隔离放大器教学课件PPT.ppt

2019/4/7,1,2.5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。放大器内部采取这种隔离措施的就叫隔离放大器。它不仅具有通用运放的性能，且输入公共地和输出公共地之间有良好的绝缘性能,2019/4/7,2,共模电压产生的原因,由于被测量电路本身就存在 由于不同的地电位产生的,2019/4/7,3,就其隔离对象而言，隔离放大器分为：,二端口隔离 三端口隔离,2019/4/7,4,隔离放大器的符号,2019/4/7,5,隔离放大器的使用场合,信号回路具有很大的共模电压 （数百伏以至数千伏）； 信号回路与测试系统之间不易共地； 强干扰、强辐射； 生物仪器,2019/4/7,6,2019/4/7,7,隔离放大器的主要技术指标,非线性度 最大安全差动输入 共模抑制比 漏电流 输入噪声 隔离电源,2019/4/7,8,1、非线性度,定义为实际传输特性与最佳直线的最大偏差。以满量程输出的百分比表示，一般为0.05%。常与输出幅度有关，如有的隔离放大器输出5v时，非线性度0.05%，当输出为10v时，为非线性度0.2%,2019/4/7,9,2、最大安全差动输入,定义为可以跨接在两输入端的最大安全电压。如隔离放大器的输入端内部有保护电阻， 则该电压可高达百伏以上，否则仅为13v左右。有瞬态高压的信号源时，该参数很重要。,2019/4/7,10,3、共模抑制比,分两种：1.为输入端到护卫端的共模抑制比cmrrin，2.输入端到输出端的共模抑制比cmrrio 隔放的共模误差为cmrrin和cmrrio所造成的误差之和。,2019/4/7,11,4、漏电流,定义为市电加在输出端与系统地（输出地）之间时，在输入端的最大电流。（在生物医学、医疗设备应用时需要注意）,2019/4/7,12,5、输入噪声,隔离放大器内部噪声折算到输入端的总噪声,2019/4/7,13,6、隔离电源,隔离放大器可向外部电路提供的、与供电电源完全隔离的电源。一般为正负双电源。,2019/4/7,14,2.5.1变压器耦合隔离放大器 1.工作原理,隔离放大器由输入放大器、信号耦合器件、输出放大器以及隔离电源等部分组合。,2019/4/7,15,ad202隔离放大器,2019/4/7,16,输入引出4端 1、3输入端 5、6隔离电源输出端 输出阻抗较高,2019/4/7,17,2. 应用实例,在某些电桥测量电路中，为了抑制电桥的直流共模电压，提高测量精度，往往需要浮空电源供电。浮空隔离的可程控增益的放大电路如下图所示。它由测量电桥、隔离放大器、多路模拟开关和一些辅助电路构成。,2019/4/7,18,2019/4/7,19,说明,电路中cmos开关电源、驱动电路电源都采用浮地式。逻辑控制信号经光电耦合器加到驱动电路输入端，这样，驱动电路与模拟开关也被隔离浮空。由于光电耦合器件和隔离变压器的抗高压性能都在千伏以上，所以这种电桥测量电路可以在数百伏高压电位条件下正常工作。,2019/4/7,20,2.5.2光电耦合隔离放大器,由于光电耦合器件是半导体器件，所以存在温漂，且输入输出之间的电压或电流的关系为非线性关系，器件参数离散性大。因此，用光电耦合器线性隔离传送模拟信号有一定技巧性。,2019/4/7,21,实际上这一电路存在以下几方面的问题： (1)输入电压必须是单极性的，即要求ui0。 (2)输入电压的线性范围小。“i的下限电压应高于双光耦中两个发光二极管的串联电压，而这一电压一般在4v左右。另一方面，i的上限电压也受到电源电压u和电路中其他器件(如运算放大器、光电耦合器等)的限制。 (3)运算放大器始终加有共模电压，这对运算放大器的共模抑制比要求高。 (4)运算放大器的反馈是通过光电耦合器实现的。光电耦合器的信号传递有一定延迟，因此，运算放大器的工作频率不能太高，若过高会产生自激振荡。 (5)电阻r1和r3的不对称误差和温漂会造成输入输出电压的跟随误差。 (6)光电耦合器件为电流控制电流器件，其输出级，即光电二极管可看成受控电流源。因此，理论上说，即使ul和u2不相等，两个光电耦合器的输出级电流也不会造成不对称误差。但实际上，光电二极管的恒流特性并不理想，这会造成两光电耦合器的输出电流不相等。,2019/4/7,23,它有一个发光二极管led和两个光电二极管d1，d2。两个光电二极管与发光二极管紧紧靠在一起，光匹配性良好，参数对称。