隔離放大器按傳輸信號的類型。可以分為模擬隔離和開關隔離放大器。模擬隔離放大器的生產商和產品種類均較少,且產品價格比較昂貴。開關隔離放大器的生產商較多,產品種類也多,價格較低,相對便宜。高價位的模擬隔離放大器限制了其應用範圍。而文獻[2]中提到的雙通道隔離放大器結構複雜。且對隔離間距有較高的要求,而文獻[3]中所提到的光電耦合隔離放大器則對元器件參數有較高的要求。文獻[4]中提到的隔離放大器對隔離器件間距也有特殊要求。
本文提出了一種新的隔離放大器的設計方案,該方案結構簡單,且選用通用器件,易於實現。通過將本電路與AD公司的AD210AN集成模擬隔離放大器進行實驗對比。本隔離放大電路在帶寬上要優於集成模擬隔離放大器。
1 新型電路原理
圖1所示是筆者設計的隔離放大器的原理電路。本隔離放大電路主要由光電耦合器和運算放大器構成。光電耦合器選用普通光耦TLP521,運算放大器則選擇通用運算放大器LF353。通過這兩種普通器件的搭配.所得到的隔離放大器性能和專用模擬隔離放大器的性能相近。
圖1所示是放大器加普通光耦組成的隔離放大電路。本隔離放大電路由輸入和隔離輸出兩部分構成,且兩部分使用隔離的電源(Vcc1、Vee1和Vcc2、Vee2供電。輸入部分由運放U1,電阻R1、R2、R3、R4、R5, 電容C1、C2, 光電耦合器OPT1、OPT2、OPT3、OPT4的發光二極體部分OPT1_A、OPT2_A、OPT3_A、OPT4_A和OPT1、OPT3的光敏三極體部分OPT1_B、OPT3_B組成,由正電源Vcc1和負電源Vee1供電。OPT1_A、OPT2_A和OPT3_A、OPT4_A的電流構成差動放大輸入。R1和R2為運放的輸入電阻,R3和R4可為四個光耦的發光二極體(LED)提供偏置和控制電流。運放U1和光耦OPT1、OPT3組成了一個射級跟隨器,R5上的電壓即為運放的輸入電壓。
運放的帶寬決定著構成隔離放大器的帶寬。現有的集成模擬隔離放大器的帶寬均在100 kHz以下,而常用運放的帶寬是這個帶寬的幾倍到幾十倍。因此,本設計選用一般的運放就可以滿足輸入部分的帶寬要求。所以,輸入級的運算放大器可選用普通運放(如LF353)。R7和C3用來濾波。 本電路的隔離輸出部分由OPT2、OPT4的光敏三極體OPT2_B、OPT4_B、電位器W1和輸出電阻R6組成。OPT2_B和OPT4_B為隔離輸出,它的電路結構和輸入部分的光敏三極體相似,用於為輸出級提供電流。電位器W1用來調零。而兩部分光耦的電流傳輸比有偏差時,就會造成光耦LED電流相等而輸出級電流差不相同,從而使輸出電壓vo的零點產生漂移。因此,調節電位器W1可以消除這種由於光耦器件特性偏差所帶來的零點漂移。R6為輸出負載,它和電位器W1共同決定輸出電壓vo。由此可知,本設計選用普通光耦即可(如東芝公司的光電耦合器TLP521)。
2 AD210AN集成放大器
AD210AN是AD公司的集成模擬隔離放大器晶元。在該隔離放大電路中,AD210的16、17兩引腳連接在一起,可實現信號跟蹤功能。18、19兩引腳之間通過電阻Ra接信號源Vs,18腳和Vs共地。腳1和腳2為輸出引腳,Rb為輸出負載電阻(使用時可選Ra=Rb=1 kΩ)。該電路可實現1:1的隔離傳輸功能。
3 實驗驗證
在對本電路進行測試中,選取Vcc1=Vcc2=12V,Vee1=Vee2=-12 V, R1=R2=18 kΩ, R3=R4=3.2kΩ,Rs=R6=5 kΩ,W1=100 kΩ,C1=C2=0.01 uF,運放使用LF353,光耦使用TLP521。
AD210的測試電路如圖2所示。在相同的測試條件為:給輸入端加頻率為0~10 kHz、峰-峰值為10 V的正弦信號,然後測試輸出部分的輸出波形。
圖2 AD210測試原理圖
圖3和圖4分別為新電路和AD210的輸入輸出電壓波形圖。其中橫軸為時間,縱軸為輸出電壓幅值。由實驗可以看出,在輸入頻率為1 kHz時,本隔離電路和集成模擬隔離放大器AD210具有相同的線性度和相同的傳輸延時。但在高頻端時,本電路的傳輸延時要遠小於集成隔離放大電路的傳輸延時。由圖3可知,在40kHz時,本電路的相位差約為14°。此時的輸出電壓和輸入電壓沒有發生畸變,為線性傳輸。而集成模擬隔離放大器在10 kHz時的傳輸延時約為72°。可見,本隔離放大電路的傳輸帶寬要優於集成模擬隔離放大器。
圖3 本新型電路的輸入輸出電壓波形(fin為40 kHz)
圖4 AD210的輸入輸出電壓波形(fin為10 kHz)
表1為本隔離放大器和專用模擬隔離放大器AD210以及ISO124在性能上的比較。
參數 | 測試條件 | 本放大器 | AD210A | ISO124 | 單位 |
隔離電壓 | 交流60Hz | 2500 | 2500 | 1500 | Vrms |
隔離阻抗 | 1011 | 1014/12 | Ω/pF | ||
輸入電壓範圍 | ±5 | 10 | ±12.5 | V | |
輸入阻抗 | 1012 | 1012 | 200 | kΩ | |
輸出電壓範圍 | ±5 | ±10 | ±12.5 | V | |
單位增益帶寬 | 40 | 15~20 | 50 | kHz | |
電源電壓 | ±12 | ±15 | ±15 | V |
4 結束語
本文提出了一種使用四光耦實現模擬隔離放大電路的新方案。該方案電路結構簡單,易於實現,價格低廉。通過與集成模擬隔離放大器AD210的比較實驗表明,本隔離放大器的性能優良,有很好的應用前景。
參考文獻
1 孟玉慈,孫允高 隔離放大器在軍用電子系統中的選擇與應用 電子元器件應用,2005,(5)
2 王禮平 雙通道寬頻隔離放大器的設計 電測與儀錶,2004,41(7)
3 張邵華,施紅軍,林言方 光電耦合隔離放大器的頻率響應研究 半導體光電,2003,(1)
4 張亮,李應輝 高壓隔離高線性度光電耦合器 半導體光電,2004,25(4)
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