CN112019173B

CN112019173B - 一种隔离放大器

Info

Publication number: CN112019173B
Application number: CN202011142556.6A
Authority: CN
Inventors: 陈炳天
Original assignee: Shanghai Chuantu Microelectronics Co Ltd
Current assignee: Shanghai Chuantu Microelectronics Co Ltd
Priority date: 2020-10-23
Filing date: 2020-10-23
Publication date: 2021-03-19
Anticipated expiration: 2040-10-23
Also published as: CN112019173A

Abstract

本发明提出一种隔离放大器，包括发送端、隔离层和接收端；发送端与隔离层连接，用于放大隔离放大器的输入信号，采用闭环电路调制放大后的隔离放大器的输入信号并生成调制信号，并将调制信号发送至隔离层；隔离层的一端连接发送端，另一端连接接收端，用于作为发送端与接收端之间的唯一信号传输渠道，将调制信号传输至接收端；接收端与隔离层连接，用于解调并放大调制信号并输出放大信号；其中，调制信号的占空比与放大后的隔离放大器的输入信号呈线性关系。本发明使用闭环的方法进行调制，有效的抑制了误差，提升了性能。同时调制电路和解调电路使用几乎相同的结构，可以更有效的提升精度。

Description

一种隔离放大器

技术领域

本发明属于信号控制传输技术领域，具体涉及一种高精度隔离型的运算放大器。

背景技术

隔离器是一种将输入信号进行转换输出的元器件。输入，输出和工作电源三者相互隔离，特别适合与需要电隔离的设备仪表配用。隔离器又名信号隔离器，是工业控制系统中重要组成部分。

现有技术1: 最原始的隔离传输模拟信号的解决方案是光耦(Optocoupler), 如附图1所示。线性光耦的输出端与输入端的电流呈正相关的特性，但是受器件本身特性限制，其精度较低，而且它的传输特性随着温度以及老化等因素会发生明显变化，有不可忽视的缺陷。

现有技术2: 一种简单的隔离模拟信号传输方案是PWM调制，如附图2所示。在输入端使用一个高速比较器，将输入的模拟电压转化为输出PWM信号的占空比。PWM信号通过数字隔离器传输到另一侧，由滤波器直接进行滤波，求出PWM信号的平均值，便可以恢复成模拟信号。但是这种方法也有一些不足之处：首先，为了不产生失真，三角波的峰峰值必须完全覆盖输入端的电压摆幅，而轨到轨的三角波比较难以生成。其次，输出端滤波器比较难做，而且会严重限制带宽。最后，电路的精度难以控制，不利于大批量生产。

现有技术3: 一种较为流行的方法是采用Σ-Δ ADC，如附图3所示。输入端使用Σ-Δ调制器将模拟信号转换为数字信号，然后在输出端使用高阶滤波器将其恢复成模拟信号。这种方法具有非常高的精度，但是其电路复杂，功耗高，带宽较低，成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种隔离放大器，使用闭环的方法进行调制，有效的抑制了误差，提升了性能。同时调制电路和解调电路使用几乎相同的结构，可以更有效的提升精度。

为了达到上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：

一种隔离放大器，包括发送端、隔离层和接收端；

所述发送端与所述隔离层连接，用于放大所述隔离放大器的输入信号，采用闭环电路调制放大后的所述隔离放大器的输入信号并生成调制信号，并将所述调制信号发送至所述隔离层；

所述隔离层的一端连接所述发送端，另一端连接所述接收端，用于作为所述发送端与所述接收端之间的唯一信号传输渠道，将所述调制信号传输至所述接收端；

所述接收端与所述隔离层连接，用于解调并放大所述调制信号并输出放大信号；

其中，所述调制信号的占空比与所述放大后的隔离放大器的输入信号呈线性关系；

所述发送端包括主运放、发送端运放、比较器、三角波发生器、发送端电阻、积分电容、第一电荷泵和调制器；

所述主运放的正相输入端和反相输入端为所述隔离放大器的输入端；所述主运放的输出端通过所述发送端电阻同时连接所述发送端运放的反相输入端、所述积分电容的一端和所述第一电荷泵的输出端；

