两种线性隔离放大器的对比研究
检测电流的隔离放大器 AMC1200,HCPL-7840
检测电流的隔离放大器AMC1200，HCPL-7840
关键词：电流、电压检测，隔离放大器
类别：变频器，电源，电机
AMC1200，HCPL-7840分别是德州仪器和安华高生产的隔离放大器，AMC1200采用容隔离，HCPL-7840采用光隔离，因此它们分别具有4000V和3750V的隔离能力，可用来取代霍尔效应电流传感器，非常适合用于马达、逆变器的电流电压检测。
它们具有体积小，线性好，低的温度系数，成本低等优点。
它们检测电机电流通过外部电阻所产生的模拟电压降，而隔离放大器的输入端可与分流电阻进行并联，检测到电阻上电压的变化信号，通过调整分流电阻可以轻松对应不同的电流范围。
差分输出电压与电机电流成正比。
输入电压的范围为-200mV~200mV，因此选择合适的分流电阻是非常重要的。
它们的的同相输出，反相输出，输入与输出的波形图如下图。
两种线性隔离放大器的对比研究
两种线性隔离放大器的对比研究隔离放大器按传输信号的类型。
可以分为模拟隔离和开关隔离放大器。
模拟隔离放大器的生产商和产品种类均较少，且产品价格比较昂贵。
开关隔离放大器的生产商较多，产品种类也多，价格较低，相对便宜。
高价位的模拟隔离放大器限制了其应用范围。
而文献[2]中提到的双通道隔离放大器结构复杂。
且对隔离间距有较高的要求，而文献[3]中所提到的光电耦合隔离放大器则对元器件参数有较高的要求。
文献[4]中提到的隔离放大器对隔离器件间距也有特殊要求。
本文提出了一种新的隔离放大器的设计方案，该方案结构简单，且选用通用器件，易于实现。
通过将本电路与AD公司的AD210AN集成模拟隔离放大器进行实验对比。
本隔离放大电路在带宽上要优于集成模拟隔离放大器。
1 新型电路原理图1所示是笔者设计的隔离放大器的原理电路。
本隔离放大电路主要由光电耦合器和运算放大器构成。
光电耦合器选用普通光耦TLP521，运算放大器则选择通用运算放大器LF353。
通过这两种普通器件的搭配.所得到的隔离放大器性能和专用模拟隔离放大器的性能相近。
图1所示是放大器加普通光耦组成的隔离放大电路。
本隔离放大电路由输入和隔离输出两部分构成，且两部分使用隔离的电源(Vcc1、Vee1和Vcc2、Vee2供电。
输入部分由运放U1，电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C1、C2，光电耦合器OPT1、OPT2、OPT3、OPT4的发光二极管部分OPT1_A、OPT2_A、OPT3_A、OPT4_A和OPT1、OPT3的光敏三极管部分OPT1_B、OPT3_B组成，由正电源Vcc1和负电源Vee1供电。
OPT1_A、OPT2_A和OPT3_A、OPT4_A的电流构成差动放大输入。
R1和R2为运放的输入电阻，R3和R4可为四个光耦的发光二极管(LED)提供偏置和控制电流。
运放U1和光耦OPT1、OPT3组成了一个射级跟随器，R5上的电压即为运放的输入电压。
运放的带宽决定着构成隔离放大器的带宽。
共源放大器和共栅放大器的异同
共源放大器和共栅放大器是电子电路中常见的放大器电路，它们在信号处理和放大方面都有着重要的作用。
接下来，我们将从原理、特点、优缺点等方面对这两种放大器进行详细的比较，为大家介绍它们的异同之处。
一、原理1. 共源放大器：共源放大器是以场效应管作为放大器的主要元件，通过控制场效应管的栅极电压来调节电流，从而实现信号的放大。
在共源放大器中，输入信号加在场效应管的栅极上，输出信号则从场效应管的漏极处获取。
2. 共栅放大器：共栅放大器也是以场效应管作为放大器的主要元件，不同的是输入信号加在场效应管的源极上，输出信号则从场效应管的漏极处获取。
它的特点是输入阻抗较低，输出阻抗较高。
二、特点1. 共源放大器：- 输入阻抗高，输出阻抗低；- 增益高，稳定性好；- 输入和输出信号之间有180°相位差；- 适合于需要较高放大倍数的场合。
