新型光耦合集成隔离放大器的工作原理和应用分析

1、 概述

3650和3652是B-B公司生产的新型光耦合集成隔离放大器，性能优于已有的采用变压器耦合和调制解调技术做成的隔离放大器模块。

与以往的隔离放大器相比，3650和3652的优点在于其尺寸小、价格低、具有较宽的带宽且性能可靠。由于它们采用了直流模拟调制技术，而不是载波技术，从而避免了大多数隔离放大器模块所存在的电磁干扰问题（包括传送和接收）。

2、 工作原理

在3650系列出现以前，光隔离产品一般不用在线性电路中，而只是将LED和光敏二极管构成的光电耦合器应用在数字信号隔离中，这种结构由于其基本原理的局限性，存在一定的非线性和不稳定性。

而3650和3652利用特有技术克服了单一LED和光电二极管形成隔离时的局限性。图1是3650的基本等效电路，可用于了解基本工作原理，不用具体考虑双极性工作时的偏移调节和偏压等问题。

图2是3650模块的简化电路系统模型。它的输出取决于VD电流的大小，而VD。的值又取决于输入电流。因而，3650是一个跨导放大器，其增益为伏特／微安。当用作电压源时，输入电流由增益设置电阻决定。RIN是差动输入阻抗。对于这个模型，由于其共模阻抗和隔离阻抗都非常高，因此，其输入阻抗可以看作是无限大。为了减小非线性和时间温度的不稳定性，3650采用了两个光电二极管，其中一个用于输入（CR3），另一个用于输出（CR2）。放大器A1、LED、CR1和光电二极管CR3构成负反馈。因为CR2和CR3性能匹配，它们从LED CRl（即λ1=λ2）接收的光量相等，因而有I2=1I=IIN，而放大器A2则用来构成电流和电压转换电路。

3652的简化模型如图3所示。它的隔离级和输出级与3650完全相同。而由FET缓冲放大器和输入保护电阻组成的附加输入电路则提高了3652的差动和共模输入阻抗（1011Ω），同时也保证了更低的偏置电流（50pA）和过压保护功能。+IR和-IR输入端可承受6000V差模和3000V共模的loms脉冲电压。缓冲放大器的电压增益由RG1和RG2确定。

3、 应用说明

3.1 电源

由于为3650和3652隔离放大器提供电源的DC／DC隔离电源一般都与放大器的隔离屏障并行放置，而这样放置可能会降低隔离阻抗和整个电路的隔离抑制比。因此，应该使用高质量、低泄漏的DC／DC转换器。推荐使用Burr-Brown公司生产的722型DC／DC模块。

3.2 失调电压的调节

3650和3652的调零端BAL不用时可悬空。如果放大器工作在一个固定的增益，则可用一个电位器对其进行调零，低增益时可使用10kΩ电位器；高增益应用时，推荐使用50kΩ电位器。

当输入、输出级都需要调零时，可以把所选择的输入信号管脚连接到COMMON（公共）端，然后将放大器设置在最大增益，用50KΩ电位器把输入级的失调调整到零，接着再把放大器的增益设置为最小，并用10kΩ电位器把输出偏移再调整到零即可。

3.3 防护措施

为了充分发挥3650和3652放大器优异的隔离特性，设计时建议采取下面几点措施：

（1）输入应采用带屏蔽的双绞线电缆。

（2）尽量减小外部电容。对称的排列外部元件可以使从输人端到输出公共端的电容匹配，从而取得高的IMR。

（3）电路的外部元件及其引线均应与输出端有足够的距离，以防止高压击穿。

（4）如有必要，可采用有保护层的印刷电路板。

4 应用举例

图4所示是由3650构成的隔离放大器系统的电路图，该系统可用于测量电机的电枢电流和电枢电压。它通过校准电阻Rs将电机的电枢电流转换为电枢电压，然后再通过3650进行隔离和放大。而电枢电压则经分压器（可调整增益）输出，然后再由3650隔离和放大。

在出现高共模电压情况下，通过3650可提供精确的电流检测。

图5是用3652构成的对患者监视的应用电路。实际上这是一个真正的平衡输入仪表放大器，该电路具有很高的差动和共模输入阻抗，可以大大降低共模噪音。由于以往的仪器在对病人 的监护中常常存在导联阻抗不均衡等问题，因此，用图5所示电路可取得良好的效果。该电路输入端可承受10ms的3kV和6kV共模输入电压和差动输入电压，这些电压都相对于输入的公共端。该隔离屏障的额定隔离耐压为2000Vpp（持续），脉冲额定隔离耐压为5000Vpp。因为每个器件在工厂的测试电压为5000Vpp。

图6给出了一个3650隔离放大器在SCR控制中的应用电器，利用该电路可以实现对3相双向SCR继电器的开关控制，从而达到对电机等被控设备的隔离控制。

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