仪器电路[4]_特殊放大电路解读

ò (i
in
+ ic ) = 0
3. 光耦
光耦 之 线形光耦
Uo=Ui R3=R2
前提条件：G1和G2性能一致
I2=f(I1); I3=f(I1)I2=I3
4. 变压器隔离
Vi 调制器 解调器
Vo
一个简单的调制的例子：
V (1 sin t )cos 0t
Ω0》ω
隔离放大器的有关参数
隔离电容Ciso
• 隔离器件的寄生电容应该越小越好。一个 10pF的电容，在10MHz的情况下的等效阻 抗可以等于：
1 1 Xc 16k 7 2 fCISO 2 (10 Hz )(10 pF )
隔离抑制比
• 隔离抑制比(IMR（IMR, Isolation Mode Rejection)： IMR是一种度量隔离器件对隔离电压抑制性能的指标。 隔离电压(VIM参见图1）将在输出端产生一个干扰输 出。例如，一个直流隔离抑制比为160dB的器件，当隔 离电压为1000VDC的时候，在输出端所产生的误差为： 103/108=10-5。即10uV。
3
推导过程
R4 2 R2 RW R4 vo (vb va )( ) (v2 v1 )( )( ) R3 RW R3
屏蔽层驱动
[(V+)+(V-)]/2
1. 开关电容耦合
3. 光耦
瞬态抑制(Transient Immunity)
• 瞬态抑制(Transient Immunity). 这个参数描述了器件 对快变共模信号的抑制能力。如图2所示，在两个地之 间加一快速上升的电压，当电压的幅值足够大、上升 得足够快的时候，输出端会产生一个理想状态下不应 该有的输出。实践证明这个值的大小与输入电压的变 化率有关。把输出峰值为50mV的情况下输入端电压的 变化率就看成是顺态抑制能力指标。 ISO130 具有一个 至少10 kV/s 的顺态抑制指标。 一个光耦合方式下的隔 离放大器。
仪器电路 特殊信号放大电路
冯志华 中国科学技术大学精密机械系 2008年秋
差动放大器
主要缺点：输入阻抗低；电阻匹配困难；共模抑制比不容易做高
va
差动放大器
R3
R4
+
vo
R4
R3
vb
R4 ( vb va )( ) vo R3
va ( R4 R4 R ) vb ( )(1 4 ) vo R3 R4 R3 R3
va vb vb 2 R R Ra v2 2 w vb va vb Ra va vb RW v1 2 R2 Rw 2 R2 Rw va vb R RW v1 v2 (vb va )( 4 ) vo 2 R2 Rw R
Vi
+
Vo
v1
Rw
+ R2
R2 +
va
R3
R4
+
vo
R4
仪器放大器 (IA)
R3
v2
vb
差动放大器
全差动放大器
2 R2 R4 va vb Vo (1 ) (V2 V1 ) Rw R3 vb 2 R R R2 v2 2 w va vb ( R2 RW ) v1 vb 2 R2 Rw R4 R4 R4 ) vb ( )(1 ) vo va ( R3 R4 R3 R3
Capacitive Sensor INA116 Vo
+
100 M 100 M R1 100 M R2
隔离放大的概念
1、对高压部分的监测； 2、肌电、脑电等的测量； 3、工业现场的远程监测； 4、电路中不同电位的转换 输入电路 反相端 输出电路
直流？
+
输出端 输出公共端
同相端
Байду номын сангаас
输入公共端
共模抑制比
• 共模抑制比（CMMR）：共模抑制比表示器件对共模 信号的抑制能力。它只表示前端放大部分对共模信号 的抑制能力，定义与一般电子线路里的一致。
5B系列隔离放大器的框图
习题
使用仪器放大器可以对微弱的信号进行放大。分析 图中C1,C2,R1,R2的作用;R1、R2的大小由哪些因素 决定？
C1
1000V
VIM
0V
50mV PERTUREATION (DEFINITION FAILURE)
VOUT
0V
在隔离栅两端施加一个1000V的脉冲在输出端得到的对 应波动必须小于50mV才能通过T.I测试
C2
习题
L3
分析导线L3的作用。如果热源有一个共地电势并与热电偶形成电接触，分析导线L3 与热电偶连接点的位置及导线本身的电阻对测量误差的影响。
（后面 的内容 为备用资料）
+Vs
2 3 11 12 13 16 1
+
8
AD524
7
10 9 6
LOAD TO POWER SUPPLY GROUND
提供直流通道的例子1
Crystal or Ceramic Transducer
INA116
+
100 M R2
Vo
100 M R1
Ri1 Ri2
Vcm Ci1 C1 C2 Vo
Ci2
vin j( RS1C1 RS 2C2 )UCM
习题
1uA=6.24146×1012 个电子/秒 1pA=6.24146×106 个电子/秒 1fA=6.24146×103 个电子/秒 1aA=6.24146个电子/秒 1库仑相当于6.24146×1018 1000uF的电容，用INA116测量， 10年下降1V INA116 基极电流 3fA 1.8万个电子/秒
1. 开关电容耦合
2. 电容隔离栅
Ic
调制器 解调器
ISO124使用了比较有特色的调制与解调方 式。载波频率在500kHz左右。A1构成一个积 分器，采用反向端输入方式，在动态平衡的 情况下，忽略基极电流的影响，必有：
否则在积分器的输出端就会产生一个很大的积分效应输出电压，但 这是不可能存在的。设ic为恒流源部分对A1的反向输入端产生的等 效电流，且设占空比增大时的电流方向是流出积分器，设α 为矩形波 的占空比。iin为Vin在输入端产生的电流；这样： vin [ ò Rin + IC (0.5 - a )]dt = 0 vin vin a = 0.5 + = 0.5 + vin = - IC (0.5 - a ) Rin I C Rin 20 因此这是一个PWM调制方式。输入电压的大小会控制方波的占空比， 这里电压的输入范围为-10V到+10V，输出占空必为0到100%。 解调器 解调器的基本工作原理可用上面对调制器的分析方法进行分析。输 出端采用了采样保持电路，主要是为了消除解调过程中的寄生电压纹 波。
R1 + -
va
R3
R4
R2
R2 + R3
Vi
v2
+
R4
vo vref
vb
电源地
-Vcc +Vcc
四线法
－－消除了引线上的压降
v1
R1 + R2 R2 + R3
va
R3
R4
Vi v2
+ R4
vo vref
vb
电源地
-Vcc +Vcc
提供直流通道的例子2
Polarizing Voltage
100 M
仪用放大器的特点
1. 差动输入且输入阻抗很高 2. 结构对称，适宜于集成化，能达到很高的共模抑 制比和较小的温度系数 3. 放大倍数调整容易 现有单片集成仪用放大器: AD621 AD623， INA116 INA125等，在仪器中得到广泛的应用
AD524的内部结构
四线法-----两线的缺点
v1
隔离耐受电压（VISO）
也叫介电耐受电压，它与器件使用的绝缘材料、 封装形式有关。一般均具有740V---7.5kV的电压。 隔离电压的测试是很严格的，按照UL规范，一种 常用的方法是，在输入与输出端加一个60Hz的交流 电压，其大小为：2Viso, 测试时间是60秒。
寄生电阻（RISO）
在输入和输出之间等效的直流电阻。测试时所 加的电压不能大于隔离电压。
- Vs
b.Thermocouple
+Vs
2 3 11 12 13 16 1
+
8 10 9 6
AD524
7
LOAD TO POWER SUPPLY GROUND
- Vs
c.AC Coupled Figure 34. Indirect Ground Returns for Bias Currents