四、隔离放大电路

第四节隔离放大器

定义：隔离放大器是一种特殊的测量放大电路，其输入、输出和电源电路之间没有直接电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。输入电路和放大器输出之间有欧姆隔离的器件。

用途：隔离放大器用于防止数据采集器件遭受远程传感器出现的潜在破坏性电压的影响。这些放大器还用于在多通道应用中放大低电平信号。它们也可以消除由接地环路引起的测量误差。由于不需要附加的隔离电源，带有内部变压器的隔离放大器可以降低电路成本。

组成：它由仪器放大器（或运放）和单位增益隔离级构成。单位增益隔离级完全隔离了器件的输入和输出（欧姆隔离），使电信号没有欧姆连续性。

仪用放大器+隔离电路===隔离仪器放大器

运放+隔离电路===隔离放大器

理想特性：理想的隔离放大器要求电信号完全没有欧姆连续性，被传送的信号则要求无任何衰减，信号源不必接地。

应用：隔离放大器优良的输入输出欧姆隔离特性，使它适合于用做医疗监护仪器和病人之间的接口。隔离电平高且漏电流极小，对保护电

子仪器有重要的作用。电力测试仪器设备。（将高电压部分和弱电部分隔离）。保护人身及仪器设备的安全。

①主要用于便携式测量仪器和某些测量系统中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。

②应用于生物医学测量中，确保人体不受超过10uA以上漏电流和高电压（可达几百伏以及数千伏）的危害。

③应用于工业中，防止因故障而使电网电压对低压信号电路（包括计算机）造成损坏。

分类：

⑴按隔离模式分类：

①两口隔离：指信号输入部分和信号输出部分欧姆隔离。

采取其它措施进行电源隔离。

②三口隔离：指输入、输出和供电部分三部分彼此欧姆隔

离。

⑵按隔离方法分类：

①光电隔离

②电容隔离

③变压器隔离（电磁隔离）

一.基本原理

⑴组成：由输入放大器，输出放大器，隔离器以及隔离电源等几部分组成；

注意：两种地(GND)，三种信号输入，符号

u d：差模输入电压

u c：共模输入电压

u iso：隔离模电压（加在两种地之间，即隔离壁上）

⑵特点：输入放大器及其电源是浮置的，放大器输入端浮置，泄漏电流极小；

=1012Ω（采用变压器或光耦合器）；

隔离电阻约为：R

iso

隔离电容(典型值) 为：C

=20pF

iso

隔离放大器的输出与输入隔离，消除了通过公共地线的干扰，大大地提高了电路的共模抑制比。

⑶输出电压：u

o =K

?u d(1+

CMR

c)+

IMR

u iso

式中：

K di和u d：输入级的差模增益和输入端的差模电压；

u c：对输入端公共地的输入共模电压

u iso：隔离模电压。隔离器两端或输入与输出端两个公共地

之间能承受的共模电压。它对误差影响较大，通常额定的隔

离峰值电压高达5000V。

CMR：输入级的共模抑制比。

IMR：由输入端公共地到输出端的共公地的隔离层抑制比。

⒉隔离放大器的特性：

⑴电路符号：

其中放大器被隔离壁分为输入和输出两部分。两部分之间没有直流（欧姆）通路，不共地及电源。为输入端，为输出端。为两部分的供电。

⑵技术指标：

隔离放大器是特殊的放大器，除增益、输入阻抗、偏置电流、频率响应、失调电压和非线性等一般放大器性能外，它还具有以下三种特性：

①最大隔离模电压：V

ISO

隔离放大器的输入地和输出地往往不在同一电位上，其间的电位差叫隔离电压。最大隔离模电压决定了系统共模电

压的完全极限，一般要大于2000V。

②隔离模抑制（共模抑制比）：IMR

对普通的运放或仪器放大器，共模抑制是指放大器输出端对共模输入电压的抑制。一般用符号表示。

对于隔离放大器，其共模抑制指输入放大器的差动信号经过隔离壁的同时对共模输入的抑制。因此称为隔离模抑制。

③隔离电压及漏电流

隔离电压：指在连续使用时，隔离壁能承受的额定值。

隔离壁的漏电流与实际承受的隔离电压有关，一般交流漏电

流的均方根值在uA量级，而直流漏电流在nA量级。

3 光电隔离放大器（BB公司的ISO130）(数字隔离方式)

下面以美国BB公司的ISO130高隔离，低价格隔离放大器为例来介绍。

（高隔离抑制比,低成本,隔离放大器）

特点及用途：

结构框图：

工作原理：采用发光二极管和光敏二极管（或三极管）进行电→光，光→电的两次转换达到隔离的目的。ISO130是一种适用于电机控制，在强噪声

电机控制环境中精确监控电机电流所需要的精度和稳定性。

技术指标：(1)隔离电压：≥3750V（有效值）（连续工作）

(2)信号带宽：85KHz（典型）

(3)差分输入，差分输出

(4)失调电压：1.8mv（最大）

(5)非线性：0．25%（最大）

(6)输入级采用了斩波放大器技术稳零和∑-△ ADC转换技术。

(7)8脚芯片，单电源供电

4 （线性）光电隔离耦合器 (模拟隔离方式)

（TI公司的TIL300,TIL300A，SSO公司的线性光耦SLC800）

(1)典型应用电路

TIL300精密线性光耦合器是由一个红外光发射LED照射到分叉配置的一个隔离反馈光敏二极管和一个输出光敏二极管组成。反馈光二极管吸收LED光通量的一部分而产生控制信号。该信号可用来调节LED的驱动电流，这种技术可用来补偿LED时间和温度特性的非线性，输出光二极管产生的输出信号与LED发出的同股光通量成线性比例。

如图：

K1：为伺服电流增益。它是反馈光二极管电流（Ip1）与输入LED 电流（If ）

之比。即：K1=Ip1/If

K2：为正向增益。它是输出光二极管电流（Ip2）与输入LED 电流（If ）之比，

即：K2=Ip2/If

K3：为传输增益。K3是正向增益与伺服增益之比，

即：K3=K2/K1。

(2)工作原理

运放A1的输出电流If 驱动红外发光LED ，产生光通量，光到达D2、D3后分别产生电流I

p 1

和I

p 2

。I

p 1

流过R1。由于R1接到A1的反相端，所以此电流

与If 成正比，即：放大倍数为：

A v

K K 1

R 1

2=K 3?

