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隔离放大器及其应用
[正文]:magicchip 发表于 2007-7-12 8:26:00 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。
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。
[page_break]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。
[page_break]参 考 文 献1 ｌｉｎｅａｒ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ｂｕｒｒ－ｂｒｏｗｎ ｉｃ ｄａｔａ ｂｏｏｋ．ｂｕｒｒ－ｂｒｏｗｎ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ１９９６ 2 ｌｏｗ ｃｏｓｔｍｉｎｉａｔｕｒｅ ｉｓｏｌａｔｉｏｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｒｓ ａｄ２０２／ａｄ２０４． ａｎａｌｏｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎｃ．１９９４ 3 ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｄｅｓｉｇｎｅｒ＇ｓ ｃａｔａｌｏｇ．ｈｅｗｌｅｔｔ－ｐａｃｋａｒｄ ｃｏ． １９９３ 4 诸邦田．电子电路实用抗干扰技术．北京：人民邮电出 版社，１９９４
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