d1的作用是从led的信号中引入反馈；d2的作用是将led的信号进行隔离传送。,电路正常工作时，ui为单极性负电压，这时由于vdl的负反馈作用，led中会有电流流过。原因是：若led中无电流流过，即运算放大器输出电压小于零，这会使vdl截止，从而引脚15电压为负，造成运算放大器反相输入端电压低于同相输入端电压，使其输出电压为正，故led中有电流流过。led导通后，通过光电耦合作用，在光电二极管vdl，vd2中会分别产生大小相等的电流il，i2。,2019/4/7,25,2019/4/7,26,2.6电荷放大器,在力、加速度、振动、冲击等测量中广泛应用着压电传感器，它是将被测量转换为电荷输出的传感器。为了将传感器的电荷输出转变为电压输出，就需用电荷放大器。该放大器的主要特点是它与压电晶体传感器连接后不影响所产生的电荷量，且测量灵敏度与电缆长度无关。后者为远距离测量提供了方便。,2019/4/7,27,2.8.1电荷放大器的基本原理,电荷放大器，是一种输出电压正比于输入电荷的一种放大器 。通常是用来放大压电传感器所产生的电荷量。 压电传感器可用一个与电容cq、电阻rq，相并联的电荷源来等效。 等效电路如下图所示,2019/4/7,28,等效电路,2019/4/7,29,由于压电传感器的泄漏电阻rq很大，所以产生的电荷能较长时间保存。但如果外接的电阻很小，传感器受力后所产生的电荷就会以时间常数=（rq/rl）cq按指数规律很快放电。因此，压电传感器要求负载电阻rl很大，以减小测量误差。,2019/4/7,30,电荷放大器是一种电容负反馈的高增益放大器。电荷放大器与压电传感器连接的基本电路如图所示,图中cf为反馈电容， rf为反馈电阻。 避免运放输出饱和。 r和c为传感器的等效参数,2019/4/7,31,在理想运放条件下，输入电流i等于反馈电流，所以,2019/4/7,32,等效电路,2019/4/7,33,用节点电压法可求得,输出：,2019/4/7,34,只要ao足够大，则分母中c（1 a。）cf，1r（lao）(1/rf)，传感器本身的电容和电缆的等效参数不影响或很少影响电荷放大器的输出。这是电荷放大器的特点。这一点使电荷放大器的使用非常方便。,2019/4/7,35,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/rfcf ，所以1/rf可忽略，则输出电压为:,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。,2019/4/7,36,2.8.2电荷放大器的特性分析,当1/r（1ao）（1rf）和c（1ao）cf时，电荷放大器的输出电压为：,2019/4/7,37,输出电压不仅取决于电荷量q，还与负反馈网络cf、rf（或gf）及信号频率有关。当频率很高时，cfgf，则vo与频率无关，输出可简化为,2019/4/7,38,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,式中rk和ck为电缆的等效电阻和等效电容，cq为传感器等效电容。,2019/4/7,39,| 1/cf |,2019/4/7,40,当输入信号频率很低时，gf / 增大。当gf / =cf时，输出电压vo下降到频率很高时的 12，此时的频率称下限频率，即,或,2019/4/7,41,适当选择反馈网络的参数rf、cf ，电荷放大器的下限频率可以很低。 低频时，输出电压vo，与输入电荷之间的相移为,在截止频率点，gfcf，=tg-11=45o。,2019/4/7,42,电荷放大器的灵敏度为： 为提高灵敏度，就要求减小cf 。然而cf的取值受到输入端各电容的限制，取值不能大小，一般取10pf0.1f。当cf值选定后，下限频率就由反馈电阻rf决定，但rf的取值还应考虑放大器工作的稳定性。 电荷放大器必须由高输入阻抗（一般在1012左右）运算放大器组成，它对内部、外部干扰都很敏感。设计时，除保证它有高开环增益、高输入阻抗外，还必须考虑低噪声设计要求，尤其是放大器第一级噪声要小、同时要采用种种防外部干扰的措施。,2019/4/7,43,第二章小结,第二章共有8节，使本课程的基础知识 21集成运算放大器概论 ：掌握几个比较重要的放大器参数的定义； 22 运算放大器的应用原理 ：掌握理想运算放大器 、理想运算放大器的闭环特性；会对放大器的误差进行分析,2019/4/