CN105223390A

CN105223390A - 一种电容耦合式隔离放大器

Info

Publication number: CN105223390A
Application number: CN201510679099.7A
Authority: CN
Inventors: 王慧梅; 林维
Original assignee: TIANSHUI HUATIAN MICROELECTRONIC CO Ltd; TIANSHUI 749 ELECTRONIC CO Ltd
Current assignee: TIANSHUI 749 ELECTRONIC Co.,Ltd.
Priority date: 2015-10-20
Filing date: 2015-10-20
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2035-10-20
Also published as: CN105223390B

Abstract

本发明提供了一种电容耦合式隔离放大器，包括依次相连的电压/频率控制器、双向输出高速比较器、差分耦合器、单向输出高速比较器、频率/电压转换器和低通滤波器。该隔离放大器利用电容器的电荷感应现象传递信号，同时实现电气隔离；具有直流信号和交流信号两种输入功能，通过外部电阻可调节电路的输入失调电压；该隔离放大器电路外围连接元件少，使用简便，每个隔离放大器可组成单位增益缓冲器形式，增益大小通过前置放大器或将输入信号分压来实现。具有价格低廉、深度电隔离、宽频率响应、高可靠性的特点。

Description

一种电容耦合式隔离放大器

技术领域

本发明属于数据采集技术领域，涉及一种隔离放大器，特别涉及一种电容耦合式隔离放大器。

背景技术

数据采集领域中有些采集对象处在高压或严重的噪声环境下，为了精密可靠地测量信号，需对被测对象和数据采集系统进行电隔离，使输入级和输出级保持相对独立，提高共模抑制比，同时保护电子仪器设备和人身安全。高的共模电压往往会导致危险的电气故障，具有高隔离电压和低漏电流的隔离放大器不仅能够保护测试设备，还能够切断输入侧和输出侧电路间的直接联系，避免干扰混入输出信号，同时又使有用信号畅通无阻。

隔离放大器种类繁多型号各异。根据输入和输出隔离方式的不同可分为变压器隔离放大器、光电隔离放大器和电容隔离放大器。其中，应用最广泛的是变压器隔离放大器。变压器隔离放大器一般由输入放大电路、调制电路、解调电路、振荡电路、输出放大器等部分组成。工作时，放大电路的输出信号经调制电路与振荡器的输出电压波形混合，然后通过变压器耦合到输出侧，再经解调电路还原，最后通过输出放大器构成的电压跟随器输出，以增强带负载能力。振荡器的输出通过变压器耦合到输入侧，经整流电路变换为直流电，为输入放大电路和调制电路供电；同时振荡器的输出还通过变压器耦合到输出侧，经整流电路变换为直流电，为输出放大器和解调电路供电，而振荡器则由外部供电，使变压器隔离放大器可以做到输入、输出、电源三端之间完全隔离。变压器隔离放大器中，变压器的制作（降低匝间电容、绕组的对称、在初次级间加屏蔽等）、变压器细线的手工焊接、大体积、高成本等缺点限制了它的广泛应用。

光电隔离放大器以光为媒介传输电信号，对输入电信号和输出电信号有良好的隔离作用。光电隔离放大器一般由光的发射、光的接收及信号放大三部分组成。输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经进一步放大后输出，这样就完成了电—光—电的转换，从而达到输入信号和输出信号隔离的目的。光电耦合器的信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离。但是它的线性度不好，温度稳定性差。

相比之下，利用电容器进行隔离和耦合的放大器为数不多，如美国专利第4,292,595号（公告日1981.09.29）公开了用一对电容在隔离放大器中作为隔离栅。但其中的电路相当复杂，高压隔离电容的容值非常大，大约50pF，使电路相当不适用。现有的电容隔离放大器具有较高的性能，但是售价很高，精度和动态范围有降级问题等，不能满足用户要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种电容耦合式隔离放大器，不仅具有深度电隔离、宽频率响应、高可靠的性能，而且廉价。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种电容耦合式隔离放大器，包括依次相连的电压/频率控制器、双向输出高速比较器、差分耦合器、单向输出高速比较器、频率/电压转换器和低通滤波器。

