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 數據采集 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,,對被測對象和數據采集系統(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。
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(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(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(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(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(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