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为什么我们要用隔离式放大器

发布时间:2020-11-26 发布时间:
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什么是隔离放大器


首先,我们来定义一下什么是隔离放大器。隔离放大器是一种使用高电磁抗扰隔离层将输出和输入电路隔离开的特殊功能放大器。这种干扰也称为EMI,是由外部源造成的,如果忽略,可导致信号链的性能降级,或导致数据出错。虽然可用于实现隔离的方法有多种,但是德州仪器(TI)采用了电容式隔离层


隔离放大器的目的是,通过断开接地环路,在高电压应用中提供防电击保护或者将电路中的不同部件或不同电路隔离开。


那么,隔离式和非隔离式放大器之间有什么区别呢?让我们来较为详细地了解一下隔离放大器的功能方框图。



与传统的非隔离式放大器类似,隔离放大器在输入上有一个模拟信号,且在输出上有一个模拟信号。隔离放大器的输入级由驱动Δ-Σ调制器的全差动或单端输入组成。放大器的增益是固定的且通过内部精密电阻器设定。Δ-Σ调制器在时钟生成器中使用内部基准电压将模拟输入信号转换为数字比特流,然后使其传输穿过隔离层。比特流在隔离层的低侧经模拟滤波器处理后,会在输出端呈现为差动模拟电压。


德州仪器(TI)的电容型隔离技术可提供两种不同的隔离层,基本型和增强型。基本隔离通过单个电容隔离层实现,而增强型隔离则是通过两个串连的电容隔离层实现。


为什么需要使用隔离放大器?



使用隔离放大器的一个常见原因是,为了断开接地环路。电气装置可以在两个远程节点,接地1和接地2之间产生较大的接地电位差。这两个接地之间的直接连接会最终形成一个接地环路。电机一类的设备可以向地面注入较大的噪声电流,从而产生在信号路径中出现的接地环路电流。隔离放大器可消除来自接地环路的信号路径噪声,保护系统免受接地环路电位差的影响。



使用隔离放大器的第二个原因是提供高电压防护。当工业设备在数百伏的电压下运行时,隔离放大器可安全地承受能够损坏设备或伤害人类的高电压浪涌。



这是隔离放大器的一些常见应用示例,电流传感和电压传感。TI提供了各种可实现分流式电流传感的隔离放大器,其输入范围为正负50毫伏或正负250毫伏。隔离放大器的输入电压范围根据所要测量的电流来确定分流电阻器的值。对于使用分压的电压传感应用,TI可提供输入范围高达正负12伏的隔离放大器。


选择隔离放大器需要考虑的指标


在选择隔离放大器时,必须同时考虑放大器规格和隔离规格。


我们首先来介绍一下输入失调电压的定义。输入失调电压是为了使放大器的输出为0伏而必须施加的差动输入电压。失调电压应尽可能小,以便最大限度地减小放大器输出上的误差。请注意,输入失调电压会随温度的变化而变化,且该特性通过输入温漂来进行量化。


其次是增益误差,这是理想增益与测量增益之间的百分比差值。为了描述增益随温度的变化,我们使用了增益误差漂移参数。


现在,我们将讨论一些常见的隔离规格。


首先,我们将考虑隔离工作电压,这是隔离放大器在整个使用寿命期间必须连续处理的最大电压,以Vrms为单位。


接下来是隔离瞬态过压,这是隔离放大器在电压峰值状态下可承受60秒的电压。


最后,我们必须定义共模瞬态抗扰度,或者说CMTI,它描述了隔离放大器在确保不出错的前提下可承受的最大变化率和接地电位差。


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