（有图有真相）利用ORCAD(PSPICE)做的实际电路的实例仿真分

jianxingdu

      很抱歉，上次放的几个帖子图都挂了。主要因为在下传图的方法不正确。在下会尽快将图编辑补齐。
     直接上文：文章转自在下的空间：
http://user.qzone.qq.com/541974850/blog/1481379259


注：引论坛传图有限制10张，所以只好选择部分仿真图上传。

在控制系统中，经常需要将一些现场信号采集到MCU中，被采集的信号既可能是数字信号，也可能是模拟信号。为了实现电平线性转换以及不把噪声干扰引入到控制系统中来，必须将被测电路和控制电路在电气上实现隔离，光电隔离法和隔离放大器法是两种常用的方法。

线性光耦器件分为两种：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TL431配合PC817的补偿网络。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。

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。例如惠普（AVAGO）公司生产的HCNR200/201线性光耦。

线性光耦的隔离原理与普通光耦没有差别,只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。

仿真的优势与局限性：

进行电路仿真的主要动力是极小化预测目标电路设计性能的时间，相较于实际建立和进行原型测试等效电路的评估，使用SPICE电路进行评估所使用的时间相对上非常微小，另外，这些电路仿真也可以在各种不同温度、偏置条件以及零组件数值和误差条件下多次进行，但耗费时间仅为进行电路试验板设计并于工作台上进行评估的数分之一。

在进行光电耦合器SPICE仿真时，首先应该了解的是软件并无法仿真光电耦合器的两个基本特性，设计中使用光电耦合器主要有两个理由，分别是绝缘和隔离，但是SPICE软件并无法对这两个主要关键光电耦合器功能建立模型。

如果SPICE软件无法仿真光电耦合器两个主要的特性和功能，也就是绝缘和隔离，那么为什么要使用SPICE软件来分析加入光电耦合器模型的电路呢？答案非常简单，SPICE可以成功仿真许多光电耦合器的直流或交流参数和其他特性，如：

1. 输入到输出传播延迟

2. 电流传输比(CTR)

3. 传输增益

4. 带宽或频率响应

5. 功耗

因此使用光电耦合器宏模型的SPICE电路仿真拥有许多好处，这当然也代表使用这些光电耦合器宏模型所提供的深入了解要比没有好了许多。

我们必须了解，模型和软件只有在概念假设条件成立时才正确，这些模型并不完美，并且这些零组件的部分特性也无法轻易建模，除了先前讨论的光电耦合器绝缘和隔离特性外，其它可能完全无法建构模型的参数包括锁存灵敏度、电源灵敏度、击穿电压、噪声灵敏度和过冲等。

而HCNR200/201的DATASHEET中，就为我们提供了HCNR系类的SPICE宏模型。如图：

一个单极运算放大器的模拟隔离器电路简单设计仿真:

电路分析：
假设U1作为一个理想运算放大器，没有电流流入PIN2引脚。这样所有的电流将通过R1流入IPD1（HCNR200的PIN3 PIN4）。这样近似得到：IPD1=VIN/R1（1）。
因此，IPD1具有只取决于输入电压和的值 R1并且独立于光藕的发光管LED的特点。如果 LED的光输出随温度变化,那么运算放大器 U1可以补偿调整并维持一个恒定电流在IPD1上。还要注意,IPD1 完全成正比与输入电压VIN,这样就在在输入电压和光电二极管电流之间建立了一个非常线性关系。
从而输入光学功率和光电二极管输出电流之间的关系也变得非常线性。因此，通过稳定和线性化的IPD1，LED的输出也变得稳定和线性化。
并且，因为发光管LED的光落在两个光敏二极管IPD1和IPD2上,IPD2也会稳定下来。
而HCNR200的物理封装结构决定了，相当大量的光落在了连个光敏二极管IPD1和IPD2上，从而使得IPD1和IPD2建立了比例关系。而这个比例关系，在时间和温度上是非常稳定的。这种比例关系可以被表述为一个常数K. K = IPD2/IPD1（2）.
运算放大器U2和电阻R3组成了一个跨阻型放大器，将电流IPD2转换为一个输出电压VOUT：VOUT= IPD2*R2（3）.
结合上述三个方程产生一个在输出电压与输入电压之间整体表达：
VOUT/VIN = K*(R2/R1).
这样，就在输入电压VIN和输出电压VOUT之间建立了一个恒定的，线性的并且独立于发管LED输出的关系。获得基本的隔离放大电路的增益就可以通过调整R1，R3之间的比值实现。而这个参数K(成为K3的电气特性规范) 可以被认为是光耦合器的增益,它在HCNR200的规格书中指定。