本发明隔离放大器利用电容器的电荷感应现象传递信号，同时实现电气隔离。具有直流信号和交流信号两种输入功能，通过外部电阻可调节电路的输入失调电压。该隔离放大器电路外围连接元件少，使用简便，每个隔离放大器可组成单位增益缓冲器形式，增益大小通过前置放大器或将输入信号分压来实现。具有价格低廉、深度电隔离、宽频率响应、高可靠性的特点。

附图说明

图1是本发明隔离放大器的结构示意图。

图2是本发明隔离放大器中电压/频率控制器的示意图。

图3是本发明隔离放大器中双向输出高速比较器的示意图。

图4是本发明隔离放大器中差分耦合电容的示意图。

图5是本发明隔离放大器中单向输出高速比较器的示意图。

图6是本发明隔离放大器中频率/电压转换器的示意图。

图7是本发明隔离放大器中低通滤波器的示意图。

图8是双向输出高速比较器输出的幅度相同，相位相差180℃的载波信号。

图9是经过隔离耦合电容后的信号波形。

图1中：1.电压/频率控制器，2.双向输出高速比较器，3.差分耦合器，4.单向输出高速比较器，5.频率/电压转换器，6.低通滤波器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明隔离放大器，包括依次相连的电压/频率控制器1、双向输出高速比较器2、差分耦合器3、单向输出高速比较器4、频率/电压转换器5和低通滤波器6。

如图2，本发明隔离放大器中的电压/频率控制器1，包括第一芯片U1，第一芯片U1采用高精度、高频型的AD650芯片；第一芯片U1的第1脚和第9脚分别与第一电容C1的一端相连接，第一电容C1的另一端和第一芯片U1的第3脚分别与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端接输入信号V_i，第一芯片U1的第2脚接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端接地，第一芯片U1的第4脚接第三电阻R3的一端，第三电阻R3的另一端和第一芯片U1的第5脚均接-Vcc电源，第一芯片U1的第6脚接第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端以及第一芯片U1的第10脚和第11脚均接地，第一芯片U1的第12脚和第三电容C3的一端均接+Vcc电源，第三电容C3的另一端接地，第一芯片U1的第8脚与双向输出高速比较器2相连接。

如图3所示，本发明隔离放大器中的双向输出高速比较器2，包括第二芯片U2，第二芯片U2采用MAX913比较器，第二芯片U2的第3脚分别与第五电阻R5的一端和第六电阻R6的一端相连接，第二芯片U2的第1脚、第五电阻R5的另一端和第四电阻R4的一端均接+Vcc电源，第二芯片U2的第2脚和第四电阻R4的另一端均接电压/频率控制器1，即第二芯片U2的第2脚和第四电阻R4的另一端均接第一芯片U1的第8脚；第二芯片U2的第6脚、第4脚和第5脚以及第六电阻R6的另一端接地；第二芯片U2的第7脚和第8脚分别与差分耦合电容3相连接。

如图4所示，本发明隔离放大器中的差分耦合电容3，包括第四电容C4和第五电容C5，第四电容C4的一端与第二芯片U2的第7脚相连，第五电容C5的一端与第二芯片U2的第8脚相连，第四电容C4的另一端和第五电容C5的另一端均与单向输出高速比较器4相连接。

