CN1027564C - 电容耦合的隔离式放大器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关电容器耦合的隔离式差分放大器电路。它包括电压—电荷变换器电路和电荷感测器电路。电压—电荷变换器通过电容器的耦合，把输入的差分电压转换为成正比例的束缚电荷对。再经过一个高输入电阻型的差分放大器电路，就得到了与输入差分电压成正比例的输出电压。这样便实现了一种廉价的、深度电隔离、频率响应宽等的电容耦合的隔离式放大器。

Description

本发明涉及一种隔离式电信号感测电路领域，特别适用于隔离式差分放大器电路。

如所周知，电容器与变压器是电抗元件，常用来传输交流信号。为了非接触地传输差分电压（包括直流及低频分量），现有的方法都是采用调制-解调制的方法。首先，用一个调制器把被测的差分电压变换为一个高频调制信号，因而可以通过变压器或电容器，非接触地把它耦合出去。然后，用一个解调器把这个调制信号还原为原来的差分信号。在这种情况下，变压器或电容器就起到了隔离器与耦合器的双重作用。当然，在有些情况下，光学耦合器件也可以起到这个作用，成为光学耦合的隔离放大器（或者模拟-模拟变换器），它实际上也是一种调制-解调制的工作方式。在上述两种电抗元件当中，变压器则更多地被采用，有大量的专利已被授权和公开。相比之下，利用电容器作为隔离与耦合的放大器则为数不多，如授予Smith的第4，292，595号美国专利及授予Somerville的第4，748，419号美国专利就是此例。采用电容器的显著优点，就是它可以被集成，而变压器却不能。目前已有电容耦合的调制-解调制方式的集成隔离放大器产品如Burr-Brown公司的ISO106隔离放大器，采用了一对3pf的电容器作为隔离与耦合元件，实现了深 度的电隔离。然而，上述调制-解调制方式的隔离传输方法有其固有的缺点。首先，非线性效应是几乎所有调制过程与解调制过程的伴生效应。因此，这种方法要面临精度与动态范围的降级问题。其次，频率响应的带宽至少受载频之限制。第三，调制器是在隔离元件之前，因而要有一个隔离的电源供给调制器的工作电流。第四，线路设计复杂，成本高。

本发明的目的在于提供一种廉价的、深度电隔离、频率响应足够宽的电容耦合的隔离式放大器。

本发明的目的是由以下措施来实现的：它包含有两个组成电路，即电压-电荷变换器电路和电荷感测器电路。电压-电荷变换器电路，具有第一与第二被测差分电压的输入端，以及第一与第二电荷输出端，用于把被测的差分电压转变为电荷输出端电容器上成正比例的电荷量与此同时保持输入两端与输出两端之间的电绝缘或电隔离。电荷感测器用于感测电荷输出两端的电荷，以获得与被测电荷成正比例的输出电流。电荷感测器电路实际上是一个普通的高输入电阻型线性放大器。这种使用开关电容器耦合，高输入阻抗的放大电路，可以实现一种非调制-解调式的隔离感测方法。

本发明的附图说明如下：

图1为本发明的基本线路原理图。

图2为图1线路中某些主要节点的波形图。其中：

AA为驱动开关的时钟脉冲串;

BB为输入端的一个差分电压波形;

CC为节点31与32之间的响应波形。

图3是放电开关接通时共模电压的充电情况。

图4a是放电开关断开时共模电荷的分布情况。

图4b是图4a的等效电路图。

图4c是图4b的等效电路图。

图5a是图1的一个简化电路。

图5b是图1的另一个简化电路。

图6是本发明的隔离放大器电路的一个实施例。

图1是本发明的原理说明图，它由两部分组成。部分P1是电压-电荷变换器;部分P2是电荷感测电路，它只是一个通常的高输入电阻型线性放大器。

电压-电荷变换器P1由一个电容分压器和一组充、放电开关组成。它有一对输入端11，12，被测的差分电压由此输入。还有一对电荷输出端31，32作为变换后的电荷测量端。电容分压器包含三个串联的电容器，分别称为第一耦合电容器15，第二耦合电容器16和串联在它们之间的输出电容器18。电容器15的另一板极则与开关13的一端相连接于节点21，开关13的另一端连接至第一输入端11。电容器16的另一板极则是节点22，直接与第二输入端12相连。处于串联状态的开关13叫做输入短路保护开关。另外两个开关，一个叫耦合复位开关14，一个叫输出复位开关17。开关14连接在节点21与22之间，而开关17则与电容器18相并联于电荷输出节点31与32，作 为电压信号的传输节点。