下面通过PSPICE的Bias Piont分析，验证上述分析结论：





1 运放选型
运放可以是单电源供电或正负电源供电，上面给出的是单电源供电的例子。为了能使输入范围能够从0到VCC，需要运放能够满摆幅工作，另外，运放的工作速度、压摆率不会影响整个电路的性能。运放的输入失调电流范围满足系统误差要求。
2 阻值确定
2.1电阻R2的确定
为了保护LED不受故障情况，也就是输入侧运算放大器输出切换到低电位状态或接地的影响，电阻R2在选择上必须使R2控制的全幅LED电流不会超过25mA的绝对最高LED电流值，也就是HCNR200数据表中所列出的绝对最高条件。

故障状态下的全幅LED电流可由以下方程计算取得：


2.2 电阻R1，R3的确定
如果在输入加上正电压，那么运算放大器的输出会倾向电平方向移动，造成LED电流流动，IPD1通过VIN和R1由外部控制，IPD1 = VIN/R1。运算放大器会限制LED电流IF到适当大小以适合外部控制的IPD1。LED电流的最大范围在设计上被设定在25mA的绝对最大值以下，由于运算放大器采稳定负反馈控制方式连接，因此会维持两个输入端的相同电压，在此为0V。输出电压VOUT = IPD2 x R2，因此可以通过以下方程建立传输函数。
IPD1 = VIN/R1 (输入光电二极管电流)
K3 = IPD2/IPD1 = 1，其中传输增益K3可由数据表取得
IPD2 = K3 x IPD1
VOUT = IPD2 x R5
求解以上方程可以得到线性传输函数为：
VOUT/VIN = K3 x R5/R1
基本上传输增益K3=1，在HCNR201中精确度误差为5%、HCNR200则为15%。输入光增益由数据表中的K1参数代表并定义为IPD1/IF，HCNR201数据表列出HCNR200输入电流转换比为0.25%到0.75%，HCNR201为0.36%到0.72%
如数据表指出，要得到最好的线性度，光电二极管电流必须设定在5nA到50μA之间，这代表输入VIN和R1的组合必须限制外部最高光检测器电流为50μA，故通过设置R1的数值，需要保证输入信号在0V-VIN之间变化，光电二极管电流必须设定在5nA到50μA之间，从而保证最好的线性度。


如图：


然而要达到100μA的较高光检测器电流可由选择接近25mA的较高LED电流轻易取得。
R3的确定可以根据所需要的系统增益,例如系统增益为1,只需将R3=R1即可。同时，R3可以通过串联电位器的方式，补偿传输增益K3带来的系统增益误差，在HCNR201中精确度误差为5%、HCNR200则为15%。
同时为了保证反馈环路的稳定型和滤除高频噪声的需求，通常在R1，R3处并联电容,构成低通滤波器,具体电容的值由输入频率以及噪声频率确定。



利用pspice的DC SWEEP分析方法验证以上设计结果。


加入temperature sweep分析



应用PSPICE的AC SWEEP分析方法，分析电路的频域特性：


利用pspice的Transient分析方法，分析系统的暂态特性：


HCNR200/201的电路设计是非常灵活的因为它的LED和两个光电管都可以被设计者直接访问。这允许设计者使性能权衡,否则很难做商用隔离放大器(如：带宽，精度和成本)。
此外，在AVAGO的应用笔记中给出了：《使用HCNR200或HCNR201的4-20mA发射器电路》，《4-20mA HCNR200电流回路接收器》，《HCNR200或HCNR201高速低成本模拟隔离器电路》，《基于HCNR200或HCNR201单极运算放大器的模拟隔离器电路》，《HCNR200或HCNR201双极输入模拟隔离放大器电路》等应用实例。
  
参考文献：
《High-Linearity Analog Optocouplers HCNR200/201 Datasheet》


《AVAGO应用笔记AN5545 HCNR200和HCNR201模拟光电耦合器SPICE电路仿真》

fairy0212

学习了

第二炮兵

受教了

wjgmr

    

天天向下

jopey

    

desig

深入学习了，我以前也喜欢仿真，现在都退回到原始状态了。

fengxz

一直想学  但是工作 。。。

单枪舞九州

这种叫啥仿真？

altim