CN2798415Y

CN2798415Y - 一种有源模拟信号隔离放大器

Info

Publication number: CN2798415Y
Application number: CN 200520057068
Authority: CN
Inventors: 于广沅
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-07-19
Anticipated expiration: 2015-04-11

Abstract

一种有源模拟信号隔离放大器，包括辅助电源和信号隔离放大；其中辅助电源经电阻、电容、三极管及变压器电磁耦合后可产生两组隔离变换电压，该电压经整流，滤波后形成一个比较稳定的与原电源充分隔离的直流正电源和负电源，用来给输入/输出放大器提供正负双电源。信号隔离放大包含有电流信号调制解调电路、信号耦合隔离变换电路等，其中输入信号经过运算放大器以后，进入光电耦合器，经光电耦合器隔离后输出。该技术适用于工业控制、医疗设备、仪器仪表等系统中地电位有很大差别的电路设计中，实现了从前做不到的更复杂的操作，及低成本、小体积、高精度、多功能。

Description

一种有源模拟信号隔离放大器

技术领域

本实用新型涉及集成电路(IC)，主要是指一种可以应用在模拟信号数据采集，隔离传输及供电，工业现场信号隔离传输及变换，地线干扰抑制，信号远程无失真传输，仪器仪表与传感器信号的隔离变换以及电力设备及医疗仪器安全隔离栅等的有源模拟信号隔离放大器。

背景技术

信号隔离技术是使模拟信号在发送时不存在穿越发送和接收端之间屏障的电流连接。这允许发送和接收端外的地或基准电平之差可高达几千伏，并且防止了可能损害信号的不同地电位之间的环路电流。信号地的噪声可使信号受损。隔离可将信号分离到一个干净的子系统地，使传感器、仪器仪表或控制系统与电源之间互相隔离，从而保证整个系统装置的工作安全、可靠及稳定。

而在另一种应用中，基准电平之间的电连接可隔离产生一个对于操作人员或病人不安全的电流通路。

信号隔离器件依赖于无发送器和接收器来跨越隔离屏障，这种器件曾用于数字信号，但线性化问题迫使模拟信号隔离采用变压器、光电偶合器电容或光电池等器件来实现。

模拟信号隔离：在许多系统中，模拟信号必须隔离。模拟信号所考虑的电路参量完全不同于数字信号。

模拟信号通常先要考虑：精度或线性度、频率响应、噪声等。然后是对电源的要求，电源要求高隔离、高精度、低噪声，特别是对输入级。也应该关注隔离器放大器的基本精度或线性度不能依靠相应的应用电路来改善，但这些电路可降低噪声和降低输入级电源要求。

对信号隔离的另一问题是隔离放大器输入级所需的功耗。而隔离放大器的输入阻抗及自身的等效电阻是问题的关键所在。而输出级通常以机壳或地为基准，输入级通常浮动在另一个电位上。因此，输入级的电源也必须隔离。通常用一个单电源(5V/12V/15V/24V)，而不是理想中使用的正负双电源。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种有源模拟信号隔离放大器，用以解决现有技术中存在的不足。

实现本实用新型的技术方案是：这种有源模拟信号隔离放大器包括将模拟信号按比例进行隔离和转换的混合集成电路和辅助电源，以及少量外部元件，可实现模拟信号的隔离及变换；其主要技术是

A.辅助电源：输入的直流电源Vin经过滤波后，由C2、R1、Q1、Q2及变压器B1初级线圈形成的高频振荡电路，经B1电磁耦合后可产生两组隔离变换电压，其中一组电压经DD1-DD2整流，C6、C7滤波电路后形成一个比较稳定的与原电源充分隔离的直流正电源VD1和负电源VS1，用来给输入放大器运放提供正负双电源；该电源经ICl稳压和电容C8滤波后输出具有过载和短路保护的基准电源VREF1；

同样，经B1电磁耦合后产生的另一组隔离变换电压，其中一组电压经DD3-DD4整流，C3、C4滤波电路后形成一个比较稳定的与原电源充分隔离的直流正电源VD2和负电源VS2，用来给输出放大器运放提供正负双电源；该电源经IC2稳压和电容C5滤波后输出具有过载和短路保护的基准电源VREF2；