2. 共栅放大器：- 输入阻抗低，输出阻抗高；- 增益低，但稳定性好；- 输入和输出信号之间无相位差；- 适合于需要高输入阻抗和低输出阻抗的场合。
三、优缺点1. 共源放大器的优点：- 增益高，适合需要较大放大倍数的场合；- 稳定性好，不易受外部环境影响。
缺点：- 输入阻抗较高，不适合需要高输入阻抗的场合；- 输出阻抗较低，对负载影响较大。
2. 共栅放大器的优点：- 输入阻抗低，适合需要高输入阻抗的场合；- 输出阻抗高，对负载影响小。
缺点：- 增益低，适合需要较小放大倍数的场合；- 稳定性好，但对外部环境影响较大。
结论从上面的比较可以看出，共源放大器和共栅放大器在原理、特点、优缺点等方面都有着明显的差异。
在实际应用中，需要根据具体的放大要求和环境条件来选择适合的放大器类型。
在一些需要较大放大倍数和稳定性较高的场合，可以选择共源放大器；而在一些需要高输入阻抗和低输出阻抗的场合，可以选择共栅放大器。
希望本文的介绍可以对大家有所帮助。
扩展部分：共源放大器和共栅放大器的应用共源放大器和共栅放大器作为常见的放大器电路，在电子电路中有着广泛的应用。
放大器线性化技术研究
放大器线性化技术研究近年来，随着无线通信技术的飞速发展，放大器作为通信系统中不可或缺的部件，其性能要求涉及到了多种方面，其中尤以线性度的要求最为严格。
常规的功率放大器往往因为非线性输入输出特性而使得它产生失真，影响整个通信系统的正常工作。
因此，提高放大器的线性度是放大器设计工程中最为急迫的问题之一。
为了解决这一问题，放大器线性化技术应运而生。
一、放大器线性度分析放大器的非线性抛物线使得其输入输出特性变得不稳定，甚至可能导致失真等问题。
放大器线性性是指放大器在一定输入信号范围内输出信号保持线性，即放大器的输出与输入成正比。
应用放大器的重点是放大器的输出信号是输入信号的一个比例，所以放大器的线性度异乎寻常地重要。
放大器的线性度可以通过其市面上广泛的参量、如1dB压缩点、幅度和相位失真等来衡量。
其中，1dB压缩点就是放大器输出功率下降1dB时对应的输入功率、是一个常见的评估放大器线性度的方法。
二、放大器线性化技术为了解决放大器的非线性问题，目前市场上形形色色的线性化技术已经相继面世。
这些技术不仅提高了放大器的线性度，还增强了放大器的稳定性和可靠性，优化了放大器的动态性能等方面。
总体来说，放大器线性化技术可以划分为两个大类，分别是反馈线性化技术和前馈线性化技术。
1. 反馈线性化技术反馈线性化技术包括了有源反馈、无源反馈和混合反馈线性化技术。
有源反馈是指将一部分输出信号通过反馈回到放大器输入端，从而对放大器的输出信号进行干扰，使其在大信号时能够保持线性。
无源反馈是指通过在放大器输出端与输入端间插入负载网络的方式来抑制放大器的谐波产生。
混合反馈则是有源反馈和无源反馈线性化技术的结合，既能够抑制谐波，还可以对放大器进行更好的干扰。
2. 前馈线性化技术前馈线性化技术包括预失真技术、软限幅技术等技术。
预失真技术中主要用到了反馈技术，通过预失真以及由预先测量的放大器失真特性，前置放大器将失真特性与反馈回路中的变换器相比较。
用推挽电路改善线性的光隔离放大器电路功能及原理分析
用推挽电路改善线性的光隔离放大器电路功能及原理分
析
电路的功能
在无调制状态下，光耦合隔离放大器，其线性和温度特性都不太好。
本电路用推挽方式扩大了动态范围。
采用低速TLP521，频率约为：30KHZ/+3DB左右。
电路工作原理
由发光二极管和光电晶体管组成的光耦合器，其LED的正向电流IP与晶体管集电极电流IC之间的关系不完全成比例，尤其是正向电流小的时候更为突出。
要让放大器在正向大置偏电流下工作，就不能扩大动态范围。
本电路采用了两个光耦合器，电路以推挽方式工作，把两路的输出、输入特性加以合成。
OP放大器为反相放大器，由其输出电压改变晶体管TT1、TT1的射极电流，即所谓的恒流驱动。
输入为零时的偏流由电阻R3和R4决定。
要调到与光耦合器特性的最佳值。
由光电晶体管输出电流，而OP放大器A2为电流-电压转换电路，输入的电流被反馈电阻R3转换成EO=I*R3的电压。
