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组合电路——隔离放大器

组合电路——隔离放大器

点击数:7545 次   录入时间:03-04 11:46:43   整理:http://www.55dianzi.com   电路基础知识

  隔离放大器是一种具有电阻隔离功能的组合电路,用以切断放大器输入与输出级之间信号的电阻耦合,通常用光耦合、变压器耦合或电容耦合来替代信号的电阻耦合。隔离放火器一般是由一个运算放大器或测量放大器带一个单位增益的隔离级组成,其符号如下图所示,这是一个双端输入、单端输出、中间有电阻隔离层的组合电路。

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隔离放大器最主要的特征是输入级完全浮动,即输入级与输出级之间无公共接地点,藉此切断两者之间的电阻耦合,使输入级与输出级之间可以承受几千伏的隔离电压,这对于在高电压环境下检测微弱信号.及人体心电或脑电信号的测量极其有用。

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  标准的隔离放大器有两种输入型式,其一为电压输入隔离型(上图).其二为电流输入隔离型(下图)。

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图中vISO是输入级与输出级之间的隔离电压,VCM是共模电压,vSIO与ISIG。分别为输入信号电压与电流.CJSO与Riso分别为隔离电容与隔离电阻,CMRR与IMRR分别为共模抑制系数与隔离模抑制系数。值得注意的是两种输入型式的IMRR含义不相同,单位也不一样。对于电压输入型,IMRR是指对隔离电压的抑制,单位是v/v.而对于电流输入型,其IMRR是指对隔离电流的抑、制,单位是A/V。

  隔离放大器的输入级与输出级各有一个公共接地端,彼此独立,该两个公共接地端之间的电势差称为隔离电压vISO。.VJSO代表该隔离放大器之隔离层所能承受的最大电压。通常,隔离放大器的VIso>2000V,比共模电压夫得多。

  隔离放大器的输出电压由三部分组成,对于电压输入型(见上图)。有:43

  式中VSJO为输入信号电压.VCM/CMRR为折合到输入端的共模电压.VIso/IMRR为折合到输入端的隔离电压.Av为放大器电压增益。

  对于电流输入型(见上图),有:

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式中IslG为输入信号电流,ICMI为折合到输入端的共模电流,lISOI为折合到输入端的隔离电流.RF与R1分别为反馈电阻与输入电阻。一个好的、能正常工作的隔离放大器,其信号源输入端与放大器输出级之间的隔离电阻应大于10MΩ,且隔离抑制模系数与共模抑制系数均应大于1OOdB。为此,要求输入级与输出级采用两组相互独立的电源供电。

  隔离放大器应用极为广泛,归结起来通常在以下四方面用得较多:

  1.在高共模电压条件下放大和测量低电平信号;

  2.在需要切断接地环路或消除电源接地耦合的场合,隔离放大器可以提供完全悬浮的输入,切断对电源地的连接,使输入级与输出级保持相对独立;

  3.在医学上,用于监测仪器与病人身上传感器之间的连接,隔离放大器可以确保两者之间信号的畅通却又能隔断病人身上的共模信号。为此,要求隔离放大器具有较高的隔离电压与极低的漏电流。

  4.对电气设备和测试仪器提供隔离保护。众所周知,高的共模电压往往会导致危险的电气故障,具有高隔离电压和低-漏电流的隔离放大器能够保护测试设备。

  隔离放大器种类繁多,型号各异,根据隔离放大器信号输入级与输出级之间耦合形式的不同可划分为以下三大类型:变压器耦合隔离放大器、光耦合隔离放大器与电容耦合隔离放大器。本文只介绍变压器耦合隔离放大器。

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  上图所示B-B公司的IS03656KG型组合电路是典型的变压器耦合隔离放大器。其输入级由运放Al、调制器、输入解调器及整流滤波器组成;输出级由运放A2、输出解调器、整流滤波器及脉冲发生器等组成;输入与输出级之间的信号通过变压器耦合。

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整个电路密封在上图所示的外壳中,该电路有20个引脚,各引脚的功能如上表所示。电路的输入级与输出级共有三个相互独立的公共接地端(3、17与20脚).在正常工作时,彼此之间可以承受几千伏隔离电压,典型数据如上图所示,由图可知,输入与输出公共接地端之间可以承受3500伏隔离电压。

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  上图是IS03656KG的应用例子,这是一个心电图信号放大器。为了提高放大器反相端输入阻抗,在反相输入端加接高阻抗运放OP21。OP21的电源与3656输入级采用同一组电源,从而组成高阻抗测量放大器。心电图放大器有三个输入端,即接左侧信号的反相输入端LA、接右侧信号的同相输入端RA及输入级公共接地端RL。放大器输入级的电压增益由R1、R2、R3与R4决定,电阻R3与R4使3656KG的同相端增益为10.反相端增益为-9.而Rl与R2使外接运放OP2】产生的增益为1+0.11=1.11。因此,图7放大器同相输入端RA与复合输入端LA均有近似10倍的增益。图7甲.I/P为输入级电源,O/P为输出级电源,输入端两只1W330k碳膜电阻与Dl~D4二极管起保护放大器输入级免受电磁脉冲破坏的作用。放大器的带宽决定于输出级的Rc带通滤波器,其中高通截止频率取决于输出级放大器A2的RC并联反馈网络,即由68M.电阻与22pF电容决定.fH=1OOHz;而低通截止频率取决于串接在输出解调器与A2反相输入端之间的RC串联网络,即由3M电阻与1μF电容决定.fH=0.05Hz.故放大器的带宽约为0.05Hz~100Hz.输出级的增益为68M/3M=22.7。图7输出级的100M电阻与lOOk电位器组成的反馈网络是失调电压调整电路,用来朴偿由于电阻不平衡引起的失调;两只反相并联的二极管是为大的输入信号提供快速恢复的通道。IS03656型隔离放大器使用三组电源,即相互独立的输入级电源I/P和输出级电源O/P,还有一组脉冲发生器用电源,该电源可以从输出级电源中分离出来,也可以使用独立电源。

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  上图所示放大器适用于对人体左右两路的差动信号进行放大,可以对人体上较大的共模信号进行抑制。然后,在许多现代化的心电图机系统中,病人不能与放大器的接地点相连,故通常采用下图所示的放大器,在病人右腿上安装一个公共电极,连到下图的id端,经附加运放A3的输出端,然后与3656电路的公共地相连。

人体的两组信号接到LA与RA上,这样人体上的共模信号经Al与A2阻抗变换,在两运放输出端经两只中和电阻Rl与R2读出,再通过A3组成的反相放大器和隔离电阻R4加到右腿电极上。这样,经过运放Al、A2与A3的处理,可以将心电信号中的共模电压降到最小,与图7相比,图8电路对共模信号的抑制能力可以提高1OdB左右。

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  上图是IS03656电路的另一种应用例子,在本例中IS03656接成差动输入程式,而且输入信号源VIN不直接与放大器公共接地端相连。从图9看出,输入级解调负载(10脚与3脚之间的电阻RF)分为两部分RF-与RF+,各为1M,从而使VIN悬浮。此时,输出电压Vour=-VlN(RF/RI),当RF=Rl时,则VOUT=-VIN。

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  上图是用IS03656组成检测串联在高电压中微小信号v.。的电路。对于图10例子,串联电压源为Vs=1000v,而被检测的信号VIN只有500mV,VIN串接在vs中,相当于在对地500v的高共模电压系统中要检测500mV的信号,一般相当困难。利用图10所示的隔离放大器就能解决这个难题,该电路能将高压共模电压隔离,使微弱的VIN从高压的vs中分离出来,并加以放大。此时其输出电压为:

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