如何正確使用隔離放大器

什么是隔離放大器

首先，我們來定義一下什么是隔離放大器。隔離放大器是一種使用高電磁抗擾隔離層將輸出和輸入電路隔離開的特殊功能放大器。這種干擾也稱為EMI，是由外部源造成的，如果忽略，可導(dǎo)致信號鏈的性能降級，或?qū)е聰?shù)據(jù)出錯(cuò)。雖然可用于實(shí)現(xiàn)隔離的方法有多種，但是德州儀器(TI)采用了電容式隔離層。

隔離放大器的目的是，通過斷開接地環(huán)路，在高電壓應(yīng)用中提供防電擊保護(hù)或者將電路中的不同部件或不同電路隔離開。

那么，隔離式和非隔離式放大器之間有什么區(qū)別呢?讓我們來較為詳細(xì)地了解一下隔離放大器的功能方框圖。

與傳統(tǒng)的非隔離式放大器類似，隔離放大器在輸入上有一個(gè)模擬信號，且在輸出上有一個(gè)模擬信號。隔離放大器的輸入級由驅(qū)動(dòng)Δ-Σ調(diào)制器的全差動(dòng)或單端輸入組成。放大器的增益是固定的且通過內(nèi)部精密電阻器設(shè)定。Δ-Σ調(diào)制器在時(shí)鐘生成器中使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字比特流，然后使其傳輸穿過隔離層。比特流在隔離層的低側(cè)經(jīng)模擬濾波器處理后，會(huì)在輸出端呈現(xiàn)為差動(dòng)模擬電壓。

德州儀器(TI)的電容型隔離技術(shù)可提供兩種不同的隔離層，基本型和增強(qiáng)型?；靖綦x通過單個(gè)電容隔離層實(shí)現(xiàn)，而增強(qiáng)型隔離則是通過兩個(gè)串連的電容隔離層實(shí)現(xiàn)。

為什么需要使用隔離放大器?

使用隔離放大器的一個(gè)常見原因是，為了斷開接地環(huán)路。電氣裝置可以在兩個(gè)遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)，接地1和接地2之間產(chǎn)生較大的接地電位差。這兩個(gè)接地之間的直接連接會(huì)最終形成一個(gè)接地環(huán)路。電機(jī)一類的設(shè)備可以向地面注入較大的噪聲電流，從而產(chǎn)生在信號路徑中出現(xiàn)的接地環(huán)路電流。隔離放大器可消除來自接地環(huán)路的信號路徑噪聲，保護(hù)系統(tǒng)免受接地環(huán)路電位差的影響。

使用隔離放大器的第二個(gè)原因是提供高電壓防護(hù)。當(dāng)工業(yè)設(shè)備在數(shù)百伏的電壓下運(yùn)行時(shí)，隔離放大器可安全地承受能夠損壞設(shè)備或傷害人類的高電壓浪涌。

這是隔離放大器的一些常見應(yīng)用示例，電流傳感和電壓傳感。TI提供了各種可實(shí)現(xiàn)分流式電流傳感的隔離放大器，其輸入范圍為正負(fù)50毫伏或正負(fù)250毫伏。隔離放大器的輸入電壓范圍根據(jù)所要測量的電流來確定分流電阻器的值。對于使用分壓的電壓傳感應(yīng)用，TI可提供輸入范圍高達(dá)正負(fù)12伏的隔離放大器。

選擇隔離放大器需要考慮的指標(biāo)

在選擇隔離放大器時(shí)，必須同時(shí)考慮放大器規(guī)格和隔離規(guī)格。

我們首先來介紹一下輸入失調(diào)電壓的定義。輸入失調(diào)電壓是為了使放大器的輸出為0伏而必須施加的差動(dòng)輸入電壓。失調(diào)電壓應(yīng)盡可能小，以便最大限度地減小放大器輸出上的誤差。請注意，輸入失調(diào)電壓會(huì)隨溫度的變化而變化，且該特性通過輸入溫漂來進(jìn)行量化。

其次是增益誤差，這是理想增益與測量增益之間的百分比差值。為了描述增益隨溫度的變化，我們使用了增益誤差漂移參數(shù)。

現(xiàn)在，我們將討論一些常見的隔離規(guī)格。

首先，我們將考慮隔離工作電壓，這是隔離放大器在整個(gè)使用壽命期間必須連續(xù)處理的最大電壓，以Vrms為單位。

接下來是隔離瞬態(tài)過壓，這是隔離放大器在電壓峰值狀態(tài)下可承受60秒的電壓。

最后，我們必須定義共模瞬態(tài)抗擾度，或者說CMTI，它描述了隔離放大器在確保不出錯(cuò)的前提下可承受的最大變化率和接地電位差。