如图5所示，本发明隔离放大器中的单向输出高速比较器4，包括第三芯片U3，第三芯片U3采用MAX913比较器，第三芯片U3的第1脚接+Vcc电源，第三芯片U3的第7脚接第十电阻R10的一端，第十电阻R10的另一端、第三芯片U3的第2脚和第七电阻R7的一端相交于第一接点，该第一接点与第五电容C5的另一端相连接，第三芯片U3的第8脚分别与第六电容C6的一端和第九电阻R9的一端相连接，第六电容C6的另一端与频率/电压转换器5相连接，第九电阻R9的另一端、第八电阻R8的一端和第三芯片U3的第3脚相交于第二接点，该第二接点与第四电容C4的另一端相连接；第七电阻R7的另一端、第八电阻R8的另一端、第三芯片U3的第5脚、第三芯片U3的第4脚和第三芯片U3的第6脚均接地。

如图6所示，本发明隔离放大器中的频率/电压转换器5，包括第四芯片U4，第四芯片U4采用AD650芯片，第四芯片U4的第9脚和第十一电阻R11的一端分别与单向输出高速比较器4相连接，即第四芯片U4的第9脚和第十一电阻R11的一端分别接第六电容C6的另一端；第十一电阻R11的另一端接地，第四芯片U4的第8脚接第十三电阻R13的一端，第十三电阻R13的另一端和第十电容C10的一端均接+Vcc电源，第十电容C10的另一端接地；第四芯片U4的第4脚接第十二电阻R12的一端，第四芯片U4的第2脚接第十四电阻R14的一端，第四芯片U4的第5脚、第十二电阻R12的另一端和第八电容C8的一端均接-Vcc电源，第四芯片U4的第6脚接第七电容C7的一端，第七电容C7的另一端、第十四电阻R14的另一端和第八电容C8的另一端接地，第四芯片U4的第3脚分别与第九电容C9的一端和第十五电阻R15的一端相连接，第四芯片U4的第1脚、第九电容C9的另一端和第十五电阻R15的另一端分别与第十六电阻R16的一端相连接，第十六电阻R16的另一端与低通滤波器6相连接。

如图7所示，本发明隔离放大器中的低通滤波器6，包括第五芯片U5，第五芯片U5采用OP07运算放大器；第五芯片U5的第7脚接+Vcc电源，第五芯片U5的第4脚接-Vcc电源，第五芯片U5的第3脚分别与第十七电阻R17的一端和第十二电容C12的一端相连接，第十二电容C12的另一端接地，第五芯片U5的第2脚分别与第十一电容C11的一端和第五芯片U5的第6脚相连接，第十一电容C11的另一端和第十七电阻R17的另一端均接频率/电压转换器5，即第十一电容C11的另一端和第十七电阻R17的另一端均接第十六电阻R16的另一端；第五芯片U6第2脚和第五芯片U6第5脚的接点为本隔离放大器的输出端。

电压/频率控制器1将输入信号V_i变换为一个幅度稳定的高频脉冲信号V₁，该高频脉冲信号V₁输送给双向输出高速比较器2；双向输出高速比较器2将输入的高频脉冲信号V₁转换为第一载波信号V₂和第二载波信号V₃，第一载波信号V₂和第二载波信号V₃的幅度相同、相位相差180°，第一载波信号V₂和第二载波信号V₃送入差分耦合电容3的输入端；差分耦合电容3实现输入信号与输出信号的隔离，将输入的第一载波信号V₂和第二载波信号V₃转换为第二尖脉冲信号V₅和第一尖脉冲信号V₄，并将该两个尖脉冲信号传输给单向输出高速比较器4；单向输出高速比较器4将输入的尖脉冲信号调制成方波信号V₆，并将该方波信号输入频率/电压转换器5；频率/电压转换器5将输入的方波信号V₆转换成模拟信号V₇，并将该模拟信号V₇输入低通滤波器6，低通滤波器6滤除模拟信号V₇中的高频载波信号，将模拟信号V₇恢复成输入的模拟信号。

