隔离放大器PPT课件

隔离放大器工作原理
隔离放大器是一种常用的电子器件，它在电路中起到隔离输入信号和输出信号的作用。

其工作原理主要包括输入隔离、放大和输出隔离三个过程。

我们来看看输入隔离的原理。

隔离放大器通常有两个输入端，一个是信号源输入端，另一个是驱动输出端。

信号源输入端与驱动输出端之间通过一个隔离变压器相连，这个隔离变压器可以有效地将输入信号与输出信号隔离开来，避免信号相互干扰。

我们来看看放大的原理。

隔离放大器中的放大电路通常采用运放作为放大器。

运放具有高增益、宽带宽和低失真等特点，可以放大输入信号的幅度。

在隔离放大器中，运放的非反相输入端与驱动输出端相连，而运放的反相输入端与输出端相连。

通过这种连接方式，输入信号经过放大后，输出信号同样也经过放大。

我们来看看输出隔离的原理。

隔离放大器的输出端通常与负载相连。

为了保证输出信号与输入信号之间的隔离，输出端通常使用一个隔离变压器。

这个隔离变压器可以将输出信号与输入信号隔离开来，避免信号相互干扰。

同时，隔离变压器还可以改变输出信号的电压和电流，以适应负载的需求。

隔离放大器的工作原理主要包括输入隔离、放大和输出隔离三个过程。

通过输入隔离，可以将输入信号与输出信号隔离开来，避免信
号相互干扰；通过放大，可以将输入信号的幅度放大；通过输出隔离，可以将输出信号与输入信号隔离开来，并适应负载的需求。

隔离放大器在电子电路中有着广泛的应用，例如在音频放大器、传感器信号调节和医疗设备中等。

通过合理设计和使用隔离放大器，可以提高电路的稳定性和可靠性，保证信号的准确传输。

第四节隔离放大器定义：隔离放大器是一种特殊的测量放大电路，其输入、输出和电源电路之间没有直接电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。

输入电路和放大器输出之间有欧姆隔离的器件。

用途：隔离放大器用于防止数据采集器件遭受远程传感器出现的潜在破坏性电压的影响。

这些放大器还用于在多通道应用中放大低电平信号。

它们也可以消除由接地环路引起的测量误差。

由于不需要附加的隔离电源，带有内部变压器的隔离放大器可以降低电路成本。

组成：它由仪器放大器（或运放）和单位增益隔离级构成。

单位增益隔离级完全隔离了器件的输入和输出（欧姆隔离），使电信号没有欧姆连续性。

仪用放大器+隔离电路===隔离仪器放大器运放+隔离电路===隔离放大器理想特性：理想的隔离放大器要求电信号完全没有欧姆连续性，被传送的信号则要求无任何衰减，信号源不必接地。

应用：隔离放大器优良的输入输出欧姆隔离特性，使它适合于用做医疗监护仪器和病人之间的接口。

隔离电平高且漏电流极小，对保护电子仪器有重要的作用。

电力测试仪器设备。

（将高电压部分和弱电部分隔离）。

保护人身及仪器设备的安全。

①主要用于便携式测量仪器和某些测量系统中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。

②应用于生物医学测量中，确保人体不受超过10uA以上漏电流和高电压（可达几百伏以及数千伏）的危害。

③应用于工业中，防止因故障而使电网电压对低压信号电路（包括计算机）造成损坏。

分类：⑴按隔离模式分类：①两口隔离：指信号输入部分和信号输出部分欧姆隔离。

采取其它措施进行电源隔离。

②三口隔离：指输入、输出和供电部分三部分彼此欧姆隔离。

⑵按隔离方法分类：①光电隔离②电容隔离③变压器隔离（电磁隔离）一.基本原理⑴组成：由输入放大器，输出放大器，隔离器以及隔离电源等几部分组成；注意：两种地(GND)，三种信号输入，符号u d：差模输入电压u c：共模输入电压u iso：隔离模电压（加在两种地之间，即隔离壁上）⑵特点：输入放大器及其电源是浮置的，放大器输入端浮置，泄漏电流极小；隔离电阻约为：R iso=1012Ω（采用变压器或光耦合器）；隔离电容(典型值) 为：C iso=20pF隔离放大器的输出与输入隔离，消除了通过公共地线的干扰，大大地提高了电路的共模抑制比。

