CN109546971A - 一种具有高线性度的隔离放大器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高线性度的隔离放大器，包括输入放大器电路A、运算放大器B、调制器C、解调器D和变压器T1，所述输入放大器电路A的输入端接入输入信号Vin，输出端连接到变压器T1初级绕组上的中心抽头，变压器T1初级绕组的两端均与调制器C连接，变压器T1次级绕组的两端均与解调器D连接，调制器C与解调器D同时连接时钟模块，变压器T1次级绕组的中心抽头连接到运算放大器B的反相输入端，运算放大器B的正相输入端接地，运算放大器B的输出端通过负反馈电阻R14连接到其反相输入端。其应用时，可以在比较宽的动态范围内接收信号，同时保持极高的线性度。

Description

一种具有高线性度的隔离放大器

技术领域

本发明涉及隔离放大器，具体涉及一种具有高线性度的隔离放大器。

背景技术

隔离放大器是一种特殊的测量放大电路，其输入、输出和电源电路之间没有直接电路耦合，输入电路和放大器输出之间有欧姆隔离器件。通常隔离器件需要将来自信号源的信号施加到电子信号处理电路，同时保持信号源和信号处理电子设备之间的电气隔离，目前较为常见的用于构造这种隔离放大器的方法包括输入和输出电路的变压器耦合和光电耦合。而现有的变压器耦合隔离放大器存在的一个问题就是放大器中的非线性问题，这是由于输入信号电平的变化带来的变压器磁芯的部分饱和，导致在设计这种变压器耦合放大器时，通常必须在动态范围和线性度之间进行折中。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提供一种具有高线性度的隔离放大器，其应用时，可以在比较宽的动态范围内接收信号，同时保持极高的线性度。

本发明通过以下技术方案实现：

一种具有高线性度的隔离放大器，包括输入放大器电路A、运算放大器B、调制器C、解调器D和变压器T1，所述输入放大器电路A的输入端接入输入信号Vin，输入放大器电路A的输出端连接有电阻R11，电阻R11另一端连接到变压器T1初级绕组上的中心抽头，变压器T1初级绕组的两端均与调制器C连接，调制器C内设有开关S5和S6，调制器C控制开关S5和S6交替打开和关闭，变压器T1初级绕组的两端分别连接开关S5和S6，开关S5和S6的另一端共联接地，变压器T1次级绕组的两端均与解调器D连接，解调器D内设有开关S7和S8，变压器T1次级绕组的两端分别连接开关S7和S8，开关S7和S8的另一端共联接地，调制器C与解调器D同时连接时钟模块，解调器D通过时钟模块控制开关S7和S8交替打开和关闭，使其交替过程与开关S5和S6同步对应，变压器T1次级绕组的中心抽头连接到运算放大器B的反相输入端，运算放大器B的正相输入端接地，运算放大器B的输出端通过负反馈电阻R14连接到其反相输入端。

优选地，所述时钟模块包括振荡器OSC、变压器T2、桥式整流器D2、逆变器a、逆变器b、逆变器c、逆变器d和分频计数器D1，变压器T2的初级绕组两端并联接入振荡器OSC，其中一端的支路上设有逆变器d，逆变器d的输出端与变压器T2连接，解调器D内开关S7和S8的控制端分别连接到变压器T2的初级绕组两端，变压器T2的次级绕组两端接入桥式整流器D2，经过桥式整流器D2整流后输出端依次连接逆变器c、逆变器b、分频计数器D1和逆变器a，在逆变器c与逆变器b的共联端、逆变器b与分频计数器D1的共联端，分别并联接入调制器C内开关S5和S6的控制端，在分频计数器D1与逆变器a的共联端并联有输出端，其输出信号X，逆变器a的输出端输出信号Y。

