模擬信號(hào)隔離應(yīng)用中隔離放大器設(shè)計(jì)的黃金法則簡(jiǎn)介

在電機(jī)和電子設(shè)計(jì)中經(jīng)常需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行隔離。模擬信號(hào)可以承載代表電壓、電流、溫度、壓力、位置和流量等物理世界的信息，這些模擬信號(hào)通常必須在具有較大電平差，或者模塊接地面間具有感應(yīng)電氣噪聲的場(chǎng)合，由一個(gè)電路模塊傳送到另一個(gè)。這些常見(jiàn)的電路問(wèn)題可能會(huì)影響數(shù)據(jù)的精確性、破壞測(cè)量系統(tǒng)，甚至于威脅到使用者的安全。

隔離放大器提供了一個(gè)可以解決這些問(wèn)題的簡(jiǎn)單且高性價(jià)比的方案。這個(gè)方案通過(guò)采用Sigma-Delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器和光電耦合技術(shù)，在電氣隔離屏障后精確地重建輸入信號(hào)。采用微型化可自動(dòng)插入封裝供貨，使用這些隔離放大器進(jìn)行設(shè)計(jì)就如同將信號(hào)連接到輸入并取得隔離后輸出一樣簡(jiǎn)單(參見(jiàn)圖1)。

圖1：隔離放大器在模擬信號(hào)隔離電路中的使用。

部分使用隔離放大器的應(yīng)用包括模數(shù)轉(zhuǎn)換接口、熱電偶和轉(zhuǎn)換器等感應(yīng)電路、病患監(jiān)測(cè)設(shè)備、電機(jī)速度和位置測(cè)量電路、音頻和視頻放大器，以及電源供應(yīng)器中的電壓反饋等。圖2顯示了隔離放大器應(yīng)用在電機(jī)控制系統(tǒng)中作為電流傳感器的典型應(yīng)用，基于這個(gè)電路，我們將討論幾個(gè)“應(yīng)該和不應(yīng)該”的做法，幫助大家利用隔離放大器輕松實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)隔離設(shè)計(jì)。

圖2：電機(jī)控制電路中使用的隔離放大器電流傳感器。

電源供電

應(yīng)該為隔離放大器VDD1和VDD2提供獨(dú)立電源 在圖2的電路中，來(lái)自于高壓(或高電位)端的信號(hào)必須和低壓(低電位)端隔離，同樣的VDD1和VDD2電源也一樣需要隔離。在這個(gè)例子中，高電壓端電源VDD1可以由推動(dòng)高電壓端功率晶體管的電源供應(yīng)器取得，而在低電壓端，VDD2則可以連接到通常會(huì)和交流市電隔離的控制器電源。同樣的，GND1和GND2也應(yīng)該各自獨(dú)立。

不應(yīng)該忽略VDD1和VDD2的旁路電容 ACPL-C78X使用Sigma-Delta過(guò)采樣技術(shù)將模擬輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為可以通過(guò)光學(xué)屏障傳送的高速位流，在輸出端，這個(gè)位流再通過(guò)模擬濾波器過(guò)濾并重建輸入信號(hào)。需要旁路電容的主要原因在于隔離放大器中信號(hào)的高速數(shù)字特性。在印刷電路板上，旁路電容C1和C3必須盡可能地接近各自的隔離放大器引腳。

注應(yīng)該意電源接腳上的電壓瞬變 電源連接線上過(guò)大的電壓瞬變可能造成電氣過(guò)載情況下器件的損壞，電源引腳上的浪涌也可能會(huì)觸發(fā)器件進(jìn)入鎖定(latch-up)狀態(tài)。除了在電源引腳上連接旁路電容外，也可以通過(guò)其他方式來(lái)減輕電源上的噪聲和紋波，例如在穩(wěn)壓器的輸入上串接一個(gè)電阻或電感，就可以和穩(wěn)壓器的輸入旁路電容形成一個(gè)低通濾波器來(lái)減輕紋波。

連接輸入端

應(yīng)該在輸入端加入RC抗混疊濾波器 在輸入端加入抗混疊濾波器，如圖2中由R2和C2所構(gòu)成的RC低通濾波器，可以避免高頻噪聲混疊到較低頻率，造成輸入信號(hào)的干擾。RC低通濾波器也在可靠性上扮演了非常重要的角色，它可以有效減輕靜電放電和電氣過(guò)載時(shí)流經(jīng)隔離放大器輸入電路的瞬變浪涌。

應(yīng)該采用差動(dòng)輸入模式以取得較佳共模噪聲抑制能力 在圖2中，ACPL-C78X采用了單端輸入方式連接。由于該隔離放大器擁有全差分式輸入結(jié)構(gòu)，因此建議使用差分輸入連接方式，如圖3中的平衡輸入模式來(lái)取得較好的性能。兩根引腳上信號(hào)取樣時(shí)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作所帶來(lái)的輸入電流會(huì)在濾波器電阻上取得平衡并且相互抵消，感應(yīng)到其中任何一根引腳上的噪聲會(huì)通過(guò)電容C耦合到另一根而形成共模噪聲，隔離放大器對(duì)此共模噪聲加以抑制從而防止其對(duì)輸出信號(hào)造成干擾。RA和RB的典型值為22Ω，C則為10nF。

圖3：經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化的差分輸入連接。