现代电子技术第四章 仪表放大器和隔离放大器第一节 仪表放大器 一、仪表放大器定义：仪表放大器是一种闭环、差动输入的增益单元，用来精确地放大输入信号电压。

我们可以认为仪表放大器就是应用在需要精确测量输入信号的场合，将待测信号精确放大后传递给信号处理的下一级。

二、仪表放大器的主要特点 1.理想的仪表放大器可以精确放大两输入信号的差值，因此两输入端之间及每个输入端对地之间均有极高的阻抗；2.放大器的输出对地呈单端状态（单端输出），且精确等于放大器增益乘两输入电压之差；3.理想的仪表放大器具有无限大的输入阻抗和零输出阻抗，增益A 已知且可以设定，没有非线性问题，带宽可以认为无限宽，完全的共模抑制，无直流漂移。

三、仪表放大器的应用领域各类传感器的的前置放大器、多路缓冲器、电流传感器、伺服误差放大器以及过程控制和数据获取系统中的信号调节器。

四、仪表放大器的工作原理典型的仪表放大器如图2-1所示，它由三个运算放大器组成，A 1和A 2是输入级，A 3是差动级。

II O图2-1 典型的仪表放大器结构增益的计算：A 1部分：由虚短虚断概念可得：GI I G I I O R V V R R V V 2121-=+-（2-1） GI I G I I G I O R R V R V V R R V ++-=+2211（2-2）两边同乘以G I R R +则()()GI G I I G I O R V R V V R R V 2211⋅+-+=（2-3） 整理得()()211211I I GI I I G I I G G I O V V R R V V R R V R R R V -+=-+=（2-4） A 2部分： 由对称性可得()()122122I I GII I I G II I G G II O V V R R V V R R V R R R V -+=-+=（2-5） 而输出()()()()()⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+-+-=---+-=-G I G II I I I I I I G I I I G II I I O O R R R R V V V V V V R R V V R R V V V V 121221121212（2-6） ()⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=-G II I I I O O R R R V V V V 11212（2-7） 对输出级有在A 2部分：2323O p V R R R V +=（2-8） 在A 1部分：321R V V R V V O p pO -=-（2-9）()p O O V R R V R V R 32213+=+（2-10）（2-8）代入（2-10）：()1232O O O V V R V R -=（2-11）()()122312231I I G III O O O V V R R R R R V V R R V -⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=-=（2-12） 设32R R = 可得增益GII II I O R R R V V V ++=-112（2-13）可见，仪表放大器的闭环增益可以由R I ，R II和R G来决定。

ISO 系列 模拟直流信号光电隔离放大器产品特点：典型应用：● 低成本、小体积,SIP 12Pin 符合UL94V-0标准阻燃封装 ● 只需外接电位器即可调节零点和增益● 电源、信号：输入/输出 3000VDC 三隔离● 辅助电源：5VDC，12VDC，15VDC，24VDC 等单电源供电● 0-75mV/0-2.5V/0-5V/0-10V 等电压信号0-1mA /0-10mA/0-20mA/ 4-20mA 等电流信号之间的相互隔离、放大及转换产品特征顺源ISO 系列模拟信号隔离放大器，是一种将输入信号隔离放大、转换成按比例输出的直流信号混合集成电路。

