隔离放大器

2.8.1电荷放大器的基本原理
电荷放大器，是一种输出电压正比于 输入电荷的一种放大器 。通常是用来 放大压电传感器所产生的电荷量。
压电传感器可用一个与电容Cq、电阻 Rq，相并联的电荷源来等效。
等效电路如下图所示
等效电路
Q V
Cq
由于压电传感器的泄漏电 阻荷能Rq较很长大时，间所保以存产。生但的如电
+U1
ISO100 10
+U2
2 7 Rf
R1 15
-
+
A
+
uI
16
i1
i2
-
A
3
+
+
8
uo
-
17 IREF1
VD1
LED VD2
IREF2 9
-
12
18
-U1
4 -U2
它有一个发光二极管LED和两个光电二极管 D1，D2。两个光电二极管与发光二极管紧
紧靠在一起，光匹配性良好，参数对称。 D1的作用是从LED的信号中引入反馈；D2 的作用是将LED的信号进行隔离传送。
在理想运放条件下，输入电流I等于反馈电流， 所以
I
(V1Vo)(jCf
1 Rf
)
[V1(AoV1)](jCf
1) Rf
V1[j(1Ao)Cf (1Ao)R 1f ]
等效电路
用节点电压法可求得
V1[R 1(1Ao)R 1f ]j Q j[C(1Ao)Cf]
输出：
V oA o V 1[R 1(1A o)R 1 fj] Q j o [C A (1A o)C f]
2、最大安全差动输入
定义为可以跨接在两输入端的最大安全 电压。如隔离放大器的输入端内部有保 护电阻， 则该电压可高达百伏以上，否 则仅为±13V左右。有瞬态高压的信号 源时，该参数很重要。
3、共模抑制比
分两种：1.为输入端到护卫端的共模抑 制比CMRRIN，2.输入端到输出端的共模 抑制比CMRRIO
隔放的共模误差为CMRRIN和CMRRIO所 造成的误差之和。
4、漏电流
定义为市电加在输出端与系统地 （输出地）之间时，在输入端的 最大电流。（在生物医学、医疗 设备应用时需要注意）
5、输入噪声
隔离放大器内部噪声折算到输入 端的总噪声
6、隔离电源
隔离放大器可向外部电路提供的、 与供电电源完全隔离的电源。一 般为正负双电源。
Vo
jQAo
(1Ao)(R1f jCf )
只要Ao足够大，则分母中C<< （(缆1/1的R＋f)等，A效传。参感）数器C不f本，影身1／响的R或电<很<容（少和l＋影电A响o）
电荷放大器的输出。这是电荷放
大器的特点。这一点使电荷放大 器的使用非常方便。
电荷放大器的输出电压只决定于输入电荷Q以及
2.5.1变压器耦合隔离放大器 1.工作原理
隔离放大器由输入放大器、信号耦合器 件、输出放大器以及隔离电源等部分组 合。
AD202隔离放大器
输入引出4端 1、3输入端 5、6隔离电源输
出端
输出阻抗较高
2. 应用实例
在某些电桥测量电路中，为了抑制电桥 的直流共模电压，提高测量精度，往往 需要浮空电源供电。浮空隔离的可程控 增益的放大电路如下图所示。它由测量 电桥、隔离放大器、多路模拟开关和一 些辅助电路构成。
tg1gCff tg1R1fCf
在截止频率点，gf＝ωCf，φ=tg-11=45o。
电荷放大器的灵敏度为：
S
1
Cf
为到提输高 入灵 端敏 各度 电， 容就的要限求制减，小取C值f 不。能然大而小Cf的，取一值般受取 1电稳0阻定pFR性～f决。0.定1μ，F。但当RfC的f值取选值定还后应，考下虑限放频大率器就工由作反的馈
iC iD
uI
-
iA
+u1
A
iC
+
uI R1
iC
R1 1kO
uo
R3iD
R3 R1
uI
R2 iB 1kO
+u2
uo R3 1kO iD
实际上这一电路存在以下几方面的问题： (1)输入电压必须是单极性的，即要求uI>0。 (2)输入电压甜I的线性范围小。“I的下限电压应高于双
