隔離放大器及其應(yīng)用

摘 要： 介紹了具有代表性的幾種隔離放大器，同時討論了應(yīng)用隔離放大器時需要注意的問題。

關(guān)鍵詞： 隔離放大器 數(shù)據(jù)采集 共模抑制

隔離放大器可應(yīng)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(shè)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(jié)構(gòu)見圖１。

在輸入側(cè)，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(cè)。調(diào)制過程通過切換±100μA電流源來實現(xiàn)。

在輸出側(cè)，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。經(jīng)20kΩ電阻反饋到加法器與±100μA電流源綜合，從而使得平均值正比于。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(cè)和輸出側(cè)各需要一組±15V電源（±4.5～±18V)。

２ AD202/204

AD202/204的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2、圖3。

AD202/204４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(cè)。

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(zhuǎn)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(cè)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(qū)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(gòu)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。

這樣，由于負(fù)責(zé)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－ΔAD采樣技術(shù)的光電隔離的另一種形式的隔離放大器。其結(jié)構(gòu)框圖見圖６。

在隔離放大器輸入側(cè)，過采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器

Σ－ΔADC將輸入的模擬信號轉(zhuǎn)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(cè)，在輸出側(cè)解調(diào)，并由數(shù)模轉(zhuǎn)換器重新轉(zhuǎn)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(cè)，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(yīng)用時的注意事項

5.1 消除噪聲

除了由線性光耦構(gòu)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(shè)置相應(yīng)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(yīng)根據(jù)隔離放大器調(diào)制器的固有頻率設(shè)置。在靠近隔離放大器的地方應(yīng)設(shè)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(cè)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(jié)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(shù)參數(shù)，尋找相應(yīng)的代用品。

5.2 降低輻射

變壓器耦合隔離放大器本身構(gòu)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(yīng)設(shè)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(shè)計了屏蔽罩100MS。

5.3 線性光耦的死區(qū)

線性光耦構(gòu)成的隔離放大器，其發(fā)光管需要用電流來驅(qū)動。當(dāng)輸入信號較小時，驅(qū)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(yīng)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。