产品广泛应用在电力、远程监控、仪器仪表、医疗设备、工业自控等需要电量隔离测控的行业。

该IC 在同一芯片上集成了一个磁电耦合DC/DC 变换电源和一个模拟信号输出的光电耦合隔离放大器。

输入及输出侧宽爬电距离及内部隔离措施使该芯片可以实现信号输入/输出/辅助电源，3KVDC 三隔离。

SUNYUAN ISO 系列产品使用非常方便，只需少量外部元件，即可实现信号长线无失真传输。

ISO 系列光电隔离放大器产品采用了直流信号模拟调制技术，而不是ISO EM 系列磁电隔离产品所采用的信号载波技术。

光电隔离放大器产品与磁电隔离的相比具有较强的抗EMC 电磁干扰和高频信号空间干扰特性。

★ 精度等级：0.1级、0.2级、0.5级。

★ 0-2.5V/0-5V/0-10V/1-5V 等标准电压信号。

0-1mA/ 0-10mA/0-20mA/4-20mA 等标准电流信号输入, 输出标准的隔离信号。

输出电压信号：0-5V/0-10V/1-5V；输出电流信号：0-10mA/0-20mA/4-20mA，具有高带载能力。

★ 全量程范围内极高的线性度（非线性度<0.2%）产品型号及定义ISO-U(A)□-P□-O□输入额定电压(流)值U1：0-5V A1：0-1mA U2：0-10V A2：0-10mA U3：0-75mV A3：0-20mAU4：0-2.5V A4：4-20mA U8: 用户自定义 A8: 自定义辅助电源P1:DC24V P2:DC12VP3:DC5V P4:DC15VP8:用户自定义输出信号O1: 4-20mA O2: 0-20mAO3: 4-12-20mA O4: 0-5V O5: 0-10V O6: 1-5V O8:用户自定义● 工业级温度范围: -45 ~ +85 ℃● 有较强的抗EMC 电磁干扰和高频信号空间干扰特性● 直流电流 / 电压信号的隔离、转换及放大● 工业现场信号隔离及长线传输 ● 模拟信号地线干扰抑制及数据隔离、采集 ● 仪器仪表与传感器信号收发● 非电量信号变送 ● 信号远程无失真传输 ● 电力监控、医疗设备隔离安全栅 ● 传感器4-20mA 等模拟信号一进二出、 二进二出隔离信号的功能实现 连续隔离电压值： 3000VDC电源电压输入范围： ±10%Vin 引脚焊接温度（10秒）： +300℃产品选型举例例1： 输入：0-5V 辅助电源：24V 输出： 4-20mA 产品型号： ISO-U1-P1-O1例2： 输入：4-20mA 辅助电源：24V 输出：4-20mA 产品型号： ISO-A4-P1-O1产品技术参数参数名称测试条件最小典型值最大单位隔离电压 1min 3000 VDC 增益1 V/V 增益温漂 100 ppm/℃ 非线性度 0.1 0.2 %FSR 电压 0 50 V 信号输入 电流0 30 mA 输入失调电压 2 5 mV 电压 0.3 1 M 输入阻抗 电流 250 Ω 电压 0 10 V 信号输出 电流0 20mA 电压 Vout=10V 2 * kΩ 负载能力 电流0 350 *Ω 频率响应-3DB 1 KHz 信号输出纹波 不滤波 10 20 mV RMS 信号电压温漂0.2 mV/℃ 电压 用户自定义 3.3 12 24 VDC 辅助电源 功耗 0.5 1 W 工作环境温度 -45 85 ℃ 贮存温度-55105℃* 备注：用户对产品电压信号或电流信号的输出带负载能力有要求的，可以按技术要求定制。

隔离放大器的设计电子电路抗干扰设计的有效方法是利用光电隔离。

但是，由于光电隔离器件的电流传输系数是非线性的，直接用来传输模拟量时，非线性失真较大、精度差，我们利用光电耦合器件与运算放大器结合设计一个线性度较好的模拟量光隔离放大器电路如图3-29所示。

图3-29 光电隔离放大器其中，G 1,G 2是两个性能、规格相同(同一封装)的光电耦合器，G 1,G 2的初级串连，并用同一偏置电流I 1激励，设G 1和G 2的电流传输系数分别为a 2和a 2，则112I I α= ， 123I I α=（3-6）则集成运放A4具有理想性能，则62R I U U U i ===-+（3-7）而输出电压U 0为()为跟随器5730A R I U =（3-8）因此，电路的电压增益A V 可由下式确定 627310V A R I R I U U ==（3-9）将式（3-4）和（3-5）代入上式，则 1627V A ααR R =（3-10）由于G 1、G 2是同性能、同型号、同封装的光电耦合器（MOC8111）,因此G 1、G 2的电流传输系数a 1和a 2可看作是相等的，所以光耦合放大器的电压增益为67R R A V =（3-11）由此可知，如图所示的光耦放大器增益与G 1,G 2的电流传输系数a 1和a 2无关。

实际上是利用G 1,G 2电流传输系数的对称性补偿了它们之间的非线性。

运放A 5(uA741)接成跟随器形式，以提高电路的负载能力。

运放A 1连接反馈电容C ，用来消除电路的自激振荡。

由于光电耦合器初级、次级之间存在着延迟，使G 1和G 2组成的负反馈电路之间显得迟缓，容易引起电路C 自激振荡，连接电容之后，保证了电路对瞬变信号的负反馈作用，提高了电路的稳定性。