所述发送端运放的正相输入端接入电压基准，输出端同时连接所述积分电容的另一端和所述比较器的反相输入端；

所述比较器的正相输入端连接所述三角波发生器的输出端，输出端连接所述电荷泵的入口和所述调制器的入口；

所述调制器的出口连接所述隔离层的一端；

其中，所述调制器为OOK调制器；

所述接收端包括解调器、第二电荷泵、接收端电阻、接收端电容、接收端运放、滤波器和输出驱动；

所述解调器的入口连接所述隔离层的另一端，出口连接所述第二电荷泵的入口；

所述第二电荷泵的出口同时连接所述接收端电阻的一端、所述接收端电容的一端和所述接收端运放的反相输入端；

所述接收端运放的正相输入端接入电压基准，输出端同时连接所述接收端电容的另一端和所述滤波器的输入端；

所述接收端电阻的一端同时连接所述第二电荷泵的出口、所述接收端电容的一端和所述接收端运放的反相输入端，另一端连接所述输出驱动的输出端；

所述接收端电容的一端同时连接所述第二电荷泵的出口、所述接收端电阻的一端和所述接收端运放的反相输入端，另一端同时连接所述接收端运放的输出端和所述滤波器的输入端；

所述滤波器的输出端连接所述输出驱动的输入端；所述输出驱动的输出端为所述隔离放大器的输出端；

其中：所述滤波器为开关电容滤波器。

进一步的，所述隔离层为隔离电容，所述隔离电容的一端连接所述调制器的输出端，另一端连接所述接收端。

进一步的，所述主运放、发送端运放和接收端运放均为运算放大器。

进一步的，所述发送端运放与所述接收端运放的运算放大参数相同。

进一步的，所述发送端电阻与所述接收端电阻的电阻参数相同。

进一步的，所述积分电容与所述接收端电容的电容参数相同。

进一步的，所述发送端运放的正相输入端接入的电压基准和所述接收端运放的正相输入端接入的电压基准相同，且等于所述三角波发生器的三角波中心值。

进一步的，所述隔离层包括相互串联的第一隔离电容和第二隔离电容；所述第一隔离电容和第二隔离电容的电容参数相同。

采用上述技术方案，本发明能够带来以下有益效果：

本发明使用了一种新型的PWM调制技术，采用反馈控制方法，实现了高精度的隔离放大器。与光耦方案相比，本发明精度高，传输函数线性，且对温度以及寿命不敏感。与简单的PWM调制相比，本发明具有更高的精度，且增益容易控制，带宽较高，解决了三角波摆幅以及滤波器的问题。与ADC方案相比，本发明电路结构简单，功耗低，带宽高，在保证一定的精度的前提下节约了成本。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

附图1示出了线性光耦方案的基本结构。

附图2示出了简单PWM调制方案的基本结构。

附图3示出了ADC方案的基本结构。

附图4示出了本发明的隔离放大器的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

本公开实施例提供一种隔离放大器。如图4所示，包括发送端16、隔离层9和接收端17；

所述发送端16与所述隔离层9连接，用于放大所述隔离放大器的输入信号，采用闭环电路调制放大后的所述隔离放大器的输入信号并生成调制信号，并将所述调制信号发送至所述隔离层9；

所述隔离层9的一端连接所述发送端16，另一端连接所述接收端17，用于作为所述发送端16与所述接收端17之间的唯一信号传输渠道，将所述调制信号传输至所述接收端17；

所述接收端17与所述隔离层9连接，用于解调并放大所述调制信号并输出放大信号；

其中，所述调制信号的占空比与所述放大后的隔离放大器的输入信号呈线性关系。

本发明的发送端16包括主运放3、发送端运放5、比较器7、三角波发生器6、发送端电阻、积分电容、第一电荷泵4和调制器8；

主运放3的正相输入端和反相输入端为隔离放大器的输入端；主运放3的输出端通过发送端电阻同时连接运算放大器的反相输入端、积分电容的一端和第一电荷泵4的输出端；

发送端运放5的正相输入端接入电压基准，输出端同时连接积分电容的另一端和比较器7的反相输入端；

比较器7的正相输入端连接三角波发生器6的输出端，输出端连接电荷泵的入口和调制器8的入口；

调制器8的出口连接隔离层9的一端；

其中，调制器8为OOK调制器。

隔离层9包括相互串联的第一隔离电容和第二隔离电容；第一隔离电容和第二隔离电容的电容参数相同。

在本实施例中，第一输入端端口1和第二输入端端口2分别连接到主运放3的正相输入端和反相输入端，主运放3可以根据需求自由设计。主运放3的输出接到由发送端运放5、发送端电阻和积分电容构成的积分器，以发送端运放5正相输入端的电压V_M为基准进行误差积分。发送端运放5的输出连接到比较器7，与三角波发生器6所提供的三角波进行比较，得到输出的PWM信号。该三角波的中心值是V_M，其峰峰值可以自由定义，不再受到摆幅的限制。输出的PWM信号经调制器8进行OOK调制后，形成调制信号，调制信号经过隔离层9发送至接收端。

