用于測(cè)試儀表放大器的差分光隔離驅(qū)動(dòng)器

據(jù)說我們使用的一些電信號(hào)相對(duì)于地面“浮動(dòng)”。一個(gè)典型的例子可能是電源中分流電阻上的壓降或復(fù)雜的生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，例如心電圖。在這種情況下，儀表放大器 (IA) 用于放大信號(hào)的差模分量并抑制其共模分量。

儀表放大器需要在設(shè)計(jì)過程中使用真實(shí)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，并在實(shí)際使用時(shí)定期進(jìn)行測(cè)試。還應(yīng)通過將已知的校準(zhǔn)測(cè)試信號(hào)應(yīng)用于其輸入來評(píng)估 IA，以確定其準(zhǔn)確性、共模信號(hào)抑制以及它如何受到使用時(shí)可能發(fā)生的各種錯(cuò)誤連接的影響。用于醫(yī)療 IA 的測(cè)試信號(hào)源應(yīng)產(chǎn)生適當(dāng)整形的信號(hào)U OUT，其幅度范圍為幾毫伏，頻率范圍從零到幾 kHz。源應(yīng)該有（兩個(gè)）差分輸出，可以連接到 IA 的相應(yīng)輸入，如圖 1 所示。

圖 1差分信號(hào)源

輸出電阻 RG1 和 RG2 應(yīng)至少為幾千瓦，以模擬他們將在現(xiàn)實(shí)生活中測(cè)量的物體的特性。此外，兩個(gè)輸出都應(yīng)與地電隔離，但應(yīng)提供一個(gè)公共參考以測(cè)試 AI 抑制共模干擾的能力。

有多種不同類型的測(cè)試信號(hào)源可供使用。每種類型，從函數(shù)發(fā)生器開始，到專門的數(shù)字合成器結(jié)束，都提供不同級(jí)別的精度和復(fù)雜性。許多能夠提供適當(dāng)幅度和頻率范圍內(nèi)的信號(hào)，有些甚至可以模擬 ECG、EEG 和其他醫(yī)療信號(hào)。然而，使用這些源可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)樗鼈冎械脑S多具有單端輸出，并且沒有充分地與地隔離以進(jìn)行共模分離測(cè)試。 ?

這些源可以通過添加一個(gè)驅(qū)動(dòng)器電路來測(cè)試 IA，該電路將單端信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)并確保電位分離。本文介紹了這種電路的設(shè)計(jì)、構(gòu)造和應(yīng)用。其輸出可能與地隔離，并提供“公共”信號(hào)。此外，可以調(diào)整仿真信號(hào)的阻抗以匹配單端信號(hào)源的阻抗。

模擬信號(hào)的實(shí)用光隔離

輸入和輸出之間的隔離是使用光耦合器 (OC) 實(shí)現(xiàn)的，該器件在同一封裝中包含發(fā)光二極管 (LED) 和光電二極管 (PD)。PD充當(dāng)檢測(cè)器，即光電電流發(fā)生器，其中通過PD的電流與通過LED的信號(hào)產(chǎn)生的光成比例。?

對(duì)于涉及差分信號(hào)的應(yīng)用，具有單個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)兩個(gè) PD 的雙通道 OC，例如 Vishay 的 IL300。雙通道設(shè)備通常是首選，以確保兩個(gè)通道的響應(yīng)之間的任何變化（由于制造變化）保持在最低限度。在此應(yīng)用中，來自 LED 的光被引導(dǎo)到兩個(gè) PD，其中一個(gè) PD 可用于監(jiān)控 LED 產(chǎn)生的光量，以提供用于驅(qū)動(dòng) LED 的線性反饋。第二個(gè) PD 用于實(shí)際將信號(hào)跨隔離屏障傳輸?shù)捷敵?。參考文獻(xiàn) 3 提供了幾個(gè)包含 OC 的電路示例。但是，所有這些示例都需要在 OC 的輸出側(cè)使用運(yùn)算放大器，因此也需要潛在的分離（隔離）電源。

光耦合器通常用于為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流提供電氣隔離。在這些應(yīng)用中，它們?cè)凇帮柡湍Ｊ健毕逻\(yùn)行，在這種模式下，LED 的驅(qū)動(dòng)力足以使 PD 在開啟時(shí)完全飽和，而在關(guān)閉時(shí)幾乎沒有電流，從而產(chǎn)生干凈的數(shù)字脈沖序列。然而，在此應(yīng)用中，OC 在其線性范圍內(nèi)運(yùn)行，有時(shí)稱為光伏模式，其中 PD 產(chǎn)生與來自 LED 的光成正比的信號(hào)。我們的 DI 使用 OC 的光伏模式來隔離信號(hào)發(fā)生器的模擬測(cè)試信號(hào)。圖 2顯示了一個(gè)具有線性 OC 的簡(jiǎn)單電路，其中 PD 用于光伏模式，類似于太陽能電池。