优选地，输入放大器电路A设有放大器E、积分器F、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4，放大器E由运算放大器U1A和RC滤波电路组成，RC滤波电路包括电阻R8与电容C7串联组成的支路、电阻R9与电容C8并联组成的支路，两支路并联接入运算放大器U1A的反相输入端，电阻R8与电容C7支路的另一端接地，电阻R9与电容C8支路的另一端与运算放大器U1A的输出端连接，积分器F由运算放大器U1B和电容C1组成，电容C1的两端分别与运算放大器U1B的反相输入端和输出端连接，运算放大器U1A的输出端与运算放大器U1B的反相输入端连接，运算放大器U1B的正相输入端接地，运算放大器U1B的输出端与电阻R11连接，同时运算放大器U1B的输出端还并联接入由电阻R1和电阻R2串联组成的电阻分压器，电阻分压器另一端接地，开关S1和开关S2并联接入运算放大器U1A的正相输入端，开关S2另一端接入输入信号Vin，开关S1另一端接入电阻R1和电阻R2的共联端，开关S3接入运算放大器U1A的输出端与运算放大器U1B的反相输入端之间，在开关S3与运算放大器U1A的输出端之间并联接入开关S4，开关S4另一端接地，开关S2与开关S4的控制端均接入信号X，开关S1与开关S3的控制端接入信号Y。

优选地，输入信号Vin经过由电阻R4和电容C4并联组成的滤波器后再接入开关S2。

优选地，所述分频计数器D1为六位分频计数器。

优选地，所述桥式整流器D2由直流电压供电，该直流电压由电容器C9进行滤波。

优选地，所述开关S5、S6、S7、S8均为场效应管开关，控制端为栅极。

优选地，在电阻R14与运算放大器B反相输入端之间接入场效应管开关Q1，场效应管开关Q1的源极和栅极与运算放大器B反相输入端连接，其漏极与电阻R14连接。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明一种具有高线性度的隔离放大器，其应用时，输入信号源提供低频输入信号Vin到变压器T1初级绕组，经调制器C调制后转换为变压器T1可以传输的高频信号，变压器T1的次级绕组通过差分输入的解调器D连接到运算放大器B的反相输入端，由于运算放大器B的正相输入端和地短接，根据虚短原理，变压器T1的次级绕组虚拟接地，由于运算放大器B的负反馈作用，运算放大器B反相输入的电压将会驱动到非常小的值，为了保持变压器T1的次级绕组上电压等于零，来自运算放大器B的负反馈会在变压器T1的次级绕组中产生电流信号，该电流信号将基本抵消在变压器T1初级绕组中流动的电流产生的磁通。无论输入信号Vin的值如何，由于通过变压器T1磁芯的磁通保持在零或较小的值，变压器T1的磁化曲线中的非线性基本消除，对隔离放大器的输出信号没有影响。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的具体电路设计图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，一种具有高线性度的隔离放大器，输入信号Vin施加到输入放大器电路A中，输入放大器电路A的输出通过电阻器R11连接到变压器T1的初级绕组上的中心抽头，使得与Vin成比例的电流在初级绕组中流动。初级绕组的每一端连接到调制器C中，调制器C包括两个开关S5和S6，每个开关的一端连接到初级绕组，开关S5和S6各自的另一端接地。施加到调制器C的信号，开关S5和S6交替地打开和关闭，使得经输入放大器电路A放大后施加到初级绕组中心抽头的输出信号通过初级绕组的1、3端交替地返回到地，以这种方式，施加到输入放大器电路A的直流或低频信号以较高的频率被调制，这使它从变压器T1的初级绕组耦合到次级绕组。

由输入放大器电路A和和调制器C施加到初级绕组的信号在变压器T1中产生磁通，其耦合到次级绕组。次级绕组的每一端作用于解调器D，来自次级绕组的中心抽头作用于运算放大器B的反相输入端，变压器T1初级绕组耦合到次级绕组的调制信号，经时钟模块控制，开关S7、S8交替开关，将变压器次级绕组4、6端交替往返到地，完成信号的解调。响应于来自时钟模块的信号，解调器D同步地解调来自变压器T1的交流调制输出信号，并恢复其输入信号的直流电平，该信号施加到运算放大器B。

