高精度放大隔離電路的研究與設(shè)計(jì)*

趙靈豆 任勇峰，2 賈興中

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）（2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 太原 030051）

1 引言

隨著電子信息時(shí)代科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，高壓放大器在通信技術(shù)、信號(hào)測試與測量、功率驅(qū)動(dòng)等方面獲得了廣泛的應(yīng)用［1～3］，工程領(lǐng)域中的壓電、鐵電、超聲波電機(jī)等器件的驅(qū)動(dòng)和激勵(lì)，要求的工作電壓必須為高電壓，這也就意味著對(duì)信號(hào)的放大、測量等技術(shù)方面的要求越來越高，需要向著增益高、精度高、頻帶寬和功率大的方向發(fā)展。

因?yàn)樾盘?hào)發(fā)生器所輸出的電壓信號(hào)一般情況下都為低壓信號(hào)，而對(duì)于需要高電壓的器件，信號(hào)發(fā)生器所輸出的信號(hào)便不能滿足要求，這就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行高壓放大來得到所需電壓信號(hào)。現(xiàn)有的很多針對(duì)小信號(hào)的放大電路有不同程度的局限性，基本上都是由晶體管或MOS 管的放大電路構(gòu)成，其功率有限，在一些大功率應(yīng)用場合下，不可避免的會(huì)受功率的限制；而且現(xiàn)有的放大電路對(duì)小信號(hào)的放大倍數(shù)比較低，很容易影響到小信號(hào)的測量精度，所以對(duì)小信號(hào)進(jìn)行高壓放大在電路測試領(lǐng)域有著非常重要的意義。

本文設(shè)計(jì)了一種高壓放大隔離電路，將三角波電壓信號(hào)進(jìn)行放大處理，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了線性光耦隔離電路。此電路可以實(shí)現(xiàn)大功率的三角波電壓信號(hào)輸出和雙量程電流的隔離輸出，精度均在0.2%以內(nèi)。

2 電路組成

此電路由供電模塊、三角波驅(qū)動(dòng)模塊和信號(hào)調(diào)理模塊構(gòu)成，其構(gòu)成原理框圖如圖1所示。

圖1 電路構(gòu)成原理

3 供電模塊

隨著電子設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)在日常生活與工作中的廣泛普及，電磁噪聲干擾日益嚴(yán)重并成為一種令人頭疼的問題，特別是瞬態(tài)噪聲干擾，其上升速度快、持續(xù)時(shí)間短、電壓振幅高、隨機(jī)性強(qiáng)，對(duì)微型計(jì)算機(jī)機(jī)和數(shù)字電路很容易產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾［4～5］，所以對(duì)電源濾波是保證電路能夠正常工作的重中之重。電源濾波器是針對(duì)電源端口電磁干擾的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的。EMI 電源濾波器用于對(duì)輸入電壓進(jìn)行濾波處理，以達(dá)到系統(tǒng)所需信號(hào)通過；電壓轉(zhuǎn)換器用于將濾波后的電壓轉(zhuǎn)換為多個(gè)電壓；三端穩(wěn)壓器用于輸出電壓，起到降壓、穩(wěn)壓的作用。

供電模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)電路中各部分器件的供電輸入，本電路使用線性電源輸出+28V 電壓實(shí)現(xiàn)外部供電輸入，先經(jīng)EMI 電源濾波器降低電磁干擾，然后通過DC-DC 電壓轉(zhuǎn)化器進(jìn)行升降壓，其中一路電壓經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換器后變?yōu)?52.8V，一路電壓經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換器后變?yōu)?52.8V，±52.8V電壓為后續(xù)高壓放大器提供雙端電壓輸入；還有一路經(jīng)電壓轉(zhuǎn)換器后變成+5V，+5V 電壓為后續(xù)信號(hào)調(diào)理模塊中的運(yùn)算放大器提供單端電壓輸入。供電模塊功能框圖如圖2所示。