圖 2使用線性光耦合器的簡(jiǎn)單電路。

通過 PD1 和 PD2 的電流被負(fù)載電阻 R3 和 P1 轉(zhuǎn)換為電壓。只要兩個(gè)電壓（U PD1和 U out）都保持在 PD 的線性范圍內(nèi)（在我們的例子中小于 50mV），它們的幅度將與 LED 產(chǎn)生的光量成正比。運(yùn)算放大器 U1 將信號(hào)U PD1與輸入信號(hào)U IN 進(jìn)行比較，并驅(qū)動(dòng) LED 使其相等。微調(diào)器 P1 用于調(diào)節(jié)電路的增益（U OUT / U IN），電容器 C2 防止振蕩。

輸出U OUT（我們的測(cè)試信號(hào)源）來自第二個(gè)光電二極管PD2，與地隔離；其內(nèi)阻由 R3 決定。光伏模式通常不與線性 OC 一起使用，因?yàn)榭捎玫妮敵鲭妷悍秶鷥H限于幾個(gè) mV。對(duì)于這種應(yīng)用，光伏模式是首選，因?yàn)樗恍枰?OC 的輸出端提供任何電源，而且所需的輸出信號(hào)無論如何都很小。

特殊要求的隔離變化

圖 2 中的電路只能輸出正電壓 U OUT（因?yàn)橥ㄟ^ LED 和兩個(gè) PD 的電流只能在一個(gè)方向上流動(dòng)）。這個(gè)問題可以通過在輸入信號(hào)U IN 上增加一個(gè)小的正偏移來解決，大多數(shù)信號(hào)發(fā)生器提供偏移調(diào)整。然而，這也會(huì)向輸出信號(hào) U OUT添加直流偏置。如果可以容忍直流偏置輸出，或者通過添加具有合適轉(zhuǎn)角頻率的 RC 高通濾波器來抑制不需要的直流輸出并接受修改后的頻率響應(yīng)，那么圖 2 中的電路就足夠了。

如果驅(qū)動(dòng)器的輸出信號(hào)需要沒有直流偏置，并且其頻率響應(yīng)必須一直下降到 0 Hz，則應(yīng)從輸出中減去直流偏置。在這種情況下，可以使用第二塊電池和微調(diào)電位器來解決問題。然而，圖 3 中顯示了一種不需要第二塊電池的更簡(jiǎn)單的解決方案。該電路增加了第二個(gè)直流驅(qū)動(dòng)的OC（U3），其輸出PD與OC U2的輸出PD反并聯(lián)。通過 OC U3 的直流電流通過 P7 設(shè)置以補(bǔ)償 OC U2 的偏置電流。

圖 3光隔離差分驅(qū)動(dòng)器的完整原理圖。

該設(shè)計(jì)還包含一個(gè)低功耗運(yùn)算放大器 (OPA349)，主要是因?yàn)樗妮斎牍材７秶鲭娫窜?200 mV，并且它只需要很少的功率。因此，電路的總電流消耗約為 1 mA。由于原型由兩節(jié) AAA 電池供電，因此它的使用壽命應(yīng)該接近 1000 小時(shí)。

需要注意的是，輸入信號(hào)的最大范圍和電路的功耗在很大程度上取決于偏置電平。偏置通過電阻分壓器 R5/R6 固定為 20 mV，從而將通過 OC U2 中 LED 的偏置電流設(shè)置為大約 500 mA。應(yīng)為 U3 中的 OC 設(shè)置類似的 LED 電流。在原始電路的這種變體中，由于電阻分壓器由 R4 至 R6 組成，因此輸入信號(hào)不需要從地偏移。

此電路的最大可接受輸入電壓 (U in ) 約為 ±5 V。超出此輸出，信號(hào)會(huì)失真，部分原因是 20 mV 的低偏置，部分原因是光伏模式邊緣的非線性O(shè)C U2 中 PD 的范圍。對(duì)于 1 V pp輸入信號(hào)，可以預(yù)期 1 mV pp輸出信號(hào)和低于 -40 dB 的諧波。頻率響應(yīng)從 0 Hz 擴(kuò)展到大約 10 kHz (-3dB)。

設(shè)置和調(diào)整

組裝好的電路如下圖4所示。

圖 4完成的電路。請(qǐng)注意，微調(diào)器 P1 被省略，因?yàn)樵谶@種情況下，沒有必要校準(zhǔn)電路的增益。

電路的調(diào)整從向 U IN施加大約 500 Hz 和 4 V pp的正弦信號(hào)開始，并使用示波器觀察輸入和輸出 (U OUT ) 信號(hào)。注意：必須使用 10:1 探頭（至少）。然后調(diào)整微調(diào)器 P1 以在兩條軌跡上獲得 1000:1 的幅度比。最后，應(yīng)調(diào)整微調(diào)器 P7 以使 U OUT處的平均輸出信號(hào)為零。