电荷感测电路P2是一个通常的高输入电阻型差分放大器53，其等效的输入电阻19连接于电路的输入端31与32，也就是电压-电荷变换器的输出端。此差分放大器的输出端61与62即是整个电路的输出端。节点51与52分别是差分放大器53的正、负电源电极。

一个时钟信号CK是开关的驱动信号，其中开关14，17由CK脉冲驱动，相应于图2中的AA波形的SET状态，而开关13由 CK驱动，相应于RESET状态。

当CK脉冲来到时，开关13被断开，而开关14与17被同时接通，输出电容器18通过开关17放电，直至清除其上面的电荷，使输出端61与62的电压清零。与此同时，耦合电容器15与16通过开关14与17放电，清除了由输入的差模电压部分所充的电荷。这个过程称为“复位”。

当CK脉冲复位，开关13被 CK脉冲接通，而开关14与17则同时切断，于是电容分压器重新被输入的差分电压充电，使得在节点31与32之间的电压按电容分压的比例重新跟随输入的差分电压而变动，通过线性放大器53的传输，实现了线性放大的目的。这个过程称为“再跟随”。

图2中的BB与CC就展示了复位与再跟随过程的一个波形实例。其中BB表示输入端11与12之间的差分电压波形，而CC表示电容器18的电荷响应波形。

前面提到，在复位过程，电容器15与16只能清除其差模电荷，而对共模电荷是保留的。图3表示了电压-电荷变换器在复位过程中对共模电压的响应。这时开关14与17接通，电容器15与16由串联变为并联，共模电压Vcm作用于并联电容之上。当进入再跟随过程时，开关14与17断开，电容分压器的电容器重新串接，这时电压-电荷变换器的等效电路如图4a所示，其中Vd与Ri分别是输入差分电压与等效的源内阻。图4b是图4a的简化的等效电路，把电容器15与16上的共模电压看成是电路中的等效电动势Vcm。该图又可进一步简化为图4c。由此看出，电压-电荷变换器对差模电压Vd的响应是与耦合电容器15与16上的共模电荷是无关的。

由于电容器的充放电过程，对电压信号的传输必然带来误差，导致波形失真。为了分析方便，兹将充放电过程分为三个阶段。第一阶段是从CK脉冲上升沿开始的放电瞬态过程。控制这个瞬态过程的时间常数记为T1，由图2的CC波形图所示，它是由电容器15，16和18以及开关14，17之接通电阻Ron形成的。这个过程要求残留电压小。显然，当T1与CK脉冲宽度即时钟的SET间隔之比值越是小于1，残留电压的误差就越小。第二阶段是从CK脉冲的下降沿开始的跟随被测电压的充电瞬态过程。这个过程要求尽量短，也就是说，电容分压器的总电容值与等效源内阻Ri之时间常数T2越小，再跟随的充电瞬态过程也越短，跟随的精度也越高。之后便是第三阶段亦即是再跟随过程。此时电容器18与线性放大器53的等效输入电阻19之时间常数较之时钟CK之RESET间隔即 CK脉冲之宽度为越大，电容器18 上之跟随电压值的误差就越小。例如，取耦合电容器15，16之容量为10微微法拉，电容器18之容量为10微微法拉，电阻19取10千兆欧姆（如场效应管输入级的运算放大器可以满足），开关的开通电阻Ron取1千欧姆，源内阻Ri取10千欧姆以下，CK脉冲宽度取1微秒，重复周期取0.1毫秒，这组参数将会是一个相当优秀的线性放大器的设计依据。