B.信号隔离放大：包含有电流信号调制解调电路、信号耦合隔离变换电路等，其中输入信号经过运算放大器U11以后，进入光电耦合器U12，经光电耦合器隔离后输出。

该技术方案还包括：

所述运算放大器U11的输出经电阻R11和电容C11接光电耦合器U12的5脚OUT1；光电耦合器U12放大端的9脚12-和15脚IN2+连接后经并联的电阻R21、电容C21接地U12放大端的10脚经电阻R25、电位器W2、电阻R22接U12的16脚IN2-；U12放大端的12脚OUT2经电位器W3、电阻R23跨接在16脚与电阻R22之间。

所述信号输入放大器的输入放大电路为：信号IN-和IN+分别接运算放大器的正负极，运算放大器的输出COM接电压V。

所述信号输入放大器的反相放大电路为：直流电源Vin经电阻R32、信号IN-接运算放大器的负极；运算放大器的正极经IN+、电阻R33接地；运算放大器的输出COM经电阻R31跨接在电阻R32与信号IN-之间。

所述信号输入放大器的同相放大电路为：直流电源Vin经电阻R33、信号IN+接运算放大器的正极；运算放大器的负极经IN-、电阻R32接地；运算放大器的输出COM经电阻R31跨接在电阻R32与信号IN-之间。

所述信号输出放大器的输出放大电路为：一运算放大器的输出接另一运算放大器的正极，该运算放大器的负极跨接在电阻R41与R42之间，其中R41接地，R42接光电耦合器的14脚反相输入端FB，该运算放大器的输出端接光电耦合器13脚VOUT。

所述信号输出放大器的输出放大调节电路为：一运算放大器的输出接另一运算放大器的正极，该运算放大器的负极跨接在电阻R41与R42之间，其中R41接地，R42经光电耦合器14脚反相输入端FB、电位器W4、光电耦合器13脚VOUT接该运算放大器的输出端。

所述24脚封装IC引脚定义为：1输入端隔离负电源VS1；2输入VSI、VDl零线GND1；3输入端隔离正电源VD1；4、5空脚NC；6辅助电源正极VD；7辅助电源负极GND2；8、9空脚NC；10输出端隔离负电源VS2；11输出VS2、VD2零线GND2；12输入端隔离正电源VD2；13信号隔离输出VOUT；14输出增益反馈调节FB；15信号输出零点调节ZA；16输出端用+5V基准VR2；17、18、19、20空脚NC；21输入端放大器输出COM；22信号输入正极Vin+；23信号输入负极Vin-；24输入端用+5V基准VR1。以及

所述12脚封装IC引脚定义为：1信号输入lin+；2信号输入GND；9、10信号输出lo-；11、12信号输出lo+。

本实用新型的有益效果是：该技术适用于工业控制、医疗设备、仪器仪表等系统中地电位有很大差别的电路设计中。具有性能集成的高水平使得跨越隔离屏障能实现从前做不到的更复杂的操作，实现了低成本、小体积、高精度、多功能。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理图。

图2是本实用新型的信号输入放大器的输入放大电路。

图3是本实用新型的信号输入放大器的反相放大电路。

图4是本实用新型的信号输入放大器的同相放大电路。

图5是本实用新型的信号输入放大器的输出放大电路。

图6是本实用新型的信号输入放大器的输出放大调节电路。

图7是本实用新型的24脚封装引脚定义图。

图8是本实用新型的12脚封装引脚定义图。

图9是本实用新型的电压输出内置电源隔离放大器原理框图。

图10是本实用新型的电流输出内置电源隔离放大器原理框图。

图11是本实用新型的隔离放大器应用接线原理图。其中输入和输出放大器都为跟随方式，R1、R2和W2为调零电路，R3和W3(多圈电位器)为增益调节电路。

图12是本实用新型的应用实例(一)。

图13是本实用新型的应用实例(二)。

具体实施方式

有源型IC是在同一芯片上集成了一个高隔离的DC/DC电源及高性能线性光电偶合器的混合集成电路。该芯片除了为内部放大电路供电外，还可以向外部(信号输入与输出端)提供两组隔离的正、负直流电源和两组的5VDC稳压基准源，专供外部电路扩展用，如电桥电路、小信号前置放大电路等用户专用电路。该IC体积小，使用非常方便，只需很少外部元件即可实现模拟信号的(I/I、I/V、V/I、V/V)隔离及变换功能。该技术具有宽信号宽带20KHZ，可对0～±10VDC双向直流信号或0～5VAC的交流信号进行隔离、调理和变换。