R 1

注：C 的作用为滤除高频信号，防止放大器自激，起到低通滤波作用。 (3)术指标及特点

①可耦合交流或直流信号

②宽带≥200kHz (TIL300A ≥300kHz) ③高传输增益稳定性：±0.05﹪/℃ ④3500V 峰值隔离电压

⑤K3=K2/K1在(0.9—1.1)范围优点：信号带宽大，价格便宜，最常用！缺点：非线性度大！

5 电容隔离耦合器 (脉冲数字隔离方式)

电容隔离是另一种隔离方法，输入和输出电路用小容量高电压电容隔开。输入电路是压控振荡器，将输入的信号调制产生高频信号后经隔离电容耦合到输出电路。输出电路解调还原输入信号，最后滤波输出。

实例：BB公司的ISO102/ISO106

特点和应用：

hermetic：adj.密封的, 与外界隔绝的

符号：

结构框图：

工作原理

① V/F变换：输入部分的压控振荡器实际上起调制器作用，该压控振荡器产

生宽度固定的窄脉冲，其重复频率受输入信号控制，达到频率调制效果。

VCO：Voltage Controlled Oscillator压控器振荡器

②输出部分实际上起解调器作用，由锁相环来实现。

鉴相器比较两个输入信号（一个是VCO输出，一个是信号输入）的频率/相位差。其输出的误差信号经环路滤波器后控制VCO，减小其相位、频率差。反复此过程。当VCO输出的频率和鉴相器输入信号频率（包括相位）完全相同时，环路跟踪，环路滤波器输出的信号与输入信号完全相同。

PLL：Phase Locked Loop锁相环

③最后信号经带宽为100KHz的二阶低通有源滤波器滤去高频成分压输出。锁

相环的闭环带宽为70KHz，决定了整个隔离放大器的带宽。

优点：隔离电压高！

缺点：信号带宽适中，电容不好集成，成本高！

技术指标：

①隔离电压高达±4950V，试验条件下的隔离电压达到±8000V

②直流隔离模拟制比达160dB，工频隔离模拟制比130dB；

③隔离阻抗达1014Ω，加试验电压时漏电流仅为1uA

④非线性为：±0.007﹪

⑤频宽：70kHz。

6 变压器隔离放大器 (脉冲数字隔离方式)

前面介绍的光电隔离和电容隔离方法都属于二口隔离放大器。其输入和输出必须分别供电。而变压器隔离只需在输出部分供电，利用功率转换的方法向输入部分供电。

隔离形式：

二口，如：AD204

三口，如：AD210，用变压器使输入部分，输出和电源部分彼此相互隔离。

(1)二口隔离方式

（低成本,小型，变压器耦合隔离放大器）

工作原理

①一峰值15V，频率为25KHz的方波输入使一片内的功率转换器工作，

同时25KHz的方波经功率变压器耦合到输入部分，经整流滤波后得到

±7．5V的两个直流电压，它可以输出2mA电流，足以便低漂移低功

耗的前置放大器工作，并可输出给外接传感器。

②入信号经前置放大器功率放大后进行25KHz调制(脉宽)，已调信号通

过信号变压器送到解调器，信号外调后输出，满度摆幅为±5V。

优点：可以一次性解决信号隔离和供电问题！

缺点：信号带宽窄，体积大！

性能指标

①隔离电压达到±2000V；

②增益范围为：1～100

③直流隔离模抑制比：104dB

④工频隔离模抑制比：130dB

⑤非线性为：±0．025％

⑥频带宽达：5kHz

⑦AD204的输出直接来自解调器，因此输出电阻较高，为3K，其后应加缓

冲器。

(2)三口隔离方式

(精密的,宽带三端口隔离放大器：Precision, Wide Bandwidth 3-Port Isolation Amplifier) 特点：

工作原理

直流电源使AD210的电源部分的功率振荡器工作于50KHz。两个功率变压器将能量分别送到输入部分和输出部分，经整流滤波稳压调节供两部分电路使用。输入信号经调制器调制由变压器耦合至输出部分，经解调器解调后重构输入信号，然后经20KHz三极点滤波器滤波，使信号中的噪声和纹波达到最小，最后由缓冲器输出。

技术指标

隔离电压：±3500V

频带宽为：20KHz

隔离模拟制比：120dB（在增益为100时）

非线性为：±0．012%

输入和输出部分可得到±15V，5mA的供电

7.隔离放大器小结

远距离信号传输，常用两地信号和电源的接地或者有其它共同回路而引入很强的干扰，严重时能使系统失效。此外，为安全考虑，也希望强电部分不要影响操作人员的安全，因此需要有隔离的措施，即一方面要切断电路间的直接联系，另一方面又要保证信号能畅通。

三种隔离方法：光电，电容和变压器。

两种电路结构：两口和三口。

几种方法的比较：

变压器耦合与光电耦合隔离放大器的参数对比

课后练习

1.查找阅读AD102：General Purpose Input Isolation Amplifier

2.光耦线性放大器3650/52：Optically-Coupled Linear Isolation Amplifiers 及其应用。