电压/频率控制器1提供了一个高频运行和低非线性的组合，将输入模拟信号调制成方波信号，方波信号的频率F _out主要由输入信号的幅度V _in、第一电阻R1和第一电容C1（第一电容C1为定时电容）决定，其公式为F _out=V _in/（7.5C1×R1），第一电阻R1和第一电容C1还决定输入电压范围和非线性度的大小。第四电阻R4作为上拉电阻，应限制输出晶体管中的电流小于8mA，当然，此第四电阻R4也不能太小，如果太小，输出方波信号失真。为了实现双极性电压的可靠转换，在第一芯片U1的第4脚与负电源之间设置了第三电阻R3，在使用时，可以通过合理地调节与第一芯片U1第2脚相连的第二电阻R2的阻值，使双极性电压转换范围更大，整个电路的增益误差更小。电压/频率控制器1输出的脉冲信号输送到双向输出高速比较器2后，转换为幅度相同、相位相差180°的载波信号，该载波信号的波形如图8所示，该载波信号经过隔离耦合电容（第四电容C4和第五电容C5）连接到单向输出高速比较器4的输入端。由于采用了数字化调制手段，隔离耦合电容的性能不会影响到模拟信号的完整性，所以有较高的可靠性和良好的频率特性，在实际应用中将隔离耦合电容的电容值选为几个皮法（pF），但是为了满足高的隔离耐压，所以要将隔离耦合电容的耐压值选的很高。经过隔离耦合电容后的信号的波形见图9，为尖脉冲信号。该尖脉冲信号接入第四芯片U4，第四芯片U4的外围电阻、电容的取值与第一芯片U1外围电阻、电容的取值是一致的。考虑到器件参数的差异性，将第十五电阻R15设置成调试电阻，使电路的非线性度和增益误差等参数达到最佳。频率/电压高速比较器5将尖脉冲信号恢复成方波信号，该方波信号与电压/频率控制器1产生的方波信号一致，就是说通过频率/电压高速比较器5已经恢复了本隔离放大器输入端的方波信号，频率/电压转换器5输出模拟信号，但是在对输入信号进行调制和解调过程中必然会带有噪声，为此需要在模拟信号的输出端加低通滤波器6，从滤波的效果看，第十一电容C11和第十二电容C12的取值越大，滤波效果越好，但是第十一电容C11和第十二电容C12的值过大，会使隔离放大器的带宽变窄，如果被放大的有用信号的频率较高，如10kHz，在滤除高频调制噪声的同时，对于10kHz的有用信号同样有滤除作用，会使其输出幅度下降，造成电压传输比的非线性失真。所以通过合理的设置低通滤波器6的截止频率，既保证正弦交流信号的无失真输出，又能有效的降低负端直流电压的纹波。

本发明电容耦合式隔离放大器使用非常方便，只需要连接输入和输出级的正负电源，接地端和输入输出信号，无需外围电路。

Claims

1.一种电容耦合式隔离放大器，其特征在于，包括依次相连的电压/频率控制器（1）、双向输出高速比较器（2）、差分耦合器（3）、单向输出高速比较器（4）、频率/电压转换器（5）和低通滤波器（6）。

2.根据权利要求1所述的电容耦合式隔离放大器，其特征在于，所述的电压/频率控制器（1）包括第一芯片（U1），第一芯片（U1）的第1脚和第9脚分别与第一电容（C1）的一端相连接，第一电容（C1）的另一端和第一芯片（U1）的第3脚分别与第一电阻（R1）的一端相连，第一芯片（U1）的第2脚接第二电阻（R2）的一端，第二电阻（R2）的另一端接地，第一芯片（U1）的第4脚接第三电阻（R3）的一端，第三电阻（R3）的另一端和第一芯片（U1）的第5脚均接-Vcc电源，第一芯片（U1）的第6脚接第二电容（C2）的一端，第二电容（C2）的另一端以及第一芯片（U1）的第10脚和第11脚均接地，第一芯片（U1）的第12脚和第三电容（C3）的一端均接+Vcc电源，第三电容（C3）的另一端接地，第一芯片（U1）的第8脚与双向输出高速比较器（2）相连接。

