隔离放大器及其应用

    摘 要： 介绍了具有代表性的几种隔离放大器，同时讨论了应用隔离放大器时需要注意的问题。

    关键词： 隔离放大器 数据采集 共模抑制    

    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。  经20kΩ电阻反馈到加法器与±100μA电流源综合，从而使得  平均值正比于  。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。

    AD202/204４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。

    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－ΔAD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  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。