高精度放大隔離電路的研究與設計*

趙靈豆 任勇峰，2 賈興中

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室 太原 030051）（2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 太原 030051）

1 引言

隨著電子信息時代科學技術的高速發展，高壓放大器在通信技術、信號測試與測量、功率驅動等方面獲得了廣泛的應用［1～3］，工程領域中的壓電、鐵電、超聲波電機等器件的驅動和激勵，要求的工作電壓必須為高電壓，這也就意味著對信號的放大、測量等技術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展。

因為信號發生器所輸出的電壓信號一般情況下都為低壓信號，而對于需要高電壓的器件，信號發生器所輸出的信號便不能滿足要求，這就需要對信號進行高壓放大來得到所需電壓信號。現有的很多針對小信號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 管的放大電路構成，其功率有限，在一些大功率應用場合下，不可避免的會受功率的限制；而且現有的放大電路對小信號的放大倍數比較低，很容易影響到小信號的測量精度，所以對小信號進行高壓放大在電路測試領域有著非常重要的意義。

本文設計了一種高壓放大隔離電路，將三角波電壓信號進行放大處理，并在此基礎上設計了線性光耦隔離電路。此電路可以實現大功率的三角波電壓信號輸出和雙量程電流的隔離輸出，精度均在0.2%以內。

2 電路組成

此電路由供電模塊、三角波驅動模塊和信號調理模塊構成，其構成原理框圖如圖1所示。

圖1 電路構成原理

3 供電模塊

隨著電子設計、計算機在日常生活與工作中的廣泛普及，電磁噪聲干擾日益嚴重并成為一種令人頭疼的問題，特別是瞬態噪聲干擾，其上升速度快、持續時間短、電壓振幅高、隨機性強，對微型計算機機和數字電路很容易產生嚴重的干擾［4～5］，所以對電源濾波是保證電路能夠正常工作的重中之重。電源濾波器是針對電源端口電磁干擾的特點設計的。EMI 電源濾波器用于對輸入電壓進行濾波處理，以達到系統所需信號通過；電壓轉換器用于將濾波后的電壓轉換為多個電壓；三端穩壓器用于輸出電壓，起到降壓、穩壓的作用。

供電模塊實現對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 電壓實現外部供電輸入，先經EMI 電源濾波器降低電磁干擾，然后通過DC-DC 電壓轉化器進行升降壓，其中一路電壓經電壓轉換器后變為+52.8V，一路電壓經電壓轉換器后變為-52.8V，±52.8V電壓為后續高壓放大器提供雙端電壓輸入；還有一路經電壓轉換器后變成+5V，+5V 電壓為后續信號調理模塊中的運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、降壓電路均設計為有限流電路，電流閾值均限制在2.5A，電流高于或低于此閾值時，升、降壓電路將切斷電路輸出，以保護系統因功率過大導致損壞電路。

4 三角波驅動模塊

4.1 三角波發生芯片

三角波信號采用三角波專用芯片MAX038 生成。MAX038 是Maxim 公司生產的一種高速信號發生器，工作頻率范圍為0.1Hz～20MHz，掃頻規模可達350 倍［6～7］。MAX038 的功能非常強大，它能夠精產生多種波形信號，包括三角波、方波、正弦波信號，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現單獨調節，而且互不干涉，占空比的最大調節范圍為10%～90%；此芯片產生的波形失真小，很適合波形發生電路的設計［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運算放大器，工作電壓可達140V，輸出電流典型值±10mA，可提供高性能自動測試設備、壓電驅動器和DAC 緩沖器應用所需的精確度，可以滿足設計要求［9］。

4.3 驅動電路設計

將三角波信號頻率設置為200Hz，輸出幅值為-1V～+1V。產生的信號輸出到功率運算放大器，電壓幅值放大至-48V～+48V，并輸出至負載。放大電路如圖3 所示。三角波信號先經高壓放大器進行電壓信號放大，放大倍數通過調節電阻R51 與R47的比值即可實現。

圖3 放大電路原理圖

放大后的電壓信號再經過由兩個高頻大功率三級管構成的功放輸出電路，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。

5 信號調理模塊

5.1 調理信號

因為所設計的三角波驅動電流為-0.5A～+0.5A，要求分辨到0.2mA，動態范圍為83.5dB，采用8bitAD 采樣無法量化該指標，所以把電流分為大、小2個量程分別進行采樣。信號取樣電阻采用2個3Ω的電阻串聯設計，有3個取樣點，如圖4所示。

圖4 信號取樣電阻

經過對上述信號取樣電路的分析可以得到C點對地的采樣電壓，電壓范圍為±45V；A 點與C 點之間的采樣電壓，按照小量程電流范圍-4mA～+4mA 計算，對應輸出電壓范圍為-24mV～+24mV；A點與B 點之間的采樣電壓，按照大量程電流范圍-0.5A～+ 0.5A 計算，對應輸出電壓范圍為-1.5V～+1.5V。所以此電路可以輸出3 種信號供上位機采集，主要包括：將-45V～+45V 的三角波驅動電壓轉換成0～5V 電壓信號供上位機采集；將-4mA～+4mA 的小量程電流轉換成0～5V 電壓信號供上位機采集；將-0.5A～+0.5A 大量程電流轉換成0～5V電壓信號供上位機采集。