以上是本发明的信号传输原理。它得到了一种新的工作方式即“复位与再跟随”，而不同于熟知的“采样与保持”的工作方式。

这个线路的主要目的是要实现输入两端11，12与输出两端31，32或61，62之间的深度电隔离。这个电隔离是由两部分并联组成。第一部分是通过电容器15，16的两个板极间的电介质而实现的。由于这对电容器之容量可以取得很小，例如10微微法拉乃至更小，于是深度的电隔离是容易实现的。第二部分便是开关13与14之接点与驱动线路之间的电隔离，这时驱动线路是与的输入端是电隔离的，换句话说，驱动线路可以与本放大器的输出端欧姆相连;或者是开关17的接点与驱动线路之间的电隔离，这时驱动线路是与本放大器的输出端是电隔离的，或者说，这时驱动线路可以与被测差分电压的输入端欧姆相连。目前，市场上有多种开关可满足这种要求。例如，光隔离开关，以光电效应来实现电隔离驱动;又如由振铃电路产生的单脉冲驱动线路，可由射频变压器把单脉冲电压耦合出去，从而实现深度电隔离的驱动装置等等。

图5a给出一种简化的电路，其中用电阻器23取代图1中的开关13，作为短路限流电阻。此时，开关14的非零接通电阻Ron就会带来残留电压的误差。

图5b给出了另一种简化的电路，其中用电阻器24取代图1中的开关14，作为放电通路。此时，较大的电阻值，会使差模电荷的放电过程变慢。

图6给出了一种实用的隔离放大器电路。其中以两个串联的开关27，37代替图1中的开关17。这两个开关都是由CK脉冲驱动，它们的连接点接到一个参考地60。此外，两个串联的电容器28，38代替图1中的电容器18，它们的连接点也接到参考地60，起到了旁路共模电压脉冲的作用。

最后，如把时钟CK的SET状态时间拉长，RESET变得很短，由图2可以看出，再跟随过程可以缩短为采样过程，于是本发明的电路又可转化为隔离式的采样电路，由此可以得到一种电容耦合的采样型的隔离放大器电路。

本发明与现有技术相比，具有价廉、深度电隔离、频率响应宽等优点。

Claims (7)

1、一种电容耦合的隔离式放大器，其特征在于包含有：

a.电压-电荷变换器，它具有第一和第二被测差分电压的输入端以及第一和第二电荷输出端，它的作用有两个，一是把被测的差分电压通过电容耦合转变为电荷输出端上成正比例的电荷量，另一个是实现输入两端与输出两端之间的电隔离；

b.感测上述输出端上电荷的线性放大器。

2、根据权利要求1所述的隔离式放大器，其特征在于电压-电荷变换器电路包含有：向被测的差分电压提供一个充电通路，以完成该电压隔离式变换过程的电容分压器装置;为电容分压器中的电容器提供可控放电通路，在一个时钟装置的作用下清除被测差分电压诱导的电荷的复位开关装置;串联在被测差分电压的一个输入端与电容分压器之间的放电保护开关装置;可产生置位及复位的时钟装置。

3、根据权利要求2所述的隔离式放大器，其特征在于电容分压器装置由三个电容器组成，其中第一耦合电容具有两个板极，一个板极与放电保护开关装置相连，另一板极则成为第一电荷输出端;第二耦合电容器一个板极与第二输入端相连，另一板极成为第二电荷输出端;输出电容器跨接在两个电荷输出端之间，与耦合电容器形成串联电路，用于存储与被测的输入差分电压成正比例的电荷。

4、根据权利要求2所述的隔离式放大器，其特征在于复位开关装置由输出复位开关和耦合复位开关组成。

5、根据权利要求4所述的隔离式放大器，其特征在于输出复位开关跨接在两个电荷输出端之间，与输出电容器并联，在时钟的作用下为清除输出电容器上的电荷而提供放电通道，以及为清除两个耦合电容器上由被测差分电压诱导的差模电荷提供一部分放电通道。

6、根据权利要求4所述的隔离式感测电路，其特征在于耦合复位开关跨接在两个耦合电容器的第一板极之间，在时钟的作用下清除两个耦合电容器上由被测差分电压诱导的差模电荷而提供另一部分放电通道。

7、根据权利要求3和4所述的隔离式放大器，其特征在于输入两端与输出两端之间的电隔离由两部分组成：

a.在两个耦合电容器的板极之间;

b.第二部分电隔离的安排可由如下两种线路配置供选择其一：

b-1.电隔离选择在耦合复位开关和放电保护开关的驱动线路与这两个开关的接点之间，此时，时钟及驱动电路可以与输出两端欧姆相连;

b-2.电隔离选择在输出复位开关的驱动线路与它的接点之间，此时，时钟及驱动电路可以与被测差分电压的输入端欧姆相连。

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