调零可变电阻VR1用来调整因光耦合器的误差造成的偏压。
流经R7的电流在A2的输入端叠加。
注释
光耦合器的温度特性
在光耦合器的应用实例中，其工作方式基本上都是通/断方式，如用于模拟电路，温度特性就可能给电路带来问题。
环境温度上升时，发光二极管的光输出。
新型光耦合集成隔离放大器3650和3652
新型光耦合集成隔离放大器3650和36523650和3652是B-B公司生产的新型光耦合集成隔离，性能优于已有的采纳耦合和调制解调技术做成的隔离放大器模块。
与以往的隔离放大器相比，3650和3652的优点在于其尺寸小、价格低、具有较宽的带宽且性能牢靠。
因为它们采纳了直流模拟调制技术，而不是载波技术，从而避开了大多数隔离放大器模块所存在的电磁干扰问题(包括传送和接收)。
2 作原理在3650系列浮现以前，光隔离产品普通不用在线性中，而只是将和光敏构成的光电耦合器应用在数字信号隔离中，这种结构因为其基本原理的局限性，存在一定的非线性和不稳定性。
而3650和3652利用特有技术克服了单一LED和光电二极管形成隔离时的局限性。
图1是3650的基本等效电路，可用于了解基本工作原理，不用详细考虑双极性工作时的偏移调整和偏压等问题。
为了减小非线性和时光温度的不稳定性，3650采纳了两个光电二极管，其中一个用于输入(CR3)，另一个用于输出(CR2)。
放大器A1、LED、CR1和光电二极管CR3构成负反馈。
由于CR2和CR3性能匹配，它们从LED CRl(即λ1=λ2)接收的光量相等，因而有I2=1I=IIN，而放大器A2则用来构成和转换电路。
图2是3650模块的简化电路系统模型。
它的输出取决于VD电流的大小，而VD。
的值又取决于输入电流。
因而，3650是一个跨导放大器，其增益为伏特／微安。
当用作电压源时，输入电流由增益设置打算。
RIN是差动输入阻抗。
对于这个模型，因为其共模阻抗和隔离阻抗都十分高，因此，其输入阻抗可以看作是无限大。
3652的简化模型3所示。
它的隔离级和输出级与3650彻低相同。
而由FET缓冲放大器和输入庇护电阻组成的附加输入电路则提高了3652的差动和共模输入阻抗(1011Ω)，同时也保证了更低的偏置电流(50pA)和过压庇护功能。
+IR和-IR输入端可承受6000V差模和3000V共模的loms脉冲电压。
隔离放大器的设计
隔离放大器的设计电子电路抗干扰设计的有效方法是利用光电隔离。
但是，由于光电隔离器件的电流传输系数是非线性的，直接用来传输模拟量时，非线性失真较大、精度差，我们利用光电耦合器件与运算放大器结合设计一个线性度较好的模拟量光隔离放大器电路如图3-29所示。
图3-29 光电隔离放大器其中，G 1,G 2是两个性能、规格相同(同一封装)的光电耦合器，G 1,G 2的初级串连，并用同一偏置电流I 1激励，设G 1和G 2的电流传输系数分别为a 2和a 2，则112I I α= ， 123I I α=（3-6）则集成运放A4具有理想性能，则62R I U U U i ===-+（3-7）而输出电压U 0为()为跟随器5730A R I U =（3-8）因此，电路的电压增益A V 可由下式确定 627310V A R I R I U U ==（3-9）将式（3-4）和（3-5）代入上式，则 1627V A ααR R =（3-10）由于G 1、G 2是同性能、同型号、同封装的光电耦合器（MOC8111）,因此G 1、G 2的电流传输系数a 1和a 2可看作是相等的，所以光耦合放大器的电压增益为67R R A V =（3-11）由此可知，如图所示的光耦放大器增益与G 1,G 2的电流传输系数a 1和a 2无关。
实际上是利用G 1,G 2电流传输系数的对称性补偿了它们之间的非线性。
运放A 5(uA741)接成跟随器形式，以提高电路的负载能力。
运放A 1连接反馈电容C ，用来消除电路的自激振荡。
由于光电耦合器初级、次级之间存在着延迟，使G 1和G 2组成的负反馈电路之间显得迟缓，容易引起电路C 自激振荡，连接电容之后，保证了电路对瞬变信号的负反馈作用，提高了电路的稳定性。