光耦中两个发光二极管的串 联电压，而这一电压一般在4V左右。另一方面，I的上限
+U1
+U2
ISO100 10
2 7 Rf
R1 15
-
+
A
+
i1
i2
-
A
3
+
+
uI
16
8
uo
-
17 IREF1
VD1
LED VD2
IREF2 9
-
12
18
-U1
4 -U2
电路正常工作时，uI为单极性负电压，这时由于 VDl的负反馈作用，LED中会有电流流过。原因是： 若LED中无电流流过，即运算放大器输出电压小于 零，这会使VDl截止，从而引脚15电压为负，造成
2．7隔离放大器 ：掌握电路的特点、应 用场合；
2．8电荷放大器 ：掌握电路的特点、应 用场合；
2.8.2电荷放大器的特性分析
当1/R<<（1＋Ao）（1／Rf） 和C<<（1＋Ao）Cf时，电荷 放大器的输出电压为：
Vo[1 RfAoj j Q (1o AAo)Cf]Cf Q g j f
Vo 1
Q
Cf
gf j
输出电压不仅取决于电荷量Q，还与负反 馈网络Cf、Rf（或gf）及信号频率有关。当 频率ω很高时，Cf<<gf／ω，则Vo与频率无 关，输出可简化为
-7.5V
+7.5V 47kΩ VCA T1
24.5V 6
-7.5V 5 AD202
+7.5V
2
R
R
1
控制电路1
VCB -7.5V T2
24kΩ
+7.5V 控制电路2
RB CD4053
3 909 4
47kΩ
-7.5V
11 12 9
9090
10 13
470*332*
909
25
14 3 470*332* 90.9
电压也受到电源电压U和电路中其他器件(如运算放大器、 光电耦合器等)的限制。 (3)运算放大器始终加有共模电压，这对运算放大器的共 模抑制比要求高。 (4)运算放大器的反馈是通过光电耦合器实现的。光电耦 合器的信号传递有一定延迟，因此，运算放大器的工作 频率不能太高，若过高会产生自激振荡。 (5)电阻R1和R3的不对称误差和温漂会造成输入输出电压 的跟随误差。 (6)光电耦合器件为电流控制电流器件，其输出级，即光 电二极管可看成受控电流源。因此，理论上说，即使Ul 和U2不相等，两个光电耦合器的输出级电流也不会造成 不对称误差。但实际上，光电二极管的恒流特性并不理 想，这会造成两光电耦合器的输出电流不相等。
反馈电路参数Cf、Rf。由于通常1/Rf<<ωCf ，所以 1/Rf可忽略，则输出电压为:
Vo
AoQ (1Ao)Cf
Q Cf
只要Ao足够大，输出电压与Ao无关，只决 定于输入电荷Q和反馈电容Cf ，改变Cf的大 小可方便地改变放大器的输出电压，不过反 馈电容Cf必须采用高质量的电容，否则由于 电容漏电会引起误差。
电荷放大器必须由高输入阻抗（一般在1012Ω左右） 运算放大器组成，它对内部、外部干扰都很敏感。 设计时，除保证它有高开环增益、高输入阻抗外， 还必须考虑低噪声设计要求，尤其是放大器第一 级噪声要小、同时要采用种种防外部干扰的措施。
第二章小结
第二章共有8节，使本课程的基础知识 2．1集成运算放大器概论 ：掌握几个比
2.5.2光电耦合隔离放大器
由于光电耦合器件
是半导体器件，所 uI 以存在温漂，且输 入输出之间的电压
-
iA
A
+
或电流的关系为非
线性关系，器件参
数离散性大。因此，R1 用光电耦合器线性 1kO
R2 iB 1kO
隔离传送模拟信号
有一定技巧性。
+u1 iC
+u2 uo R3 1kO iD
iA iB
LED VD2
IREF2 9
-
12
18
-U1
4 -U2
uI R1
i1
uo Rf
i2
uo
Rf R1
uI
2.6电荷放大器
在力、加速度、振动、冲击等测量中广 泛应用着压电传感器，它是将被测量转换 为电荷输出的传感器。为了将传感器的电 荷输出转变为电压输出，就需用电荷放大 器。该放大器的主要特点是它与压电晶体 传感器连接后不影响所产生的电荷量，且 测量灵敏度与电缆长度无关。后者为远距 离测量提供了方便。
