利用光耦實現模擬隔離放大電路的原理及設計

??? 本文提出了一種新的隔離放大器的設計方案，該方案結構簡單，且選用通用器件，易于實現。通過將本電路與AD公司的AD210AN集成模擬隔離放大器進行實驗對比。本隔離放大電路在帶寬上要優于集成模擬隔離放大器。

隔離放大器按傳輸信號的類型。可以分為模擬隔離和開關隔離放大器。模擬隔離放大器的生產商和產品種類均較少，且產品價格比較昂貴。開關隔離放大器的生產商較多，產品種類也多，價格較低，相對便宜。高價位的模擬隔離放大器限制了其應用范圍。而文獻[2]中提到的雙通道隔離放大器結構復雜。且對隔離間距有較高的要求，而文獻[3]中所提到的光電耦合隔離放大器則對元器件參數有較高的要求。文獻[4]中提到的隔離放大器對隔離器件間距也有特殊要求。

1 新型電路原理
??? 圖1所示是筆者設計的隔離放大器的原理電路。本隔離放大電路主要由光電耦合器和運算放大器構成。光電耦合器選用普通光耦TLP521，運算放大器則選擇通用運算放大器LF353。通過這兩種普通器件的搭配.所得到的隔離放大器性能和專用模擬隔離放大器的性能相近。

??? 圖1所示是放大器加普通光耦組成的隔離放大電路。本隔離放大電路由輸入和隔離輸出兩部分構成，且兩部分使用隔離的電源(Vcc1、Vee1和Vcc2、Vee2供電。輸入部分由運放U1，電阻R1、R2、R3、R4、R5， 電容C1、C2， 光電耦合器OPT1、OPT2、OPT3、OPT4的發光二極管部分OPT1_A、OPT2_A、OPT3_A、OPT4_A和OPT1、OPT3的光敏三極管部分OPT1_B、OPT3_B組成，由正電源Vcc1和負電源Vee1供電。OPT1_A、OPT2_A和OPT3_A、OPT4_A的電流構成差動放大輸入。R1和R2為運放的輸入電阻，R3和R4可為四個光耦的發光二極管(LED)提供偏置和控制電流。運放U1和光耦OPT1、OPT3組成了一個射級跟隨器，R5上的電壓即為運放的輸入電壓。
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??? 運放的帶寬決定著構成隔離放大器的帶寬。現有的集成模擬隔離放大器的帶寬均在100 kHz以下，而常用運放的帶寬是這個帶寬的幾倍到幾十倍。因此，本設計選用一般的運放就可以滿足輸入部分的帶寬要求。所以，輸入級的運算放大器可選用普通運放(如LF353)。R7和C3用來濾波。??? 本電路的隔離輸出部分由OPT2、OPT4的光敏三極管OPT2_B、OPT4_B、電位器W1和輸出電阻R6組成。OPT2_B和OPT4_B為隔離輸出，它的電路結構和輸入部分的光敏三極管相似，用于為輸出級提供電流。電位器W1用來調零。而兩部分光耦的電流傳輸比有偏差時，就會造成光耦LED電流相等而輸出級電流差不相同，從而使輸出電壓vo的零點產生漂移。因此，調節電位器W1可以消除這種由于光耦器件特性偏差所帶來的零點漂移。R6為輸出負載，它和電位器W1共同決定輸出電壓vo。由此可知，本設計選用普通光耦即可(如東芝公司的光電耦合器TLP521)。

2 AD210AN集成放大器
??? AD210AN是AD公司的集成模擬隔離放大器芯片。在該隔離放大電路中，AD210的16、17兩引腳連接在一起，可實現信號跟蹤功能。18、19兩引腳之間通過電阻Ra接信號源Vs，18腳和Vs共地。腳1和腳2為輸出引腳，Rb為輸出負載電阻(使用時可選Ra=Rb=1 kΩ)。該電路可實現1:1的隔離傳輸功能。

3 實驗驗證
??? 在對本電路進行測試中，選取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，運放使用LF353，光耦使用TLP521。
??? AD210的測試電路如圖2所示。在相同的測試條件為：給輸入端加頻率為0～10 kHz、峰-峰值為10 V的正弦信號，然后測試輸出部分的輸出波形。

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圖2 AD210測試原理圖
??? 圖3和圖4分別為新電路和AD210的輸入輸出電壓波形圖。其中橫軸為時間，縱軸為輸出電壓幅值。由實驗可以看出，在輸入頻率為1 kHz時，本隔離電路和集成模擬隔離放大器AD210具有相同的線性度和相同的傳輸延時。但在高頻端時，本電路的傳輸延時要遠小于集成隔離放大電路的傳輸延時。由圖3可知，在40kHz時，本電路的相位差約為14°。此時的輸出電壓和輸入電壓沒有發生畸變，為線性傳輸。而集成模擬隔離放大器在10 kHz時的傳輸延時約為72°。可見，本隔離放大電路的傳輸帶寬要優于集成模擬隔離放大器。

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圖3 本新型電路的輸入輸出電壓波形(fin為40 kHz)

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圖4 AD210的輸入輸出電壓波形(fin為10 kHz)
??? 表1為本隔離放大器和專用模擬隔離放大器AD210以及ISO124在性能上的比較。
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??? 其中，隔離電壓、隔離阻抗為光耦TLP521的給定參數；輸入阻抗、電源電壓、輸入電壓范圍為運算放大器LF353的給定參數；單位增益帶寬、輸出電壓范圍為實際測量值。
??? 從表1可以看出，本隔離放大器在有些方面與集成模擬隔離放大器相同（如隔離電壓、輸入阻抗）。在小信號帶寬方面和輸出電壓范圍上要比集成隔離放大器略差。而當頻率升高時，輸出電壓幅值增大則是需要進一步研究的問題。　

4 結束語
??? 本文提出了一種使用四光耦實現模擬隔離放大電路的新方案。該方案電路結構簡單，易于實現，價格低廉。通過與集成模擬隔離放大器AD210的比較實驗表明，本隔離放大器的性能優良，有很好的應用前景.