电容C 的容量可根据电路的频率特性要求来确定，经实验和实际应用，电路的非线性误差小于0.2%较好地解决了模拟信号不共地传输的问题。
3.13 可控硅调功控温可控硅调功控温具有不冲击电网，对用电设备不产生干扰等优点，是一种应用广泛的控温方式。
2_7隔离放大器
输出可简化为
Vo
Q Cf
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电荷放大器的上限频率由运放的频响所决定。 如果电缆线太长，电缆电容和杂散电容增加， 导线电阻也增加，这些参数都会影响放大器的 高频特性。若忽略运放的输入电容和输入电导， 同时忽略gf，则上限频率为
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电荷放大器的输出电压只决定于输入电荷Q以及 反馈电路参数Cf、Rf。由于通常1/Rf<<ωCf ，所 以1/Rf可忽略，则输出电压为:
Vo(1A A oQ o)Cf C Q f
只要Ao足够大，输出电压与Ao无关，只决定于输入 电荷Q和反馈电容Cf ，改变Cf的大小可方便地改变 放大器的输出电压，不过反馈电容Cf必须采用高质 量的电容，否则由于电容漏电会引起误差。
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2.3 检测仪器中常见的基本放大电路 ： 了解反相比例放大器 和同相比例放大器 的一些设计方法。
2.4 测量放大器 ：掌握电路组成及特性， 闭环增益，误差计算，会“驱动屏蔽” 的原理
2.5 动态自动校零运算放大器：会分析 （叙述）电路的工作原理、电路的特点
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过程输入放大器是浮空的加到输入放大器与信号源共地放大调制成交流高绝缘性能变压器解调成直流输出放大器放大后输出输入放大器和输出放大器之间有绝缘性能很好的绝缘层隔离可以是磁也可以是光从而保证了共模电压在输入回路中产生电流可忽略从而大大提高了共模抑制比
2.7 隔离放大器
在某些情况下，输入电路与输出电路之 间以及放大电路与电源电路之间不能有 直接的电路连接，信号的耦合以及电源 电能的传递要靠磁路或光路来实现。
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两种线性隔离放大器的对比研究
隔离放大器按传输信号的类型。
可以分为模拟隔离和开关隔离放大器。
模拟隔离放大器的生产商和产品种类均较少，且产品价格比较昂贵。
开关隔离放大器的生产商较多，产品种类也多，价格较低，相对便宜。
高价位的模拟隔离放大器限制了其应用范围。
而文献[2]中提到的双通道隔离放大器结构复杂。
且对隔离间距有较高的要求，而文献[3]中所提到的光电耦合隔离放大器则对元器件参数有较高的要求。
文献[4]中提到的隔离放大器对隔离器件间距也有特殊要求。
本文提出了一种新的隔离放大器的设计方案，该方案结构简单，且选用通用器件，易于实现。
通过将本电路与AD公司的AD210AN集成模拟隔离放大器进行实验对比。
本隔离放大电路在带宽上要优于集成模拟隔离放大器。
1 新型电路原理
图1所示是笔者设计的隔离放大器的原理电路。
本隔离放大电路主要由光电耦合器和运算放大器构成。
光电耦合器选用普通光耦TLP521，运算放大器则选择通用运算放大器LF353。
通过这两种普通器件的搭配.所得到的隔离放大器性能和专用模拟隔离放大器的性能相近。
图1所示是放大器加普通光耦组成的隔离放大电路。
本隔离放大电路由输入和隔离输出两部分构成，且两部分使用隔离的电源(Vcc1、Vee1和Vcc2、Vee2供电。
输入部分由运放U1，电阻R1、R2、R3、R4、R5，电容C1、C2，光电耦合器OPT1、OPT2、OPT3、OPT4的发光二极管部分OPT1_A、OPT2_A、OPT3_A、OPT4_A和OPT1、OPT3的光敏三极管部分OPT1_B、OPT3_B组成，由正电源Vcc1和负电源Vee1供电。
