隔离放大器主题学习

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。放大器内部采取这种隔离措施的就叫隔离放大器。隔离放大器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2023/4/212023/4/22隔离放大器的符号2023/4/23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2023/4/24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2023/4/251、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%2023/4/262、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。2023/4/273、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隔离放大器的共模误差为CMRRIN和CMRRIO所造成的误差之和。2023/4/284、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）2023/4/295、输入噪声隔离放大器内部噪声折算到输入端的总噪声2023/4/2106、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。2023/4/2112.7.1隔离放大器的基本原理

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。2023/4/212一.组成2023/4/213二.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。2023/4/214隔离放大器按耦合方式的不同，可以分为变压器耦合、电容耦合和光电耦合三种。2023/4/215AD202隔离放大器2023/4/216输出引出4端1、3输入端5、6隔离电源输出端输出阻抗较高2023/4/2172.7.2隔离放大器的应用实例

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。浮空就是不要把电源回路接地，无论正负极、中点，或交流的任何一相、中性点等，这样电源两极对地阻抗是一样的，而干扰信号一般是对地的，这样浮置的回路对干扰就是对称的，干扰就因对回路是共轭的而被对消。2023/4/218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。2.7.2隔离放大器的应用实例

2023/4/2192023/4/220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。2023/4/2212.8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。2023/4/2222.8.1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2023/4/223等效电路

(a)(b)图2-68压电传感器等效电路2023/4/224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τ=（Rq//RL）Cq按指数规律很快放电。压电传感器要求负载电阻RL很大，以减小测量误差。(b)2023/4/225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

图2-69电荷放大器与压电传感器的连接2023/4/226在理想运放条件下，输入电流I等于反馈电流，所以2023/4/227等效电路图2-70电荷放大器的等效电路2023/4/228用节点电压法可求得输出：2023/4/229只要Ao足够大，则分母中C<<（1＋A。）Cf，1／R<<（l＋Ao）(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。

2023/4/230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:

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。2023/4/2312.8.2电荷放大器的特性分析当1/R<<(1＋Ao)(1／Rf

)和C<<(1＋Ao)Cf时，电荷放大器的输出电压为：

2023/4/232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ω很高时，Cf》gf／ω，则Vo与频率无关，输出可简化为

2023/4/233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。

2023/4/234|1/Cf

|2023/4/235当输入信号频率很低时，gf

/ω增大。当gf

/ω=Cf时，输出电压Vo下降到频率很高时的1／√2，此时的频率称下限频率，即或2023/4/236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，gf＝ωCf，φ=tg-11=45o。2023/4/237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，取值不能太小，一般取10pF～0.1μF。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。2023/4/238电荷放大器高输入阻抗要求电荷放大器必须由高输入阻抗（一般在1012Ω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。2023/4/239第二章小结第二章共有8节，是本课程的基础知识2.1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；2.2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2023/4/2402.3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