《電子技術應用》
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隔離放大器及其應用

2009-03-11
作者:趙希才

  摘 要: 介紹了具有代表性的幾種隔離放大器,同時討論了應用隔離放大器時需要注意的問題。
  關鍵詞: 隔離放大器 數(shù)據(jù)采集 共模抑制


  隔離放大器可應用于高共模電壓環(huán)境下的小信號測量,對被測對象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)予以隔離,從而提高共模抑制比,同時保護電子儀器設備和人身安全。
  隔離放大器按耦合方式的不同,可以分為變壓器耦合、電容耦合和光電耦合三種。
  采用變壓器耦合的隔離放大器有:
  ·BURR-BROWN公司(以下簡稱BB公司)的ISO212、3656
  ·Analog Devices 公司(以下簡稱AD公司)的AD202、AD204、AD210、AD215
  采用電容耦合的隔離放大器有:
  ·BB公司的ISO102、ISO103、ISO106、ISO107、ISO113、ISO120、ISO121、ISO122、ISO175
  采用光電耦合的隔離放大器有:
  ·BB公司的ISO100、ISO130、3650、3652
  ·惠普公司(以下稱HP)的HCPL7800/7800A/7800B
  其中,有一些隔離放大器還提供了內(nèi)置DC/DC變換器,以簡化電路、節(jié)省空間、降低成本、提高性能,給使用者提供更大的靈活性。這些隔離放大器包括:
  ·BB公司的ISO103、ISO107、ISO113、ISO212、ISO213、3656(三端隔離)
  ·AD公司的AD202、AD204、AD210(三端隔離)、AD215
  表1 列出了各種隔離放大器的基本參數(shù)。
  下面介紹幾種具有代表性的隔離放大器。


1 ISO 122
  ISO122隔離放大器的內(nèi)部結構見圖1。


  在輸入側,輸入信號VIN經(jīng)調(diào)制后,以數(shù)字量的形式由差分電容耦合到輸出側。調(diào)制過程通過切換±100μA電流源來實現(xiàn)。
  在輸出側,數(shù)字信號解調(diào)并濾除解調(diào)過程中產(chǎn)生的紋波,還原為模擬量信號輸出。VOUT經(jīng)20kΩ電阻反饋到加法器與±100μA電流源綜合,從而使得VOUT平均值正比于VIN。輸出端的采樣保持器則用于濾除解調(diào)過程中產(chǎn)生的固有紋波。
  由于采用了數(shù)字化調(diào)制手段,隔離柵的性能不會影響到模擬信號的完整性,所以有較高的可靠性和良好的頻率特性。
  ISO122不需要外接其它元件就可以工作。其線性度優(yōu)于0.02%,帶寬50kHz。輸入側和輸出側各需要一組±15V電源(±4.5~±18V)。
2 AD202/204
  AD202/204的內(nèi)部結構見圖2、圖3。

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  AD202/204采用調(diào)幅手段,利用變壓器將直流或交流信號耦合到輸出側。
  AD202/204的輸入端內(nèi)置一個獨立的運算放大器,可以用作輸入的緩沖、提供必要的增益,或者用作濾波器、加法器、I/V轉換等等。對于有這類需要的電路來講非常方便。
  AD202/204內(nèi)置一個DC/DC變換器,輸出為±7.5V??梢蕴峁╇娫唇o輸入側的運算放大器、調(diào)制器或其它電路。
  AD202、AD204的區(qū)別在于:AD202直接由±15V電源驅動,而AD204由外部時鐘提供電源。這樣,在多通道情況下,幾個AD204可以共用一個時鐘源,降低了功耗和成本,提高了帶寬,同時其內(nèi)置DC/DC也可以提供更大的功率輸出。
3 3650、3652
  BB公司的3650、3652為由線性光耦構成的隔離放大器。
  光電耦合器廣泛用作數(shù)字電路中的隔離,若用于模擬電路,則有明顯的缺點:一是非線性;二是穩(wěn)定性受到環(huán)境溫度和時間的影響。需要采取特殊措施加以解決。
  3650、3652的工作原理可以由圖4說明。


