基于光電耦合器的模擬隔離放大電路的設計

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(jiǎn)單，且選用通用器件，易于實(shí)現。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)驗對比。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的類(lèi)型?？梢苑譃?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/模擬隔離">模擬隔離和開(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(lèi)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(lèi)也多，價(jià)格較低，相對便宜。高價(jià)位的模擬隔離放大器限制了其應用范圍。而文獻[2]中提到的雙通道隔離放大器結構復雜。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。

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(guò)這兩種普通器件的搭配.所得到的隔離放大器性能和專(zhuān)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(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和負電源Vee1供電。

OPT1_A、OPT2_A和OPT3_A、OPT4_A的電流構成差動(dòng)放大輸入。R1和R2為運放的輸入電阻，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。運放U1和光耦OPT1、OPT3組成了一個(gè)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(zhù)構成隔離放大器的帶寬?，F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(gè)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(mǎn)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(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，它的電路結構和輸入部分的光敏三極管相似，用于為輸出級提供電流。電位器W1用來(lái)調零。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，調節電位器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)現信號跟蹤功能。18、19兩引腳之間通過(guò)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(shí)可選Ra=Rb=1 kΩ)。該電路可實(shí)現1:1的隔離傳輸功能。

3 實(shí)驗驗證

在對本電路進(jìn)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。

圖2 AD210測試原理圖

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，然后測試輸出部分的輸出波形。

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(xiàn)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)要遠小于集成隔離放大電路的傳輸延時(shí)。

圖3 本新型電路的輸入輸出電壓波形(fin為40 kHz)

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(xiàn)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°?？梢?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4 AD210的輸入輸出電壓波形(fin為10 kHz)

其中，隔離電壓、隔離阻抗為光耦TLP521的給定參數;輸入阻抗、電源電壓、輸入電壓范圍為運算放大器LF353的給定參數;單位增益帶寬、輸出電壓范圍為實(shí)際測量值。

表1為本隔離放大器和專(zhuān)用模擬隔離放大器AD210以及ISO124在性能上的比較。

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 結束語(yǔ)

本文提出了一種使用四光耦實(shí)現模擬隔離放大電路的新方案。該方案電路結構簡(jiǎn)單，易于實(shí)現，價(jià)格低廉。通過(guò)與集成模擬隔離放大器AD210的比較實(shí)驗表明，本隔離放大器的性能優(yōu)良，有很好的應用前景.

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