运算放大器反相输入端电压低于同相输入端电压，
使其输出电压为正，故LED中有电流流过。LED导 通后，通过光电耦合作用，在光电二极管VDl， VD2中会分别产生大小相等的电流il，i2。
+U1
ISO100 10
+U2
2 7 Rf
R1 15
-
+
A
+
uI
16
i1
i2
-
A
3
+
+
8
uo
-
17 IREF1
VD1
信号回路具有很大的共模电压 （数百伏 以至数千伏）；
信号回路与测试系统之间不易共地； 强干扰、强辐射； 生物仪器
隔离放大器的主要技术指标
非线性度 最大安全差动输入 共模抑制比 漏电流 输入噪声 隔离电源
1、非线性度
定义为实际传输特性与最佳直线的最大 偏差。以满量程输出的百分比表示，一 般为±0.05%。常与输出幅度有关，如 有的隔离放大器输出±5V时，非线性度 ±0.05%，当输出为±10V时，为非线性 度±0.2%
Vo
1
Q
Cf
gf
j
Vo
Q Cf
电荷放大器的上限频率由运放的频响所决定。 如果电缆线太长，电缆电容和杂散电容增加， 导线电阻也增加，这些参数都会影响放大器的 高频特性。若忽略运放的输入电容和输入电导， 同时忽略gf，则上限频率为
fH
1
2Rk(Cq
Ck)
式中Rk和Ck为电缆的等效电阻和等效电 容，Cq为传感器等效电容。
16
48
10.1
16 7
510Ω
510Ω
37
38 Vo = Vi ·Af
-7.5V 逻辑输入L1
+7.5V -7.5V -7.5V 逻辑输入L2
RB=R-(909+Ron)，CD4053的Ron≥100Ω
* 改变增益时，用这些电阻使输入失调减到最小
说明
电路中CMOS开关电源、驱动电路电源 都采用浮地式。逻辑控制信号经光电耦 合器加到驱动电路输入端，这样，驱动 电路与模拟开关也被隔离浮空。由于光 电耦合器件和隔离变压器的抗高压性能 都在千伏以上，所以这种电桥测量电路 可以在数百伏高压电位条件下正常工作。
较重要的放大器参数的定义；
2．2 运算放大器的应用原理 ：掌握理想 运算放大器 、理想运算放大器的闭环特 性；会对放大器的误差进行分析
2．4测量放大器 ：掌握电路组成及特性， 闭环增益，误差计算，会“驱动屏蔽” 的原理
2．5动态自动校零运算放大器：会分析 （叙述）电路的工作原理、电路的特点
2．6动态自动校零集成运算放大器 ICL7650 ：会分析（叙述）电路的工作 原理、电路的特点、保护环的作用；
果外接的电阻很小，传感
器受力后所产生的电荷就 会Cq以按时指间数规常数律很τ=（快R放q/电/R。L） 因此，压电传感器要求负 载量电误阻差。RL很大，以减小测
电荷放大器是一种电容负反馈的高增益放大器。电 荷放大器与压电传感器连接的基本电路如图所示
图中Cf为反馈电容， Rf为反馈电阻。 避免运放输出饱和。 R和C为传感器的等 效参数
2.5隔离放大器
在某些情况下，输入电路与输出电路 之间以及放大电路与电源电路之间不能 有直接的电路连接，信号的耦合以及电 源电能的传递要靠磁路或光路来实现。 放大器内部采取这种隔离措施的就叫隔 离放大器。它不仅具有通用运放的性能， 且输入公共地和输出公共地之间有良好 的绝缘性能
隔离放大器的符号
隔离放大器的使用场合
| 1/Cf |
当输入信号频率很低时，gf / ω增大。当gf / ω =Cf时，输出电压Vo下降到频率很高时的
1／√2，此时的频率称下限频率，即
Vo 1
Q
Cf
gf
j
或
min
gf Cf
1 Rf Cf
fmin
1
2Rf
Cf
适当选择反馈网络的参数Rf、Cf ，电荷 放大器的下限频率可以很低。
低频时，输出电压Vo，与输入电荷之间 的相移为