圖2 供電模塊

升壓、降壓電路均設(shè)計(jì)為有限流電路，電流閾值均限制在2.5A，電流高于或低于此閾值時(shí)，升、降壓電路將切斷電路輸出，以保護(hù)系統(tǒng)因功率過大導(dǎo)致?lián)p壞電路。

4 三角波驅(qū)動(dòng)模塊

4.1 三角波發(fā)生芯片

三角波信號(hào)采用三角波專用芯片MAX038 生成。MAX038 是Maxim 公司生產(chǎn)的一種高速信號(hào)發(fā)生器，工作頻率范圍為0.1Hz～20MHz，掃頻規(guī)?？蛇_(dá)350 倍［6～7］。MAX038 的功能非常強(qiáng)大，它能夠精產(chǎn)生多種波形信號(hào)，包括三角波、方波、正弦波信號(hào)，各種波形的輸出幅值均為2V；各種波形的占空比和頻率都可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)調(diào)節(jié)，而且互不干涉，占空比的最大調(diào)節(jié)范圍為10%～90%；此芯片產(chǎn)生的波形失真小，很適合波形發(fā)生電路的設(shè)計(jì)［8］。

4.2 高壓放大器

所選高壓放大器為一款軌至軌輸出精準(zhǔn)運(yùn)算放大器，工作電壓可達(dá)140V，輸出電流典型值±10mA，可提供高性能自動(dòng)測試設(shè)備、壓電驅(qū)動(dòng)器和DAC 緩沖器應(yīng)用所需的精確度，可以滿足設(shè)計(jì)要求［9］。

4.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

將三角波信號(hào)頻率設(shè)置為200Hz，輸出幅值為-1V～+1V。產(chǎn)生的信號(hào)輸出到功率運(yùn)算放大器，電壓幅值放大至-48V～+48V，并輸出至負(fù)載。放大電路如圖3 所示。三角波信號(hào)先經(jīng)高壓放大器進(jìn)行電壓信號(hào)放大，放大倍數(shù)通過調(diào)節(jié)電阻R51 與R47的比值即可實(shí)現(xiàn)。

圖3 放大電路原理圖

放大后的電壓信號(hào)再經(jīng)過由兩個(gè)高頻大功率三級(jí)管構(gòu)成的功放輸出電路，功放輸出電路使得輸出電壓和輸出電流都有足夠大的變化，極大地提高了電路輸出的效率，最后輸出±45V的電壓信號(hào)。

5 信號(hào)調(diào)理模塊

5.1 調(diào)理信號(hào)

因?yàn)樗O(shè)計(jì)的三角波驅(qū)動(dòng)電流為-0.5A～+0.5A，要求分辨到0.2mA，動(dòng)態(tài)范圍為83.5dB，采用8bitAD 采樣無法量化該指標(biāo)，所以把電流分為大、小2個(gè)量程分別進(jìn)行采樣。信號(hào)取樣電阻采用2個(gè)3Ω的電阻串聯(lián)設(shè)計(jì)，有3個(gè)取樣點(diǎn)，如圖4所示。

圖4 信號(hào)取樣電阻

經(jīng)過對(duì)上述信號(hào)取樣電路的分析可以得到C點(diǎn)對(duì)地的采樣電壓，電壓范圍為±45V；A 點(diǎn)與C 點(diǎn)之間的采樣電壓，按照小量程電流范圍-4mA～+4mA 計(jì)算，對(duì)應(yīng)輸出電壓范圍為-24mV～+24mV；A點(diǎn)與B 點(diǎn)之間的采樣電壓，按照大量程電流范圍-0.5A～+ 0.5A 計(jì)算，對(duì)應(yīng)輸出電壓范圍為-1.5V～+1.5V。所以此電路可以輸出3 種信號(hào)供上位機(jī)采集，主要包括：將-45V～+45V 的三角波驅(qū)動(dòng)電壓轉(zhuǎn)換成0～5V 電壓信號(hào)供上位機(jī)采集；將-4mA～+4mA 的小量程電流轉(zhuǎn)換成0～5V 電壓信號(hào)供上位機(jī)采集；將-0.5A～+0.5A 大量程電流轉(zhuǎn)換成0～5V電壓信號(hào)供上位機(jī)采集。

