利用光耦實(shí)現(xiàn)模擬隔離放大電路的原理及設(shè)計(jì)

利用光耦實(shí)現(xiàn)模擬隔離放大電路的原理及設(shè)計(jì)

本文提出了一種新的隔離放大器的設(shè)計(jì)方案，該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且選用通用器件，易于實(shí)現(xiàn)。通過(guò)將本電路與AD公司的AD210AN集成模擬隔離放大器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比。本隔離放大電路在帶寬上要優(yōu)于集成模擬隔離放大器。

隔離放大器按傳輸信號(hào)的類型?？梢苑譃槟M隔離和開(kāi)關(guān)隔離放大器。模擬隔離放大器的生產(chǎn)商和產(chǎn)品種類均較少，且產(chǎn)品價(jià)格比較昂貴。開(kāi)關(guān)隔離放大器的生產(chǎn)商較多，產(chǎn)品種類也多，價(jià)格較低，相對(duì)便宜。高價(jià)位的模擬隔離放大器限制了其應(yīng)用范圍。而文獻(xiàn)[2]中提到的雙通道隔離放大器結(jié)構(gòu)復(fù)雜。且對(duì)隔離間距有較高的要求，而文獻(xiàn)[3]中所提到的光電耦合隔離放大器則對(duì)元器件參數(shù)有較高的要求。文獻(xiàn)[4]中提到的隔離放大器對(duì)隔離器件間距也有特殊要求。

1 新型電路原理
圖1所示是筆者設(shè)計(jì)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(yùn)算放大器構(gòu)成。光電耦合器選用普通光耦TLP521，運(yùn)算放大器則選擇通用運(yùn)算放大器LF353。通過(guò)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(gòu)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(yùn)放U1，電阻R1、R2、R3、R4、R5， 電容C1、C2， 光電耦合器OPT1、OPT2、OPT3、OPT4的發(fā)光二極管部分OPT1_A、OPT2_A、OPT3_A、OPT4_A和OPT1、OPT3的光敏三極管部分OPT1_B、OPT3_B組成，由正電源Vcc1和負(fù)電源Vee1供電。OPT1_A、OPT2_A和OPT3_A、OPT4_A的電流構(gòu)成差動(dòng)放大輸入。R1和R2為運(yùn)放的輸入電阻，R3和R4可為四個(gè)光耦的發(fā)光二極管(LED)提供偏置和控制電流。運(yùn)放U1和光耦OPT1、OPT3組成了一個(gè)射級(jí)跟隨器，R5上的電壓即為運(yùn)放的輸入電壓。

運(yùn)放的帶寬決定著構(gòu)成隔離放大器的帶寬?，F(xiàn)有的集成模擬隔離放大器的帶寬均在100 kHz以下，而常用運(yùn)放的帶寬是這個(gè)帶寬的幾倍到幾十倍。因此，本設(shè)計(jì)選用一般的運(yùn)放就可以滿足輸入部分的帶寬要求。所以，輸入級(jí)的運(yùn)算放大器可選用普通運(yùn)放(如LF353)。R7和C3用來(lái)濾波。 本電路的隔離輸出部分由OPT2、OPT4的光敏三極管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(jié)構(gòu)和輸入部分的光敏三極管相似，用于為輸出級(jí)提供電流。電位器W1用來(lái)調(diào)零。而兩部分光耦的電流傳輸比有偏差時(shí)，就會(huì)造成光耦LED電流相等而輸出級(jí)電流差不相同，從而使輸出電壓vo的零點(diǎn)產(chǎn)生漂移。因此，調(diào)節(jié)電位器W1可以消除這種由于光耦器件特性偏差所帶來(lái)的零點(diǎn)漂移。R6為輸出負(fù)載，它和電位器W1共同決定輸出電壓vo。由此可知，本設(shè)計(jì)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芯片。在該隔離放大電路中，AD210的16、17兩引腳連接在一起，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)跟蹤功能。18、19兩引腳之間通過(guò)電阻Ra接信號(hào)源Vs，18腳和Vs共地。腳1和腳2為輸出引腳，Rb為輸出負(fù)載電阻(使用時(shí)可選Ra=Rb=1 kΩ)。該電路可實(shí)現(xiàn)1:1的隔離傳輸功能。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
在對(duì)本電路進(jìn)行測(cè)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(yùn)放使用LF353，光耦使用TLP521。
AD210的測(cè)試電路如圖2所示。在相同的測(cè)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(hào)，然后測(cè)試輸出部分的輸出波形。

圖2 AD210測(cè)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(shí)間，縱軸為輸出電壓幅值。由實(shí)驗(yàn)可以看出，在輸入頻率為1 kHz時(shí)，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(shí)。但在高頻端時(shí)，本電路的傳輸延時(shí)要遠(yuǎn)小于集成隔離放大電路的傳輸延時(shí)。由圖3可知，在40kHz時(shí)，本電路的相位差約為14°。此時(shí)的輸出電壓和輸入電壓沒(méi)有發(fā)生畸變，為線性傳輸。而集成模擬隔離放大器在10 kHz時(shí)的傳輸延時(shí)約為72°。可見(jiàn)，本隔離放大電路的傳輸帶寬要優(yōu)于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。

其中，隔離電壓、隔離阻抗為光耦TLP521的給定參數(shù)；輸入阻抗、電源電壓、輸入電壓范圍為運(yùn)算放大器LF353的給定參數(shù)；單位增益帶寬、輸出電壓范圍為實(shí)際測(cè)量值。
從表1可以看出，本隔離放大器在有些方面與集成模擬隔離放大器相同（如隔離電壓、輸入阻抗）。在小信號(hào)帶寬方面和輸出電壓范圍上要比集成隔離放大器略差。而當(dāng)頻率升高時(shí)，輸出電壓幅值增大則是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。　

4 結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種使用四光耦實(shí)現(xiàn)模擬隔離放大電路的新方案。該方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，價(jià)格低廉。通過(guò)與集成模擬隔離放大器AD210的比較實(shí)驗(yàn)表明，本隔離放大器的性能優(yōu)良，有很好的應(yīng)用前景.