  由放大器A1,發(fā)光管CR1光電管CR3構成負反饋回路。I1=IIN=VIN/RG。光電管CR2和CR3是完全一致的,從CR1接收到的光量相同,λ1=λ2,則I1=I2=IIN。放大器A2與Rk(內(nèi)置電阻1MΩ)構成
  I/V轉換器,VOUT=I2Rk,所以有:VOUT=VINRk/RG。
  這樣,由于負責反饋回路的存在,解決了光電耦合器件非線性和不穩(wěn)定的問題。只要CR2、CR3的一致性能夠得到保證,信號的耦合就不會受到光電器件性能的影響。
  3650與3652的區(qū)別在于前者沒有輸入緩沖放大器,見圖5。


4 HCPL7800/7800A/7800B
  惠普公司的HCPL7800是采用了Σ-Δ AD采樣技術的光電隔離的另一種形式的隔離放大器。其結構框圖見圖6。


  在隔離放大器輸入側,過采樣模數(shù)轉換器
  Σ-ΔADC將輸入的模擬信號轉換為高速串行位流,其脈寬正比于信號的大小。位流經(jīng)處理后由光電管以光的形式傳送到輸出側,在輸出側解調(diào),并由數(shù)模轉換器重新轉換為模擬量,經(jīng)濾波后輸出。
  通過Σ-ΔADC采樣,將輸入模擬量變換為位流,以數(shù)字脈沖的形式耦合到輸出側,光電器件的非線性和漂移問題得以解決,從而保證了隔離放大器的性能。
5 隔離放大器應用時的注意事項
5.1 消除噪聲

  除了由線性光耦構成之外,其余的隔離放大器都采用了調(diào)制解調(diào)手段。在調(diào)制解調(diào)過程中不可避免地會產(chǎn)生一些噪聲,噪聲也會來自電源和被測對象。為了濾除這些噪聲,在信號輸入隔離放大器之前和從隔離放大器輸出之后,設置相應的濾波回路是必要的。為了濾除調(diào)制解調(diào)過程中產(chǎn)生的固有噪聲,濾波器的參數(shù)應根據(jù)隔離放大器調(diào)制器的固有頻率設置。在靠近隔離放大器的地方應設置電源去耦電容或者加π型濾波器。
  大多數(shù)隔離放大器沒有內(nèi)置DC/DC變換器,需要外部供給輸入側電源。選擇DC/DC變換器時,要和隔離放大器的調(diào)制方式、調(diào)制頻率結合起來考慮。較省力的辦法是選用生產(chǎn)廠家推薦的搭配,或者根據(jù)它推薦的DC/DC變換器的技術參數(shù),尋找相應的代用品。
5.2 降低輻射
  變壓器耦合隔離放大器本身構成一個電磁輻射源。如果周圍其它的電路對電磁輻射敏感,就應設法予以屏蔽。例如3656的振蕩頻率為750kHz,BB公司根據(jù)它的封裝專門為它設計了屏蔽罩100MS。
5.3 線性光耦的死區(qū)
  線性光耦構成的隔離放大器,其發(fā)光管需要用電流來驅動。當輸入信號較小時,驅動電流也較小,發(fā)出的光微弱到可能不足以被光電管檢測到。這樣在VIN=0附近就存在一個“死區(qū)”。為防止被測信號有可能落在這一區(qū)間,在信號進入隔離放大器前應由偏置電路將原始信號抬高,使得綜合之后的信號不可能落在這一區(qū)間。
參考文獻
1 Linear Products Burr-Brown IC Data Book.Burr-Brown Corporation,1996
2 Low Cost,Miniature Isolation Amplifiers AD202/AD204.Analog Devices Inc.,1994
3 Optoelectronics Designer's Catalog.Hewlett-Packard Co., 1993
4 諸邦田.電子電路實用抗干擾技術.北京:人民郵電出版社,1994

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