运算放大器B的正相输入端连接到地，其输出端经由电阻器R14反馈到其反相输入端，由于通过电阻器R14的负反馈，到运算放大器B的反相输入端是虚拟接地，并且运算放大器B的输出端将产生电流流过电阻R14，抵消在运算放大器B的差分输入上存在的电压，使其趋于零。由于施加到运算放大器B的输入端的信号等于来自变压器T1的次级绕组的解调输出，因此负反馈产生的电流趋于抵消次级绕组中存在的信号。伴随着上述情况的发生，通过耦合初级和次级绕组的变压器T1的磁芯的磁通量也必为零。也就是说，负反馈导致电流流过变压器的次级绕组，将导致产生与初级绕组产生的相等但相反的磁通量。最终结果是通过变压器T1的磁芯的磁通量减小到0或非常低的水平，并且由变压器T1的磁芯饱和引起的变压器T1的传递函数的非线性同样地减小。在实际操作中，变压器T1的磁芯中的磁通量永远不会被完全抵消，但是，它的确可以通过运算放大器B设置方式而降低部分的值。通常，运算放大器B是一个非常高的增益放大器，并且实际变压器T1磁芯中的磁通量很低，可以忽略不计。

如图2所示，输入信号Vin被施加到输入放大器电路A中，电阻器R4和电容器C4组成输入信号的滤波器，波后的输入信号经由电子开关S2选择性地连接到求和节点01上，该电子开关S2由表示为X的方波信号控制，第二电子开关S1由表示为Y的波形控制，Y是X的倒数，第二电子开关S1选择性地将求和节点01与电阻R1与R2共联端的反馈信号连接，当开关S2和S1接通和断开时，在节点01和地之间的电容器C5提供了在节点01处电压转换的平滑。由开关S1施加到节点01的信号是由输入放大器电路A驱动以跟随输入信号Vin的反馈信号，当由开关S1控制的反馈信号不完全等于输入信号Vin时，通过开关S2和S1的开关产生节点01处的电压，该电压是振幅等于输入电压和反馈电压差的方波。方波偏移电压经由电容器C2耦合到后续的电路，最终迫使反馈信号达到与输入信号Vin相同的电压。当反馈信号和输入信号Vin相等，开关S2和S1接通和关断时，节点01处的电压保持恒定，并且没有偏移电压经由电容器C2耦合到后续的电路。电容器C2的偏移电压通过电阻器R5施加到运算放大器U1A的正相输入端，电阻器R7提供运算放大器U1A的正相输入端与地之间的直流通道，以防止该输入上下波动。运算放大器U1A与电阻R9、电容器C8、电阻R8和电容器C7组成同相交流放大器E。由电阻R9和R8以及电容器C8和C7组成的RC滤波电路。放大器E的输出被施加到电容器C3，电容器C3通过电阻器R6连接到节点02。两个电子开关S4和S3选择性地将节点02接地或连接到由运算放大器U1B和电容器C1组成的积分器F。连接在节点02与地之间的开关S4由X方波信号控制，连接节点02与积分器F之间的开关S3由Y波形信号控制。因此，开关S4和S3与开关S2和S1同步切换。积分器F的输出被施加到由电阻R1和R2组成的电阻分压器，以提供上述反馈信号。积分器F的输出还提供输入放大器电路A的输出信号。

当开关S2和S1交替地将输入信号Vin和反馈信号连接到节点01时，具有等于输入信号和反馈信号之间差值的振幅的方波信号通过电容器C2耦合并施加到放大器E。该方波信号出现在放大器E的输出端，并被施加到电容器C3。开关S4和S3与输入信号S2和S1同步切换。因此，在放大器E施加到电容器C3的方波偏移信号的一个相位期间，电容器C3的另一端经由开关S4通过电阻R6连接到地，并且电容器C3被充电到第一电压。在方波的第二状态期间，从放大器E施加到电容器C3的电压被改变为与节点01处的偏移信号成比。电容器C3的第二端子通过开关S3和电阻R6连接到作为虚拟接地的积分器F的输入端。因此，与放大器E的输出端存在的方波偏移信号的振幅成比例的电荷将被转储到积分器F的输入节点中，使得积分器F输出电压在趋于减小误差信号的方向上变化。以这种方式，输入放大器电路A的输出信号被迫跟随输入电压。输入放大器电路A的输出信号通过串联电阻R11施加到变压器T1的初级绕组的中心抽头。这个直流信号通过两个场效应管开关S5和S6进行调制，这两个场效应管开关将初级绕组的端部连接到地。调制信号出现在变压器T1的次级绕组上。场效应管开关S7和S8与场效应管开关S5和S6同步工作，使得经次级绕组的中心抽头解调的直流信号，通过初级绕组的任一端交替地将连接到公共返回点。