电容C 的容量可根据电路的频率特性要求来确定，经实验和实际应用，电路的非线性误差小于0.2%较好地解决了模拟信号不共地传输的问题。

3.13 可控硅调功控温可控硅调功控温具有不冲击电网，对用电设备不产生干扰等优点，是一种应用广泛的控温方式。

隔离放大器、隔离变送器、电量隔离放大器、信号隔离器、信号转换器、信号调理模块、隔离器、信号分配器、电流转电压模块、电压转电流IC、模拟信号多通道隔离采集模块、4-20mA 电流环路隔离器、电流放大器（4-20mA信号隔离、转换及功率放大）、电子尺/位移/电位器/角度线性传感器专用变送器、两线制压力、温度、液位、位移等传感器工作解决方案、A/D D/A转换器、电量采集、隔离、放大、变送器。

变频器干扰信号处理解决方案、隔离放大器变送器IC信号调理器、隔离分配器、模拟量信号变送器、直流电流/电压信号转换模块、数字信号转换器、数据采集器等系列产品两路输入两路输出模拟信号隔离变送器（DIN22 IBF系列采用光耦隔离技术）主要特性:>>精度等级：0.1级、0.2级、0.5级。

产品出厂前已检验校正，用户可以直接使用>>辅助电源：5V/12V/15V/24VDC 或者220V AC（范围±10%）>>国际标准二路信号输入:0-5V/0-10V/1-5V,0-10mA/0-20mA/4-20mA等>>二路输出标准信号：0-5V/0-10V/1-5V,0-10mA/0-20mA/4-20mA等，具有高负载能力>>全量程范围内极高的线性度（非线性度<0.2%）>>标准DIN35 导轨式安装（尺寸：106.7x79.0x25.0mm）>>具有较强的抗电磁干扰和高频信号干扰能力应用：>>模拟信号数据隔离、采集和变换>>隔离4-20mA或0-20mA信号传输>>工业现场信号隔离及变换>>信号长线无失真传输>>仪器仪表信号收发>>电力监控、医疗设备隔离>>变频器信号隔离采集>>PLC/FA 电机信号隔离控制>>非电量信号变送产品选型表：DIN22-IBF - U(A)□- P□- O□选型举例：例1：输入信号:0-10V 供电电源:24V 输出两路信号:4-20ma 型号:DIN22-IBF-U2-P1-O1例2：输入信号:0-10V 供电电源:12V 输出两路信号:0-10V 型号:DIN22-IBF-U2-P2-O5 例3：输入信号:0-3V 供电电源:24V 输出两路信号:4-20ma 型号:DIN22-IBF-Uz-P1-O14（Uz:0-3V）产品最大绝对额定值：Continuous Isolation V oltage（持续隔离电压）:3000VDCJunction Temperature（工作温度）:+85℃Storage Temperature （存贮温度）:+150℃Lead Temperature （焊接温度）:+300℃（10秒）电源电压范围：±10%Vin注意：如果超出上述范围，产品可能会引起永久性损坏。

今天我们来学习集成隔离放大器，隔离放大器是一种输入电路与输出电路两大局部完全没有电接触的集成放大器。

当测量信号在传输过程中叠加高达几百伏至几千伏的共模电压干扰情况下，它仍能对有用小信号进行测量放大。

因此在远距离传送检测信号存在强的电磁干扰时，可以提供有效隔离措施，使工作稳定、维护系统及人身平安。

集成隔离放大器在巡回检测、计算机接口、电子设备、医疗监护及诊断等系统得到广泛应用。

目前国内外生产的集成隔离放大器按其隔离形式分为三种：1.光电隔离，型号有ISO100型、3650~3655等；2.电容隔离，如ISO122P等；3.变压器隔离，有3656、AD293、AD294等。

接下来我们以变压器型隔离放大器为例简略介绍其内部结构和典型接法。

图中所示为AD289变压器型集成隔离放大器的内部电路结构。

其工作过程如下：输入信号由INH端输入，经滤波器滤除干
扰信号后，由运放A1同相比例放大，再经调制器调制成按一定频率变化而幅度按信号变化的调幅波。

再经变压器Tr2传输到输出电路的解调器检出放大后的信号,经滤波后,通过运放A2组成的跟随器由OUTH端输出.
电路的关键点要求输入输出和电源三大局部的接地端①、⑨、⑦号引脚必须有各自的地端，不能共接，到达全隔离。

AD289的引脚排列图和典型应用图如下列图所示。

由于内部的滤波、调制电路，再加上变压器的隔离，具有较强的抗干扰能力。

其电路的电压放大倍数为.式中Rf为器件内电阻，Rg为外接电路。