原创 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。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。
参 考 文 献
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 诸邦田．电子电路实用抗干扰技术．北京：人民邮电出 版社，１９９４