3.根据权利要求2所述的电容耦合式隔离放大器，其特征在于，所述的双向输出高速比较器（2）包括第二芯片（U2），第二芯片（U2）的第3脚分别与第五电阻（R5）的一端和第六电阻（R6）的一端相连接，第二芯片（U2）的第1脚、第五电阻（R5）的另一端和第四电阻（R4）的一端均接+Vcc电源，第二芯片（U2）的第2脚和第四电阻（R4）的另一端均接第一芯片（U1）的第8脚；第二芯片（U2）的第6脚、第4脚和第5脚以及第六电阻（R6）的另一端接地；第二芯片（U2）的第7脚和第8脚分别与差分耦合电容（3）相连接。

4.根据权利要求3所述的电容耦合式隔离放大器，其特征在于，所述的差分耦合电容（3）包括第四电容（C4）和第五电容（C5），第四电容（C4）的一端与第二芯片（U2）的第7脚相连，第五电容（C5）的一端与第二芯片（U2）的第8脚相连，第四电容（C4）的另一端和第五电容（C5）的另一端均与单向输出高速比较器（4）相连接。

5.根据权利要求4所述的电容耦合式隔离放大器，其特征在于，所述的单向输出高速比较器（4）包括第三芯片（U3），第三芯片（U3）的第1脚接+Vcc电源，第三芯片U3）的第7脚接第十电阻（R10）的一端，第十电阻（R10）的另一端、第三芯片（U3）的第2脚和第七电阻（R7）的一端分别与第五电容（C5）的另一端相连接，第三芯片（U3）的第8脚分别与第六电容（C6）的一端和第九电阻（R9）的一端相连接，第六电容（C6）的另一端与频率/电压转换器（5）相连接，第九电阻（R9）的另一端、第八电阻（R8）的一端和第三芯片（U3）分别与第四电容（C4）的另一端相连接；第七电阻（R7）的另一端、第八电阻（R8）的另一端、第三芯片（U3）的第5脚、第三芯片（U3）的第4脚和第三芯片（U3）的第6脚均接地。

6.根据权利要求5所述的电容耦合式隔离放大器，其特征在于，所述的频率/电压转换器（5）包括第四芯片（U4），第四芯片（U4）的第9脚和第十一电阻（R11）的一端分别接第六电容（C6）的另一端；第十一电阻（R11）的另一端接地，第四芯片（U4）的第8脚接第十三电阻（R13）的一端，第十三电阻（R13）的另一端和第十电容（C10）的一端均接+Vcc电源，第十电容（C10）的另一端接地；第四芯片（U4）的第4脚接第十二电阻（R12）的一端，第四芯片（U4）的第2脚接第十四电阻（R14）的一端，第四芯片（U4）的第5脚、第十二电阻（R12）的另一端和第八电容（C8）的一端均接-Vcc电源，第四芯片（U4）的第6脚接第七电容（C7）的一端，第七电容（C7）的另一端、第十四电阻（R14）的另一端和第八电容（C8）的另一端接地，第四芯片（U4）的第3脚分别与第九电容（C9）的一端和第十五电阻（R15）的一端相连接，第四芯片（U4）的第1脚、第九电容（C9）的另一端和第十五电阻（R15）的另一端分别与第十六电阻（R16）的一端相连接，第十六电阻（R16）的另一端与低通滤波器（6）相连接。

7.根据权利要求1所述的电容耦合式隔离放大器，其特征在于，所述的低通滤波器（6）包括第五芯片（U5），第五芯片（U5）的第7脚接+Vcc电源，第五芯片（U5）的第4脚接-Vcc电源，第五芯片（U5）的第3脚分别与第十七电阻（R17）的一端和第十二电容（C12）的一端相连接，第十二电容（C12）的另一端接地，第五芯片（U5）的第2脚分别与第十一电容（C11）的一端和第五芯片（U5）的第6脚相连接，第十一电容（C11）的另一端和第十七电阻（R17）的另一端均接第十六电阻（R16）的另一端。