OPT1_A、OPT2_A和OPT3_A、OPT4_A的电流构成差动放大输入。
R1和R2为运放的输入电阻，R3和R4可为四个光耦的发光二极管(LED)提供偏置和控制电流。
运放U1和光耦OPT1、OPT3组成了一个射级跟随器，R5上的电压即为运放的输入电压。
运放的带宽决定着构成隔离放大器的带宽。
现有的集成模拟隔离放大器的带宽均在100 kHz以下，而常用运放的带宽是这个带宽的几倍到几十倍。
因此，本设计选用一般的运放就可以满足输入
部分的带宽要求。
所以，输入级的运算放大器可选用普通运放(如LF353)。
R7和C3用来滤波。
本电路的隔离输出部分由OPT2、OPT4的光敏三极管OPT2_B、OPT4_B、电位器W1和输出电阻R6组成。
OPT2_B和OPT4_B为隔离输出，它的电路结构和输入部分的光敏三极管相似，用于为输出级提供电流。
电位器W1用来调零。
而两部分光耦的电流传输比有偏差时，就会造成光耦LED电流相等而输出级电流差不相同，从而使输出电压vo的零点产生漂移。
因此，调节电位器W1可以消除这种由于光耦器件特性偏差所带来的零点漂移。
R6为输出负载，它和电位器W1共同决定输出电压vo。
由此可知，本设计选用普通光耦即可(如东芝公司的光电耦合器TLP521)。
2 AD210AN集成放大器
AD210AN是AD公司的集成模拟隔离放大器芯片。
在该隔离放大电路中，AD210的16、17两引脚连接在一起，可实现信号跟踪功能。
18、19两引脚之间通过电阻Ra接信号源Vs，18脚和Vs共地。
脚1和脚2为输出引脚，Rb为输出负载电阻(使用时可选Ra=Rb=1 kΩ)。
该电路可实现1:1的隔离传输功能。
3 实验验证
在对本电路进行测试中，选取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，运放使用LF353，光耦使用TLP521。
AD210的测试电路如图2所示。
在相同的测试条件为：给输入端加频率为0～10 kHz、峰-峰值为10 V的正弦信号，然后测试输出部分的输出波形。
图2 AD210测试原理图
图3和图4分别为新电路和AD210的输入输出电压波形图。
其中横轴为时间，纵轴为输出电压幅值。
由实验可以看出，在输入频率为1 kHz时，本隔离电路和集成模拟隔离放大器AD210具有相同的线性度和相同的传输延时。
但在高频端时，本电路的传输延时要远小于集成隔离放大电路的传输延时。
由图3可知，在40kHz时，本电路的相位差约为14°。
此时的输出电压和输入电压没有发生畸变，为线性传输。
而集成模拟隔离放大器在10 kHz时的传输延时约为72°。
可见，本隔离放
大电路的传输带宽要优于集成模拟隔离放大器。
图3 本新型电路的输入输出电压波形(fin为40 kHz)
图4 AD210的输入输出电压波形(fin为10 kHz)
表1为本隔离放大器和专用模拟隔离放大器AD210以及ISO124在性能上的比较。
其中，隔离电压、隔离阻抗为光耦TLP521的给定参数；输入阻抗、电源电压、输入电压范围为运算放大器LF353的给定参数；单位增益带宽、输出电压范围为实际测量值。
从表1可以看出，本隔离放大器在有些方面与集成模拟隔离放大器相同（如隔离电压、输入阻抗）。
在小信号带宽方面和输出电压范围上要比集成隔离放大器略差。
而当频率升高时，输出电压幅值增大则是需要进一步研究的问题。
4 结束语
本文提出了一种使用四光耦实现模拟隔离放大电路的新方案。
该方案电路结构简单，易于实现，价格低廉。
通过与集成模拟隔离放大器AD210的比较实验表明，本隔离放大器的性能优良，有很好的应用前景。
参考文献
1 孟玉慈，孙允高隔离放大器在军用电子系统中的选择与应用电子元器件应用，2005，（5）
2 王礼平双通道宽带隔离放大器的设计电测与仪表，2004，41（7）
3 张邵华，施红军，林言方光电耦合隔离放大器的频率响应研究半导体光电，2003，（1）
4 张亮，李应辉高压隔离高线性度光电耦合器半导体光电，2004，25（4）。