本技术的特性：

精度等级：0.1级、0.2级、0.5级；

全量程范围内极高的线性度(非线性度<0.2％>；

国际标准信号：0-10Ma/0-20Ma/4-20Ma/0-5V/0-10V/0-±5V/1-5V输入/输出。具有低输入抗组和输出高负载能力；

信号输入/输出/辅助电源之间3KV 三隔离；

单电源供电，可为用户在信号输入和输出端提供隔离电源；

低成本，小体积，标准单列SIP12和双列DIP24脚IC封装；

工业级工作温度范围，符合UL-94标准的阻燃材料真空灌封。

Claims

1.一种有源模拟信号隔离放大器，包括将模拟信号按比例进行隔离和转换的混合集成电路和辅助电源，以及少量外部元件，可实现模拟信号的隔离及变换；其特征是

A.辅助电源：输入的直流电源Vin经过滤波后，由C2、R1、Q1、Q2及变压器B1初级线圈形成的高频振荡电路，经B1电磁耦合后可产生两组隔离变换电压，其中一组电压经DD1-DD2整流，C6、C7滤波电路后形成一个比较稳定的与原电源充分隔离的直流正电源VD1和负电源VS1，用来给输入放大器运放提供正负双电源；该电源以IC1稳压和电容C8滤波后输出具有过载和短路保护的基准电源VREF1；

2.如权利要求1所述的一种有源模拟信号隔离放大器，其特征是所述运算放大器U11的输出经电阻R11的电容C11接光电耦合器U12的5脚OUT1；光电耦合器U12放大端的9脚12-和15脚IN2+连接后经并联的电阻R21、电容C21接地；U12的放大端的10脚经电阻R25、电位器W2、电阻R22接U12的16脚IN2-；U12放大端的12脚OUT2经电位器W3、电阻R23跨接在16脚屯电阻R22之间。

3.如权利要求1所述的一种无源模拟信号隔离放大器，其特征是所述信号输入放大器的输入放大电路为：信号IN-和IN+分别接运算放大器的正负极，运算放大器的输出COM接电压V。

4.如权利要求1所述的一种无源模拟信号隔离放大器，其特征是所述信号输入放大器的反相放大电路为：直流电源Vin经电阻R32、信号IN-接运算放大器的负极；运算放大器的正极经IN+、电阻R33接地；运算放大器的输出COM经电阻R31跨接在电阻R32与信号IN-之间。

5.如权利要求1所述的一种无源模拟信号隔离放大器，其特征是所述信号输入放大器的反相放大电路为：直流电源Vin经电阻R33、信号IN+接运算放大器的正极；运算放大器的负极以IN-、电阻R32接地；运算放大器的输出COM经电阻R31跨接在电阻R32与信号IN-之间。

6.如权利要求1所述的一种无源模拟信号隔离放大器，其特征是所述信号输入放大器的反相放大电路为：一运算放大器的输出接另一运算放大器的正极，该运算放大器的负极跨接在电阻R41与R42之间，其中R41接地，R42接光电耦合器14脚反相输入FB、该运算放大器的输出端接光电耦合器13脚VOUT。

7.如权利要求1所述的一种无源模拟信号隔离放大器，其特征是所述信号输出放大器的输出放大调节电路为：一运算放大器的输出接另一运算放大器的正极，该运算放大器的负极跨接在电阻R41与R42之间，其中R41接地，R42经光电耦合器14脚反相输入FB、电位器W4、光电耦合器13脚VOUT接该运算放大器的输出端。

8.如权利要求1所述的一种无源模拟信号隔离放大器，其特征是所述24脚封装IC引脚定义为：1输入端隔离负电源VS1；2输入VS1、VD1零线GND1；3输入端隔离正电源VD1；4、5空脚NC；6辅助电源正极VD；7辅助电源负极GND2；8、9空脚NC；10输出端隔离负电源VS2；11输出VS2、VD2零线GND2；12输入端隔离正电源VD2；13信号隔离输出VOUT；14输出增益反馈调节FB；15信号输出零点调节ZA；16输出端用+5V基准VR2；17、18、19、20空脚NC；21输入端放大器输出COM；22信号输入正极Vin+；23信号输入负极Vin-；24输入端用+5V基准VR1。

9.如权利要求1所述的一种无源模拟信号隔离放大器，其特征是所述12脚封装IC引脚定义为：1信号输入Lin+；2信号输入GND；9、10信号输出Io-；11、12信号输出Io+。