隔離放大器及其應用
發布時間：2009-3-17 08:13
發布者：李寬
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隔離放大器可應用于高共模電壓環境下的小信號測量，對被測對象和數據采集系統予以隔離，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置DC/DC變換器，以簡化電路、節省空間、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。 下面介紹幾種具有代表性的隔離放大器。 1 ISO 122 ISO122隔離放大器的內部結構見圖1。 在輸入側，輸入信號VIN經調制后，以數字量的形式由差分電容耦合到輸出側。調制過程通過切換±100μA電流源來實現。 在輸出側，數字信號解調并濾除解調過程中產生的紋波，還原為模擬量信號輸出。VOUT經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過程中產生的固有紋波。 由于采用了數字化調制手段，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的內部結構見圖2、圖3。 AD202/204采用調幅手段，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、調制器或其它電路。 AD202、AD204的區別在于：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；二是穩定性受到環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，發光管CR1和光電管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。位流經處理后由光電管以光的形式傳送到輸出側，在輸出側解調，并由數模轉換器重新轉換為模擬量，經濾波后輸出。 通過Σ－ΔADC采樣，將輸入模擬量變換為位流，以數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制解調手段。在調制解調過程中不可避免地會產生一些噪聲，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。為了濾除調制解調過程中產生的固有噪聲，濾波器的參數應根據隔離放大器調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。 大多數隔離放大器沒有內置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制方式、調制頻率結合起來考慮。較省力的辦法是選用生產廠家推薦的搭配，或者根據它推薦的DC/DC變換器的技術參數，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公司根據它的封裝專門為它設計了屏蔽罩100MS。 5.3 線性光耦的死區 線性光耦構成的隔離放大器，其發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”。為防止被測信號有可能落在這一區間，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間。 |
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