利用光耦实现模拟隔离放大电路的原理及设计

利用光耦实现模拟隔离放大电路的原理及设计

    本文提出了一种新的隔离放大器的设计方案，该方案结构简单，且选用通用器件，易于实现。通过将本电路与AD公司的AD210AN集成模拟隔离放大器进行实验对比。本隔离放大电路在带宽上要优于集成模拟隔离放大器。

隔离放大器按传输信号的类型。可以分为模拟隔离和开关隔离放大器。模拟隔离放大器的生产商和产品种类均较少，且产品价格比较昂贵。开关隔离放大器的生产商较多，产品种类也多，价格较低，相对便宜。高价位的模拟隔离放大器限制了其应用范围。而文献[2]中提到的双通道隔离放大器结构复杂。且对隔离间距有较高的要求，而文献[3]中所提到的光电耦合隔离放大器则对元器件参数有较高的要求。文献[4]中提到的隔离放大器对隔离器件间距也有特殊要求。

1 新型电路原理
    图1所示是笔者设计的隔离放大器的原理电路。本隔离放大电路主要由光电耦合器和运算放大器构成。光电耦合器选用普通光耦TLP521，运算放大器则选择通用运算放大器LF353。通过这两种普通器件的搭配.所得到的隔离放大器性能和专用模拟隔离放大器的性能相近。

    图1所示是放大器加普通光耦组成的隔离放大电路。本隔离放大电路由输入和隔离输出两部分构成，且两部分使用隔离的电源(Vcc1、Vee1和Vcc2、Vee2供电。输入部分由运放U1，电阻R1、R2、R3、R4、R5， 电容C1、C2， 光电耦合器OPT1、OPT2、OPT3、OPT4的发光二极管部分OPT1_A、OPT2_A、OPT3_A、OPT4_A和OPT1、OPT3的光敏三极管部分OPT1_B、OPT3_B组成，由正电源Vcc1和负电源Vee1供电。OPT1_A、OPT2_A和OPT3_A、OPT4_A的电流构成差动放大输入。R1和R2为运放的输入电阻，R3和R4可为四个光耦的发光二极管(LED)提供偏置和控制电流。运放U1和光耦OPT1、OPT3组成了一个射级跟随器，R5上的电压即为运放的输入电压。
 
    运放的带宽决定着构成隔离放大器的带宽。现有的集成模拟隔离放大器的带宽均在100 kHz以下，而常用运放的带宽是这个带宽的几倍到几十倍。因此，本设计选用一般的运放就可以满足输入部分的带宽要求。所以，输入级的运算放大器可选用普通运放(如LF353)。R7和C3用来滤波。    本电路的隔离输出部分由OPT2、OPT4的光敏三极管OPT2_B、OPT4_B、电位器W1和输出电阻R6组成。OPT2_B和OPT4_B为隔离输出，它的电路结构和输入部分的光敏三极管相似，用于为输出级提供电流。电位器W1用来调零。而两部分光耦的电流传输比有偏差时，就会造成光耦LED电流相等而输出级电流差不相同，从而使输出电压vo的零点产生漂移。因此，调节电位器W1可以消除这种由于光耦器件特性偏差所带来的零点漂移。R6为输出负载，它和电位器W1共同决定输出电压vo。由此可知，本设计选用普通光耦即可(如东芝公司的光电耦合器TLP521)。

2 AD210AN集成放大器
    AD210AN是AD公司的集成模拟隔离放大器芯片。在该隔离放大电路中，AD210的16、17两引脚连接在一起，可实现信号跟踪功能。18、19两引脚之间通过电阻Ra接信号源Vs，18脚和Vs共地。脚1和脚2为输出引脚，Rb为输出负载电阻(使用时可选Ra=Rb=1 kΩ)。该电路可实现1:1的隔离传输功能。

3 实验验证
    在对本电路进行测试中，选取Vcc1=Vcc2=12V，Vee1=Vee2=-12 V， R1=R2=18 kΩ， R3=R4=3.2kΩ，Rs=R6=5 kΩ，W1=100 kΩ，C1=C2=0.01 uF，运放使用LF353，光耦使用TLP521。
    AD210的测试电路如图2所示。在相同的测试条件为：给输入端加频率为0～10 kHz、峰-峰值为10 V的正弦信号，然后测试输出部分的输出波形。

 
图2 AD210测试原理图
    图3和图4分别为新电路和AD210的输入输出电压波形图。其中横轴为时间，纵轴为输出电压幅值。由实验可以看出，在输入频率为1 kHz时，本隔离电路和集成模拟隔离放大器AD210具有相同的线性度和相同的传输延时。但在高频端时，本电路的传输延时要远小于集成隔离放大电路的传输延时。由图3可知，在40kHz时，本电路的相位差约为14°。此时的输出电压和输入电压没有发生畸变，为线性传输。而集成模拟隔离放大器在10 kHz时的传输延时约为72°。可见，本隔离放大电路的传输带宽要优于集成模拟隔离放大器。

 
图3 本新型电路的输入输出电压波形(fin为40 kHz)

 
图4 AD210的输入输出电压波形(fin为10 kHz)
    表1为本隔离放大器和专用模拟隔离放大器AD210以及ISO124在性能上的比较。
 

    其中，隔离电压、隔离阻抗为光耦TLP521的给定参数；输入阻抗、电源电压、输入电压范围为运算放大器LF353的给定参数；单位增益带宽、输出电压范围为实际测量值。
    从表1可以看出，本隔离放大器在有些方面与集成模拟隔离放大器相同（如隔离电压、输入阻抗）。在小信号带宽方面和输出电压范围上要比集成隔离放大器略差。而当频率升高时，输出电压幅值增大则是需要进一步研究的问题。　

4 结束语
    本文提出了一种使用四光耦实现模拟隔离放大电路的新方案。该方案电路结构简单，易于实现，价格低廉。通过与集成模拟隔离放大器AD210的比较实验表明，本隔离放大器的性能优良，有很好的应用前景.