高精度放大隔离电路的研究与设计*

赵灵豆 任勇峰，2 贾兴中

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室 太原 030051）（2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室 太原 030051）

1 引言

随着电子信息时代科学技术的高速发展，高压放大器在通信技术、信号测试与测量、功率驱动等方面获得了广泛的应用［1～3］，工程领域中的压电、铁电、超声波电机等器件的驱动和激励，要求的工作电压必须为高电压，这也就意味着对信号的放大、测量等技术方面的要求越来越高，需要向着增益高、精度高、频带宽和功率大的方向发展。

因为信号发生器所输出的电压信号一般情况下都为低压信号，而对于需要高电压的器件，信号发生器所输出的信号便不能满足要求，这就需要对信号进行高压放大来得到所需电压信号。现有的很多针对小信号的放大电路有不同程度的局限性，基本上都是由晶体管或MOS 管的放大电路构成，其功率有限，在一些大功率应用场合下，不可避免的会受功率的限制；而且现有的放大电路对小信号的放大倍数比较低，很容易影响到小信号的测量精度，所以对小信号进行高压放大在电路测试领域有着非常重要的意义。

本文设计了一种高压放大隔离电路，将三角波电压信号进行放大处理，并在此基础上设计了线性光耦隔离电路。此电路可以实现大功率的三角波电压信号输出和双量程电流的隔离输出，精度均在0.2%以内。

2 电路组成

此电路由供电模块、三角波驱动模块和信号调理模块构成，其构成原理框图如图1所示。

图1 电路构成原理

3 供电模块

随着电子设计、计算机在日常生活与工作中的广泛普及，电磁噪声干扰日益严重并成为一种令人头疼的问题，特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅高、随机性强，对微型计算机机和数字电路很容易产生严重的干扰［4～5］，所以对电源滤波是保证电路能够正常工作的重中之重。电源滤波器是针对电源端口电磁干扰的特点设计的。EMI 电源滤波器用于对输入电压进行滤波处理，以达到系统所需信号通过；电压转换器用于将滤波后的电压转换为多个电压；三端稳压器用于输出电压，起到降压、稳压的作用。

供电模块实现对电路中各部分器件的供电输入，本电路使用线性电源输出+28V 电压实现外部供电输入，先经EMI 电源滤波器降低电磁干扰，然后通过DC-DC 电压转化器进行升降压，其中一路电压经电压转换器后变为+52.8V，一路电压经电压转换器后变为-52.8V，±52.8V电压为后续高压放大器提供双端电压输入；还有一路经电压转换器后变成+5V，+5V 电压为后续信号调理模块中的运算放大器提供单端电压输入。供电模块功能框图如图2所示。

图2 供电模块

升压、降压电路均设计为有限流电路，电流阈值均限制在2.5A，电流高于或低于此阈值时，升、降压电路将切断电路输出，以保护系统因功率过大导致损坏电路。

4 三角波驱动模块

4.1 三角波发生芯片

三角波信号采用三角波专用芯片MAX038 生成。MAX038 是Maxim 公司生产的一种高速信号发生器，工作频率范围为0.1Hz～20MHz，扫频规模可达350 倍［6～7］。MAX038 的功能非常强大，它能够精产生多种波形信号，包括三角波、方波、正弦波信号，各种波形的输出幅值均为2V；各种波形的占空比和频率都可以实现单独调节，而且互不干涉，占空比的最大调节范围为10%～90%；此芯片产生的波形失真小，很适合波形发生电路的设计［8］。

4.2 高压放大器

所选高压放大器为一款轨至轨输出精准运算放大器，工作电压可达140V，输出电流典型值±10mA，可提供高性能自动测试设备、压电驱动器和DAC 缓冲器应用所需的精确度，可以满足设计要求［9］。

4.3 驱动电路设计

将三角波信号频率设置为200Hz，输出幅值为-1V～+1V。产生的信号输出到功率运算放大器，电压幅值放大至-48V～+48V，并输出至负载。放大电路如图3 所示。三角波信号先经高压放大器进行电压信号放大，放大倍数通过调节电阻R51 与R47的比值即可实现。

图3 放大电路原理图

放大后的电压信号再经过由两个高频大功率三级管构成的功放输出电路，功放输出电路使得输出电压和输出电流都有足够大的变化，极大地提高了电路输出的效率，最后输出±45V的电压信号。

5 信号调理模块

5.1 调理信号

因为所设计的三角波驱动电流为-0.5A～+0.5A，要求分辨到0.2mA，动态范围为83.5dB，采用8bitAD 采样无法量化该指标，所以把电流分为大、小2个量程分别进行采样。信号取样电阻采用2个3Ω的电阻串联设计，有3个取样点，如图4所示。

图4 信号取样电阻

经过对上述信号取样电路的分析可以得到C点对地的采样电压，电压范围为±45V；A 点与C 点之间的采样电压，按照小量程电流范围-4mA～+4mA 计算，对应输出电压范围为-24mV～+24mV；A点与B 点之间的采样电压，按照大量程电流范围-0.5A～+ 0.5A 计算，对应输出电压范围为-1.5V～+1.5V。所以此电路可以输出3 种信号供上位机采集，主要包括：将-45V～+45V 的三角波驱动电压转换成0～5V 电压信号供上位机采集；将-4mA～+4mA 的小量程电流转换成0～5V 电压信号供上位机采集；将-0.5A～+0.5A 大量程电流转换成0～5V电压信号供上位机采集。

