模拟信号传输，HCNR200、HCPL7800才是可以做线性“光耦”用。实际上，线性与光耦是当前工艺难以实现的，不过线性光耦还是可以通过适当电路来实现的。
对于开关电源的反馈光耦来说，主要看CTR的平坦范围。对于批量产品来说，CTR的一致性也很关键，尤其是反馈环路没有进行优化的设计。按第一个图来说，IF取多少合适？在IF处于上升斜率时，如1-15mA区间，CTR随IF增大而增大。意味着，光耦具有额外的增益。如果电路按照2mA工作点设计，当工作区移到15mA时，增益近似为1.4倍，也就是3dB。这个额外的增益会使得设计好的剪切频率发生移位。当然，这个移动幅度并不大。那么如果选择在15mA后边的曲线工作点呢？可见随着IF增大，CTR反而下降，这意味着增益为负。近似看作-3dB好了（注意，此-3dB非彼-3dB）。所以，光耦的工作点要依照其特征曲线考虑，并且工作域不宜过大。尤其不要将工作点设置在临界点上。

实际上还要考虑CTR的长期老化问题。IF越大，CTR老化越厉害。当然了，反过来你可以用这个特性来控制产品的生命周期。而有的时候，效率也会制约工作点的选取。可能需要更加“节能”的光耦。【3】

另外，注意在EL817和PC817的具体型号分为好几种，它们具有不同的传输比，单个的光耦的传输比范围没有那么大。