隔离放大器及其应用

2009年03月17日 08:03    李宽
关键词: 隔离放大器 , 应用
隔离放大器可应用于高共模电压环境下的小信号测量,对被测对象和数据采集系统予以隔离,从而提高共模抑制比,同时保护电子仪器设备和人身安全。
  隔离放大器按耦合方式的不同,可以分为变压器耦合、电容耦合和光电耦合三种。
  采用变压器耦合的隔离放大器有:
  ·BURR-BROWN公司(以下简称BB公司)的ISO212、3656
  ·Analog Devices 公司(以下简称AD公司)的AD202、AD204、AD210、AD215
  采用电容耦合的隔离放大器有:
  ·BB公司的ISO102、ISO103、ISO106、ISO107、ISO113、ISO120、ISO121、ISO122、ISO175
  采用光电耦合的隔离放大器有:
  ·BB公司的ISO100、ISO130、3650、3652
  ·惠普公司(以下称HP)的HCPL7800/7800A/7800B
  其中,有一些隔离放大器还提供了内置DC/DC变换器,以简化电路、节省空间、降低成本、提高性能,给使用者提供更大的灵活性。这些隔离放大器包括:
  ·BB公司的ISO103、ISO107、ISO113、ISO212、ISO213、3656(三端隔离)
  ·AD公司的AD202、AD204、AD210(三端隔离)、AD215
  表1 列出了各种隔离放大器的基本参数。
  下面介绍几种具有代表性的隔离放大器。


1 ISO 122
  ISO122隔离放大器的内部结构见图1。


  在输入侧,输入信号VIN经调制后,以数字量的形式由差分电容耦合到输出侧。调制过程通过切换±100μA电流源来实现。
  在输出侧,数字信号解调并滤除解调过程中产生的纹波,还原为模拟量信号输出。VOUT经20kΩ电阻反馈到加法器与±100μA电流源综合,从而使得VOUT平均值正比于VIN。输出端的采样保持器则用于滤除解调过程中产生的固有纹波。
  由于采用了数字化调制手段,隔离栅的性能不会影响到模拟信号的完整性,所以有较高的可靠性和良好的频率特性。
  ISO122不需要外接其它元件就可以工作。其线性度优于0.02%,带宽50kHz。输入侧和输出侧各需要一组±15V电源(±4.5~±18V)。
2 AD202/204
  AD202/204的内部结构见图2、图3。

  


  AD202/204采用调幅手段,利用变压器将直流或交流信号耦合到输出侧。
  AD202/204的输入端内置一个独立的运算放大器,可以用作输入的缓冲、提供必要的增益,或者用作滤波器、加法器、I/V转换等等。对于有这类需要的电路来讲非常方便。
  AD202/204内置一个DC/DC变换器,输出为±7.5V。可以提供电源给输入侧的运算放大器、调制器或其它电路。
  AD202、AD204的区别在于:AD202直接由±15V电源驱动,而AD204由外部时钟提供电源。这样,在多通道情况下,几个AD204可以共用一个时钟源,降低了功耗和成本,提高了带宽,同时其内置DC/DC也可以提供更大的功率输出。
3 3650、3652
  BB公司的3650、3652为由线性光耦构成的隔离放大器。
  光电耦合器广泛用作数字电路中的隔离,若用于模拟电路,则有明显的缺点:一是非线性;二是稳定性受到环境温度和时间的影响。需要采取特殊措施加以解决。
  3650、3652的工作原理可以由图4说明。


  由放大器A1,发光管CR1和光电管CR3构成负反馈回路。I1=IIN=VIN/RG。光电管CR2和CR3是完全一致的,从CR1接收到的光量相同,λ1=λ2,则I1=I2=IIN。放大器A2与Rk(内置电阻1MΩ)构成
  I/V转换器,VOUT=I2Rk,所以有:VOUT=VINRk/RG。
  这样,由于负责反馈回路的存在,解决了光电耦合器件非线性和不稳定的问题。只要CR2、CR3的一致性能够得到保证,信号的耦合就不会受到光电器件性能的影响。
  3650与3652的区别在于前者没有输入缓冲放大器,见图5。


4 HCPL7800/7800A/7800B
  惠普公司的HCPL7800是采用了Σ-Δ AD采样技术的光电隔离的另一种形式的隔离放大器。其结构框图见图6。


  在隔离放大器输入侧,过采样模数转换器
  Σ-ΔADC将输入的模拟信号转换为高速串行位流,其脉宽正比于信号的大小。位流经处理后由光电管以光的形式传送到输出侧,在输出侧解调,并由数模转换器重新转换为模拟量,经滤波后输出。
  通过Σ-ΔADC采样,将输入模拟量变换为位流,以数字脉冲的形式耦合到输出侧,光电器件的非线性和漂移问题得以解决,从而保证了隔离放大器的性能。
5 隔离放大器应用时的注意事项
5.1 消除噪声

  除了由线性光耦构成之外,其余的隔离放大器都采用了调制解调手段。在调制解调过程中不可避免地会产生一些噪声,噪声也会来自电源和被测对象。为了滤除这些噪声,在信号输入隔离放大器之前和从隔离放大器输出之后,设置相应的滤波回路是必要的。为了滤除调制解调过程中产生的固有噪声,滤波器的参数应根据隔离放大器调制器的固有频率设置。在靠近隔离放大器的地方应设置电源去耦电容或者加π型滤波器。
  大多数隔离放大器没有内置DC/DC变换器,需要外部供给输入侧电源。选择DC/DC变换器时,要和隔离放大器的调制方式、调制频率结合起来考虑。较省力的办法是选用生产厂家推荐的搭配,或者根据它推荐的DC/DC变换器的技术参数,寻找相应的代用品。
5.2 降低辐射
  变压器耦合隔离放大器本身构成一个电磁辐射源。如果周围其它的电路对电磁辐射敏感,就应设法予以屏蔽。例如3656的振荡频率为750kHz,BB公司根据它的封装专门为它设计了屏蔽罩100MS。
5.3 线性光耦的死区
  线性光耦构成的隔离放大器,其发光管需要用电流来驱动。当输入信号较小时,驱动电流也较小,发出的光微弱到可能不足以被光电管检测到。这样在VIN=0附近就存在一个“死区”。为防止被测信号有可能落在这一区间,在信号进入隔离放大器前应由偏置电路将原始信号抬高,使得综合之后的信号不可能落在这一区间。
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