5.2 调理电路设计

5.2.1 驱动电压调理

三角波驱动电压信号先经差动放大电路，后经电阻分压电路调理成0～5V电压。差动放大电路的主要作用是为了提高共模抑制比。采样电压的调理电路如图5所示。

图5 采样电压调理电路

此调理电路中的电阻分压部分采用了两个电阻，一个电阻为20K，另一个电阻为1K，参考电压Vref为+2.5V。通过计算可知，方波电压经过调理后的范围为0.238V～4.524V，满足0～5V的设计要求。

5.2.2 取样电流调理

1）A、B点采样电压调理

三角波输出电流为-0.5A～+0.5A，则当电流流过时，电阻两端电压为-1.5V～+1.5V，此处的输入电压为差分电压，所以在电路调理时需经差分运放消除共模电压，后面的二阶低通滤波电路是用来对电压信号进行过滤，过滤后的电压信号即为所需电压信号，这样的设计可以使输出电压更平直、更理想。采样电流调理电路如图6所示。

图6 采样电流调理电路

此电路差模截止频率为160kHz，共模截止频率为482kHz，二阶低通滤波电路截止频率为16kHz。二级放大运放供电为单5V供电，当信号输出饱和时，输出电压会限制在正供电轨，起到输出限幅的作用。

2）A、C点采样电压调理

A点和C点之间输入的差分电压为-1.5V～+1.5V。A点与C点之间的采样电压调理电路与A点与B点之间的采样电压调理电路类似，这里不再赘述。

5.3 光耦隔离电路设计

光耦合器也称为光电隔离器或光耦离合器［10］，由于它具有体积小、寿命长、单项传输信号等优点，得到了市场的广泛认可，也成为了开关电源反馈电路中的常用电子器件［11～12］。此电路采用HCNR201高精度线性光耦实现输入与输出信号的隔离。线性光耦HCNR201内部结构原理如图7所示。

图7 HCNR201内部结构原理

HCNR201 是由一个高性能发光二极管和两个光敏二极管组成的，其中两个光敏二极管具有完全相同的性能和参数。高性能发光二极管LED 作为隔离信号的输入端，如果有电流经过流过时，发光二极管LED 就会发光，此时LED 的光照照射在两个相邻匹配的光敏二极管上，光敏二极管在感应到光照时，会产生光电流。由于HCNR201 结构的特殊性，两个光敏二极管PD1 和PD2 相邻且分布对称，所以在LED 发光的时候，两个光敏二极管可以得到近似的光照强度，同时感应出的光电流也正比于LED 的发光强度。LED 的非线性和偏差特性带来的误差很容易影响电路的稳定性，而光敏二极管PD1的设计可以消除这一影响，从而改善了输入电路与输出电路之间的线性特性和温度特性，提高了整个电路的稳定性。光敏二极管PD2 使整个线性光耦元件的信号输出端，通过接收正比于发光二极管LED发光强度的输出电流，从而实现输入与输出电路之间电流隔离的作用。线性光耦元件HCNR201 内部结构的特殊设计可以使PD1 和PD2 之间构成严格的线性关系，使得此线性光耦拥有高稳定性和高线性度的特点，从而提高了整个电路的稳定性。

因输入信号与输出信号的隔离非常重要，所以针对三角波驱动电压、大量程电流和小量程电流均采用光耦隔离电路设计，以达到对输入输出信号的隔离，增强电路的稳定性。光耦隔离电路设计如图8所示：输入电压先经过运算放大器输出，使得LED上有电流通过，该运放的输出用以驱动LED 发光，进而稳定了LED的光输出［13］，将电压信号转变为光信号。PD1 在感应到LED 发出的光便会产生光电流，因为PD1 与PD2 是两个完全相同的光敏二极管，所以在理想情况下，PD1 产生的电流等于PD2产生的电流。PD2 右端接入的运算放大器AD8606和电阻R63 是将PD2 产生的电流信号转变成电压信号，后面再接一个电压跟随电路保护电路，最后将电压信号输出。其中电阻R61 在整个电路中起限流作用；电阻R62则用来控制发光二极管LED的发光强度；电容C50 和电容C51 均为反馈电容，在电路中起负反馈作用，用于提高电路的稳定性。

图8 光耦隔离电路

6 测试结果

对电压调整信号、大量程电流取样信号和小量程电流取样信号进行测试与回采，电压调整信号测试结果如表1 所示，大量程电流取样信号测试结果如表2 所示，小量程电流取样信号测试结果如表3所示。

表1 电压调整信号测试结果

表2 大量程电流取样信号测试结果

表3 小量程电流取样信号测试结果

根据以上表格中的测试结果可以看出该电路输出的电压调整信号、大量程电流取样信号和小量程电流取样信号的测试结果均和估算值近似，测试结果精度均在0.2%以内。

7 结语

高精度放大隔离电路包括供电模块、三角波驱动模块和信号调理模块，将MAX038 产生的三角波信号经过信号调理模块可以实现对电压调整信号、大量程电流取样信号和小量程电流取样信号的隔离输出，且测试结果表明，该电路的测试精度均在0.2%以内。该设计有效地解决了一般放大电路输出功率小、电压幅值小的问题，这些成果与经验可以为相关的模拟信号隔离电路提供比较不错的思路，这对优化模拟信号放大电路的设计有着很重要的影响。