5.2 調(diào)理電路設(shè)計(jì)

5.2.1 驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)理

三角波驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)先經(jīng)差動(dòng)放大電路，后經(jīng)電阻分壓電路調(diào)理成0～5V電壓。差動(dòng)放大電路的主要作用是為了提高共模抑制比。采樣電壓的調(diào)理電路如圖5所示。

圖5 采樣電壓調(diào)理電路

此調(diào)理電路中的電阻分壓部分采用了兩個(gè)電阻，一個(gè)電阻為20K，另一個(gè)電阻為1K，參考電壓Vref為+2.5V。通過計(jì)算可知，方波電壓經(jīng)過調(diào)理后的范圍為0.238V～4.524V，滿足0～5V的設(shè)計(jì)要求。

5.2.2 取樣電流調(diào)理

1）A、B點(diǎn)采樣電壓調(diào)理

三角波輸出電流為-0.5A～+0.5A，則當(dāng)電流流過時(shí)，電阻兩端電壓為-1.5V～+1.5V，此處的輸入電壓為差分電壓，所以在電路調(diào)理時(shí)需經(jīng)差分運(yùn)放消除共模電壓，后面的二階低通濾波電路是用來對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行過濾，過濾后的電壓信號(hào)即為所需電壓信號(hào)，這樣的設(shè)計(jì)可以使輸出電壓更平直、更理想。采樣電流調(diào)理電路如圖6所示。

圖6 采樣電流調(diào)理電路

此電路差模截止頻率為160kHz，共模截止頻率為482kHz，二階低通濾波電路截止頻率為16kHz。二級(jí)放大運(yùn)放供電為單5V供電，當(dāng)信號(hào)輸出飽和時(shí)，輸出電壓會(huì)限制在正供電軌，起到輸出限幅的作用。

2）A、C點(diǎn)采樣電壓調(diào)理

A點(diǎn)和C點(diǎn)之間輸入的差分電壓為-1.5V～+1.5V。A點(diǎn)與C點(diǎn)之間的采樣電壓調(diào)理電路與A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的采樣電壓調(diào)理電路類似，這里不再贅述。

5.3 光耦隔離電路設(shè)計(jì)

光耦合器也稱為光電隔離器或光耦離合器［10］，由于它具有體積小、壽命長、單項(xiàng)傳輸信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)，得到了市場的廣泛認(rèn)可，也成為了開關(guān)電源反饋電路中的常用電子器件［11～12］。此電路采用HCNR201高精度線性光耦實(shí)現(xiàn)輸入與輸出信號(hào)的隔離。線性光耦HCNR201內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖7所示。

圖7 HCNR201內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理

HCNR201 是由一個(gè)高性能發(fā)光二極管和兩個(gè)光敏二極管組成的，其中兩個(gè)光敏二極管具有完全相同的性能和參數(shù)。高性能發(fā)光二極管LED 作為隔離信號(hào)的輸入端，如果有電流經(jīng)過流過時(shí)，發(fā)光二極管LED 就會(huì)發(fā)光，此時(shí)LED 的光照照射在兩個(gè)相鄰匹配的光敏二極管上，光敏二極管在感應(yīng)到光照時(shí)，會(huì)產(chǎn)生光電流。由于HCNR201 結(jié)構(gòu)的特殊性，兩個(gè)光敏二極管PD1 和PD2 相鄰且分布對(duì)稱，所以在LED 發(fā)光的時(shí)候，兩個(gè)光敏二極管可以得到近似的光照強(qiáng)度，同時(shí)感應(yīng)出的光電流也正比于LED 的發(fā)光強(qiáng)度。LED 的非線性和偏差特性帶來的誤差很容易影響電路的穩(wěn)定性，而光敏二極管PD1的設(shè)計(jì)可以消除這一影響，從而改善了輸入電路與輸出電路之間的線性特性和溫度特性，提高了整個(gè)電路的穩(wěn)定性。光敏二極管PD2 使整個(gè)線性光耦元件的信號(hào)輸出端，通過接收正比于發(fā)光二極管LED發(fā)光強(qiáng)度的輸出電流，從而實(shí)現(xiàn)輸入與輸出電路之間電流隔離的作用。線性光耦元件HCNR201 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計(jì)可以使PD1 和PD2 之間構(gòu)成嚴(yán)格的線性關(guān)系，使得此線性光耦擁有高穩(wěn)定性和高線性度的特點(diǎn)，從而提高了整個(gè)電路的穩(wěn)定性。