振荡器OSC和逆变器d提供互补的方波信号，这些方波信号被施加到场效应管开关S7和S8以解调信号，该信号也被施加到变压器T2的初级绕组，变压器T2的次级绕组中心抽头接地，两端连接到桥式整流器D2，桥式整流器D2提供直流电压，该直流电压由电容器C9滤波并用于给连接到变压器T1初级绕组侧的电子器件供电。交流信号从变压器T2次级绕组的一端输出，并通过由电阻R12和R13组成的分压器施加到缓冲逆变器c，逆变器c的输出被施加到逆变器b，并且逆变器c和b的输出与振荡器OSC的输出同步地提供互补调制信号。这些互补信号用于驱动场效应管开关S5和S6，从输入放大器电路A施加到变压器T1初级绕组的信号被场效应管开关S5和S6调制。逆变器b的输出还被施加到将调制信号频率分成较低频率的分频计数器D1，分频计数器D1是一个六位分频计数器，它提供输入频率1/64的输出频率。来自分频计数器D1的输出信号及其由逆变器a提供的补码，提供了用于驱动输入放大器电路A中的开关S1、S2、S3和S4的X和Y信号。

从变压器T1的中心抽头获得的解调直流电压被施加到运算放大器B的反相输入端。运算放大器B的反相输入端通过电阻器R10连接到地上。运算放大器B的输出端通过电阻器R14和场效应管Q1反馈到其反相输入端，场效应管Q1的源极和栅极与运算放大器B反相输入端连接，场效应管Q1为变压器T1次级绕组的电阻变化提供温度补偿。

综上，变压器T1次级绕组连接到运算放大器B的反相输入端，由于运算放大器B的正相输入端接地，根据运放的虚短原理，变压器T1的次级绕组连接到了虚拟地，运算放大器B的负反馈作用将反相端输入的电压驱动到非常小的值。为了保持变压器T1次级绕组上的电压等于零，必须有一种同等大小但极性相反的电流(假设变压器T1的匝比为1:1)流过变压器T1的次级绕组，以抵消电流通过初级绕组所产生的磁通。因此，运算放大器B的输出电压改变，使得通过反馈电阻R14提供的电流与流过初级绕组的电流大小相等，且极性相反。由于运算放大器B的输出信号是通过将变压器T1磁芯中的磁通量清零来提供的，因此避免了变压器T1磁芯的磁化曲线中的非线性引起的输出信号中的非线性。

其中各主要电子器件型号：

运算放大器B、U1A、U1B采用OPA2188型；场效应管开关S5、S6、S7、S8采用CPH3910型；振荡器OSC采用CD4047型；分频计数器D1采用CD4017型；桥式整流器D2采用BAT54SLT1G型；逆变器a、b、c、d采用74AHC1G14型；开关S1、S2、S3、S4采用CD4066型。