5.2 調理電路設計

5.2.1 驅動電壓調理

三角波驅動電壓信號先經差動放大電路，后經電阻分壓電路調理成0～5V電壓。差動放大電路的主要作用是為了提高共模抑制比。采樣電壓的調理電路如圖5所示。

圖5 采樣電壓調理電路

此調理電路中的電阻分壓部分采用了兩個電阻，一個電阻為20K，另一個電阻為1K，參考電壓Vref為+2.5V。通過計算可知，方波電壓經過調理后的范圍為0.238V～4.524V，滿足0～5V的設計要求。

5.2.2 取樣電流調理

1）A、B點采樣電壓調理

三角波輸出電流為-0.5A～+0.5A，則當電流流過時，電阻兩端電壓為-1.5V～+1.5V，此處的輸入電壓為差分電壓，所以在電路調理時需經差分運放消除共模電壓，后面的二階低通濾波電路是用來對電壓信號進行過濾，過濾后的電壓信號即為所需電壓信號，這樣的設計可以使輸出電壓更平直、更理想。采樣電流調理電路如圖6所示。

圖6 采樣電流調理電路

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。二級放大運放供電為單5V供電，當信號輸出飽和時，輸出電壓會限制在正供電軌，起到輸出限幅的作用。

2）A、C點采樣電壓調理

A點和C點之間輸入的差分電壓為-1.5V～+1.5V。A點與C點之間的采樣電壓調理電路與A點與B點之間的采樣電壓調理電路類似，這里不再贅述。

5.3 光耦隔離電路設計

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、單項傳輸信號等優點，得到了市場的廣泛認可，也成為了開關電源反饋電路中的常用電子器件［11～12］。此電路采用HCNR201高精度線性光耦實現輸入與輸出信號的隔離。線性光耦HCNR201內部結構原理如圖7所示。

圖7 HCNR201內部結構原理

HCNR201 是由一個高性能發光二極管和兩個光敏二極管組成的，其中兩個光敏二極管具有完全相同的性能和參數。高性能發光二極管LED 作為隔離信號的輸入端，如果有電流經過流過時，發光二極管LED 就會發光，此時LED 的光照照射在兩個相鄰匹配的光敏二極管上，光敏二極管在感應到光照時，會產生光電流。由于HCNR201 結構的特殊性，兩個光敏二極管PD1 和PD2 相鄰且分布對稱，所以在LED 發光的時候，兩個光敏二極管可以得到近似的光照強度，同時感應出的光電流也正比于LED 的發光強度。LED 的非線性和偏差特性帶來的誤差很容易影響電路的穩定性，而光敏二極管PD1的設計可以消除這一影響，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，提高了整個電路的穩定性。光敏二極管PD2 使整個線性光耦元件的信號輸出端，通過接收正比于發光二極管LED發光強度的輸出電流，從而實現輸入與輸出電路之間電流隔離的作用。線性光耦元件HCNR201 內部結構的特殊設計可以使PD1 和PD2 之間構成嚴格的線性關系，使得此線性光耦擁有高穩定性和高線性度的特點，從而提高了整個電路的穩定性。

因輸入信號與輸出信號的隔離非常重要，所以針對三角波驅動電壓、大量程電流和小量程電流均采用光耦隔離電路設計，以達到對輸入輸出信號的隔離，增強電路的穩定性。光耦隔離電路設計如圖8所示：輸入電壓先經過運算放大器輸出，使得LED上有電流通過，該運放的輸出用以驅動LED 發光，進而穩定了LED的光輸出［13］，將電壓信號轉變為光信號。PD1 在感應到LED 發出的光便會產生光電流，因為PD1 與PD2 是兩個完全相同的光敏二極管，所以在理想情況下，PD1 產生的電流等于PD2產生的電流。PD2 右端接入的運算放大器AD8606和電阻R63 是將PD2 產生的電流信號轉變成電壓信號，后面再接一個電壓跟隨電路保護電路，最后將電壓信號輸出。其中電阻R61 在整個電路中起限流作用；電阻R62則用來控制發光二極管LED的發光強度；電容C50 和電容C51 均為反饋電容，在電路中起負反饋作用，用于提高電路的穩定性。

圖8 光耦隔離電路

6 測試結果

對電壓調整信號、大量程電流取樣信號和小量程電流取樣信號進行測試與回采，電壓調整信號測試結果如表1 所示，大量程電流取樣信號測試結果如表2 所示，小量程電流取樣信號測試結果如表3所示。

表1 電壓調整信號測試結果

表2 大量程電流取樣信號測試結果

表3 小量程電流取樣信號測試結果

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

7 結語

高精度放大隔離電路包括供電模塊、三角波驅動模塊和信號調理模塊，將MAX038 產生的三角波信號經過信號調理模塊可以實現對電壓調整信號、大量程電流取樣信號和小量程電流取樣信號的隔離輸出，且測試結果表明，該電路的測試精度均在0.2%以內。該設計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，這些成果與經驗可以為相關的模擬信號隔離電路提供比較不錯的思路，這對優化模擬信號放大電路的設計有著很重要的影響。