1、第8章 隔离放大器电路设计8.1 隔离放大器电路基础8.2 隔离放大器和应用电路例8.3 数字隔离器8.1 隔离放大器电路基础隔离放大器电路基础8.1.1 电路隔离的必要性 n1 电路隔离的必要性电路隔离的必要性 n隔离就是将一部分物体、电路与其他部分中的非理想环境的影响分离开来。在电子电路中，采用电介质，通过阻断直流电(DC)实现电路隔离。n采用隔离电路的主要原因是保护电路不受危险电压和电流的损坏。8.1 隔离放大器电路基础隔离放大器电路基础图1 电源和病人之间可能的电路通路 图2 高压和低压电路之间的隔离图3 设备之间的接地电压差8.1 隔离放大器电路基础隔离放大器电路基础8.1 隔离放大
2、器电路基础隔离放大器电路基础8.1.2 常用的电路隔离技术n1.光耦合隔离技术光耦合隔离技术n光耦合隔离技术是在透明绝缘隔离层(例如：空气间隙)上的光传输，以达到隔离目的。光耦合器光耦合器 n2电感耦合隔离技术电感耦合隔离技术 n电感耦合隔离技术使用两个线圈之间的变化磁场在一个隔离层上进行通信。最常见的例子就是变压器，其磁场大小取决于主级和次级绕组的线圈结构(匝数/单位长度)、磁芯的介电常数，以及电流振幅。ADuM1100是是ADI推出的推出的iCoupler技术的一个例子技术的一个例子 n3电容耦合隔离技术电容耦合隔离技术 n电容耦合隔离技术是在隔离层上采用一个不断变化的电场传输信息，示意图
3、如下图所示。各电容器极板之间的材料是一个电介质隔离器，并形成隔离层。该极板尺寸、极板之间的间隔和电介质材料等都决定着电气性能。TI推出的推出的ISO72x系列隔离器采用电容耦合技术系列隔离器采用电容耦合技术 8.1 隔离放大器电路基础隔离放大器电路基础8.1.3 隔离器的技术特性1两端隔离电压 8.1 隔离放大器电路基础隔离放大器电路基础8.1.3 隔离器的技术特性2瞬态抗扰度隔离层的分布电容提供了一个瞬态信号通道，使瞬态信号可以穿过隔离层，并破坏输出波形。8.1 隔离放大器电路基础隔离放大器电路基础8.1.3 隔离器的技术特性3自动防护 自动防护是指在输入损耗状态下一个确定的或已知的输出状态
4、。例如，ISO72x系列使用一个周期脉冲来确定输入结构是否有电，并且是否正在工作。如果隔离器的输出端在4s以后没有接收到一个脉冲，那么该输出被设置为一个高状态。8.1 隔离放大器电路基础隔离放大器电路基础8.1.3 隔离器的技术特性4功耗除了隔离层上信号传输的效率之外，输入和输出调节电路的设计与功耗的相关性最大。与电感耦合或电容耦合相比，光耦合器的功耗会更高。例如，ISO721（电容耦合）功耗21.5mW，ADuM1100（电感耦合）功耗1.2mW，HCPL-0723（光耦合）功耗137.5mW。8.1 隔离放大器电路基础隔离放大器电路基础8.1.3 隔离器的技术特性5可靠性故障前平均工作时间
5、(MTTF)是半导体设备可靠性的标准测量方法。对于数字隔离器而言，这种测量表示集成电路和隔离机制的可靠性。与电感耦合及光耦合技术相比，电容耦合的可靠性相对高一些。8.1 隔离放大器电路基础隔离放大器电路基础8.1.3 隔离器的技术特性6外部磁场抗扰度 对比电感耦合或电容耦合的磁场抗扰度，相对来说电容耦合可以提供更大的裕度。而采用光耦合隔离层电路对外部磁场具有内在的磁化抗扰度。8.2 隔离放大器和应用电路例8.2.1 隔离可编程放大器电路 n1.ISO120/121的主要技术性能与特点的主要技术性能与特点nISO120/121是TI公司生产的（原BURR-BROWN公司）隔离放大器电路，隔离电压
6、：ISO120为1500V（有效值），ISO121为3500V（有效值）；共模抑制比典型值为115dB（60Hz时）；最大非线性为0.01%；载频可由用户控制，具有外同步能力；双极性工作，VO10V；电源电压范围为4.518V，电流消耗为5.5mA；工作温度范围为55+125。n2.ISO120/121的引脚功能与封装形式的引脚功能与封装形式nISO120采用 DIP-24封装，ISO121采用 DIP-40封装，引脚封装形式如图所示，图中引脚端数字分别表示ISO120和ISO121引脚端。引脚端功能：+V S1和V S1为初级电源电压正端和负端，Gnd 1为初级地，V IN为初级信号输入，E
7、xt Osc为外部振荡器输入，Com 1为初级信号地，C 1H和C 1L为初级调制器电容，+V S2和V S2为次级电源电压正端和负端，Com 2为次级信号地，Gnd 2为次级地，Sense为次级反馈端，V OUT为次级电压输出，C2H和C2L次级解调器电容。基于ISO120/121的隔离放大器电路ISO120/ISO121的引脚封装形式n3.ISO120/121的内部结构的内部结构n ISO120/ISO121的内部结构方框图如图所示，芯片内部包含有输入放大器、调制器、解调器、输出缓冲器、隔离栅等电路，输入（初级）与输出（次级）之间可以完全隔离。ISO120/ISO121的内部结构方框图n4
8、.ISO120/121的应用电路的应用电路n（1）调制器与解调器电容C1和C2选择n推荐的ISO120/ISO121的调制器与解调器电容C1和C2数值与时钟频率的关系表。n（2）增益调节）增益调节nISO120/ISO121的增益调节电路如图所示，增益为 ISO120/ISO121的增益调节电路n（3）失调调节）失调调节nISO120/ISO121的失调调节电路如图所示。ISO120/ISO121的失调调节电路n（5）电源和信号连接）电源和信号连接nISO120/ISO121的电源与信号连接方式如图所示。ISO120/ISO121的电源与信号连接方式n（6）外部时钟驱动隔离电路）外部时钟驱动隔
9、离电路nISO120/ISO121的外部时钟驱动隔离电路如图所示，采用光耦合器隔离时钟信号 ISO120/ISO121的外部时钟驱动隔离电路n（7）420mA电流环驱动电路电流环驱动电路nISO120/ISO121构成的420mA电流环驱动电路如图所示。ISO120/ISO121构成的420mA驱动器电路n（8）电力线监测电路）电力线监测电路nISO120/ISO121构成的电力线监测电路如图所示。ISO120/ISO121构成的电力线监测电路n（9）ECG（Electrocardiograph，心电图）放大器，心电图）放大器nISO120/ISO121构成的ECG放大器电路如图所示。ISO120/ISO121构成的ECG放大器电路