为了使环路稳定，引入了占空比-电流的反馈，将PWM信号反馈到第一电荷泵4处，控制流过发送端运放5反相输入端(X点)的电流。当PWM为高电平，第一电荷泵4从X点抽取电流，反之则向X点灌入电流，二者电流大小均为I₀。在环路增益的作用下，受发送端运放5虚短虚断的影响，X点的电压会被钳位在V_M处，而且流过发送端电阻的电流等于第一电荷泵4抽取的平均电流，从而输出PWM占空比D和主运放3的输出呈线性关系，其关系式为：

在实际电路中，电压V_M由带隙基准(BG, Bandgap Reference)乘以比例系数生成，而电流I₀也是BG电压除以电阻得到，所以传递函数的表达式只与BG电压相关。而BG电压基本不随温度等外部因素变化而变化，所以系统的传递函数也基本不随外部因素变化而变化。与传统光耦相比，具有很大的优点。

接收端包括解调器10、第二电荷泵11、接收端电阻、接收端电容、接收端运放12、滤波器13和输出驱动14；

解调器10的入口连接隔离层9的另一端，出口连接第二电荷泵11的入口；

第二电荷泵11的出口同时连接接收端电阻的一端、接收端电容的一端和接收端运放12的反相输入端；

接收端运放12的正相输入端接入电压基准，输出端同时连接接收端电容的另一端和滤波器13的输入端；

接收端电阻的一端同时连接第二电荷泵11的出口、接收端电容的一端和接收端运放12的反相输入端，另一端连接输出驱动14的输出端；

接收端电容的一端同时连接电荷泵的出口、接收端电阻的一端和接收端运放12的反相输入端，另一端同时连接接收端运放12的输出端和滤波器13的输入端；

滤波器13的输出端连接输出驱动14的输入端；输出驱动14的输出端即为隔离放大器的输出端；

其中：滤波器13为开关电容滤波器。

在接收端中，隔离信号经解调器10解调后，控制第二电荷泵11的充放电，同时也作为后面开关电容滤波器13的控制信号，滤除开关频率附近的谐波。滤波器13后面的输出驱动14为输出提供一定的驱动能力。与输入端的环路类似，受接收端运放12虚短虚断的影响，Y点的电压也会被钳位在V_M处。类似的，可以列出输出Out与占空比的关系式：

为了减小系统误差，两侧的电路做的尽可能的一致，发送端电阻与接收端电阻的电阻参数相同；电流I₀相同；积分电容与接收端电容的电容参数相同；发送端运放5的正相输入端接入的电压基准和接收端运放12的正相输入端接入的电压基准相同，且等于三角波发生器6的三角波中心值。联立两式可以得到：

从而最终实现了隔离放大器的功能。

在本实施例中，主运放3、发送端运放5和接收端运放12均为运算放大器，发送端运放5和接收端运放12的运算放大参数相同。由于影响本发明精度的因素主要是系统误差和随机失调，因此在本发明中，输入端和输出端的关键部分使用相同的电路和相同的参数，最大限度的抑制了系统误差以及工艺角的影响，导致最终精度只受运放的失调以及隔离器的脉宽失真影响，可以简单实现0.5%的高精度。带宽受三角波频率以及积分电容的影响，可以灵活调整。

本发明使用了一种新型而简单的隔离放大结构，无需复杂的ADC，具有高精度和较高带宽的特点。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种隔离放大器，其特征在于：包括发送端、隔离层和接收端；

所述调制器的出口连接所述隔离层的一端；

其中，所述调制器为OOK调制器；

其中：所述滤波器为开关电容滤波器。

2.根据权利要求1所述的一种隔离放大器，其特征在于：所述隔离层为隔离电容，所述隔离电容的一端连接所述调制器的输出端，另一端连接所述接收端。

3.根据权利要求2所述的一种隔离放大器，其特征在于：所述主运放、发送端运放和接收端运放均为运算放大器。

4.根据权利要求3所述的一种隔离放大器，其特征在于：所述发送端运放与所述接收端运放的运算放大参数相同。

5.根据权利要求4所述的一种隔离放大器，其特征在于：所述发送端电阻与所述接收端电阻的电阻参数相同。

6.根据权利要求5所述的一种隔离放大器，其特征在于：所述积分电容与所述接收端电容的电容参数相同。

7.根据权利要求6所述的一种隔离放大器，其特征在于：所述发送端运放的正相输入端接入的电压基准和所述接收端运放的正相输入端接入的电压基准相同，且等于所述三角波发生器的三角波中心值。

8.根据权利要求7所述的一种隔离放大器，其特征在于：所述隔离层包括相互串联的第一隔离电容和第二隔离电容；所述第一隔离电容和第二隔离电容的电容参数相同。