在实际测试过程中，现有的通用型号的隔离放大器测得的线性度数据如下表所示：

而本发明的隔离放大器在实际测试过程中测得的线性度数据如下表所示：

通过两个表格的测试数据对比可以明显看出：本发明提供的隔离放大器相对于现有的隔离放大器来说，在各输入值下产生的输出值最大基本误差要小得多，具有极高的线性度。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有高线性度的隔离放大器，其特征在于，包括输入放大器电路A、运算放大器B、调制器C、解调器D和变压器T1，所述输入放大器电路A的输入端接入输入信号Vin，输入放大器电路A的输出端连接有电阻R11，电阻R11另一端连接到变压器T1初级绕组上的中心抽头，变压器T1初级绕组的两端均与调制器C连接，调制器C内设有开关S5和S6，调制器C控制开关S5和S6交替打开和关闭，变压器T1初级绕组的两端分别连接开关S5和S6，开关S5和S6的另一端共联接地，变压器T1次级绕组的两端均与解调器D连接，解调器D内设有开关S7和S8，变压器T1次级绕组的两端分别连接开关S7和S8，开关S7和S8的另一端共联接地，调制器C与解调器D同时连接时钟模块，解调器D通过时钟模块控制开关S7和S8交替打开和关闭，使其交替过程与开关S5和S6同步对应，变压器T1次级绕组的中心抽头连接到运算放大器B的反相输入端，运算放大器B的正相输入端接地，运算放大器B的输出端通过负反馈电阻R14连接到其反相输入端。

2.根据权利要求1所述的一种具有高线性度的隔离放大器，其特征在于，所述时钟模块包括振荡器OSC、变压器T2、桥式整流器D2、逆变器a、逆变器b、逆变器c、逆变器d和分频计数器D1，变压器T2的初级绕组两端并联接入振荡器OSC，其中一端的支路上设有逆变器d，逆变器d的输出端与变压器T2连接，解调器D内开关S7和S8的控制端分别连接到变压器T2的初级绕组两端，变压器T2的次级绕组两端接入桥式整流器D2，经过桥式整流器D2整流后输出端依次连接逆变器c、逆变器b、分频计数器D1和逆变器a，在逆变器c与逆变器b的共联端、逆变器b与分频计数器D1的共联端，分别并联接入调制器C内开关S5和S6的控制端，在分频计数器D1与逆变器a的共联端并联有输出端，其输出信号X，逆变器a的输出端输出信号Y。

3.根据权利要求2所述的一种具有高线性度的隔离放大器，其特征在于，输入放大器电路A设有放大器E、积分器F、开关S1、开关S2、开关S3、开关S4，放大器E由运算放大器U1A和RC滤波电路组成，RC滤波电路包括电阻R8与电容C7串联组成的支路、电阻R9与电容C8并联组成的支路，两支路并联接入运算放大器U1A的反相输入端，电阻R8与电容C7支路的另一端接地，电阻R9与电容C8支路的另一端与运算放大器U1A的输出端连接，积分器F由运算放大器U1B和电容C1组成，电容C1的两端分别与运算放大器U1B的反相输入端和输出端连接，运算放大器U1A的输出端与运算放大器U1B的反相输入端连接，运算放大器U1B的正相输入端接地，运算放大器U1B的输出端与电阻R11连接，同时运算放大器U1B的输出端还并联接入由电阻R1和电阻R2串联组成的电阻分压器，电阻分压器另一端接地，开关S1和开关S2并联接入运算放大器U1A的正相输入端，开关S2另一端接入输入信号Vin，开关S1另一端接入电阻R1和电阻R2的共联端，开关S3接入运算放大器U1A的输出端与运算放大器U1B的反相输入端之间，在开关S3与运算放大器U1A的输出端之间并联接入开关S4，开关S4另一端接地，开关S2与开关S4的控制端均接入信号X，开关S1与开关S3的控制端接入信号Y。

4.根据权利要求3所述的一种具有高线性度的隔离放大器，其特征在于，输入信号Vin经过由电阻R4和电容C4并联组成的滤波器后再接入开关S2。

5.根据权利要求2所述的一种具有高线性度的隔离放大器，其特征在于，所述分频计数器D1为六位分频计数器。

6.根据权利要求2所述的一种具有高线性度的隔离放大器，其特征在于，所述桥式整流器D2由直流电压供电，该直流电压由电容器C9进行滤波。

7.根据权利要求1所述的一种具有高线性度的隔离放大器，其特征在于，所述开关S5、S6、S7、S8均为场效应管开关，控制端为栅极。

8.根据权利要求1所述的一种具有高线性度的隔离放大器，其特征在于，在电阻R14与运算放大器B反相输入端之间接入场效应管开关Q1，场效应管开关Q1的源极和栅极与运算放大器B反相输入端连接，其漏极与电阻R14连接。