因輸入信號(hào)與輸出信號(hào)的隔離非常重要，所以針對(duì)三角波驅(qū)動(dòng)電壓、大量程電流和小量程電流均采用光耦隔離電路設(shè)計(jì)，以達(dá)到對(duì)輸入輸出信號(hào)的隔離，增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性。光耦隔離電路設(shè)計(jì)如圖8所示：輸入電壓先經(jīng)過運(yùn)算放大器輸出，使得LED上有電流通過，該運(yùn)放的輸出用以驅(qū)動(dòng)LED 發(fā)光，進(jìn)而穩(wěn)定了LED的光輸出［13］，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)。PD1 在感應(yīng)到LED 發(fā)出的光便會(huì)產(chǎn)生光電流，因?yàn)镻D1 與PD2 是兩個(gè)完全相同的光敏二極管，所以在理想情況下，PD1 產(chǎn)生的電流等于PD2產(chǎn)生的電流。PD2 右端接入的運(yùn)算放大器AD8606和電阻R63 是將PD2 產(chǎn)生的電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，后面再接一個(gè)電壓跟隨電路保護(hù)電路，最后將電壓信號(hào)輸出。其中電阻R61 在整個(gè)電路中起限流作用；電阻R62則用來控制發(fā)光二極管LED的發(fā)光強(qiáng)度；電容C50 和電容C51 均為反饋電容，在電路中起負(fù)反饋?zhàn)饔茫糜谔岣唠娐返姆€(wěn)定性。

圖8 光耦隔離電路

6 測試結(jié)果

對(duì)電壓調(diào)整信號(hào)、大量程電流取樣信號(hào)和小量程電流取樣信號(hào)進(jìn)行測試與回采，電壓調(diào)整信號(hào)測試結(jié)果如表1 所示，大量程電流取樣信號(hào)測試結(jié)果如表2 所示，小量程電流取樣信號(hào)測試結(jié)果如表3所示。

表1 電壓調(diào)整信號(hào)測試結(jié)果

表2 大量程電流取樣信號(hào)測試結(jié)果

表3 小量程電流取樣信號(hào)測試結(jié)果

根據(jù)以上表格中的測試結(jié)果可以看出該電路輸出的電壓調(diào)整信號(hào)、大量程電流取樣信號(hào)和小量程電流取樣信號(hào)的測試結(jié)果均和估算值近似，測試結(jié)果精度均在0.2%以內(nèi)。

7 結(jié)語

高精度放大隔離電路包括供電模塊、三角波驅(qū)動(dòng)模塊和信號(hào)調(diào)理模塊，將MAX038 產(chǎn)生的三角波信號(hào)經(jīng)過信號(hào)調(diào)理模塊可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓調(diào)整信號(hào)、大量程電流取樣信號(hào)和小量程電流取樣信號(hào)的隔離輸出，且測試結(jié)果表明，該電路的測試精度均在0.2%以內(nèi)。該設(shè)計(jì)有效地解決了一般放大電路輸出功率小、電壓幅值小的問題，這些成果與經(jīng)驗(yàn)可以為相關(guān)的模擬信號(hào)隔離電路提供比較不錯(cuò)的思路，這對(duì)優(yōu)化模擬信號(hào)放大電路的設(shè)計(jì)有著很重要的影響。