簡(jiǎn)介

用于電壓和電流檢測(cè)的隔離式放大器和調(diào)制器，是具備電氣隔離功能電路中的關(guān)鍵組件。隔離式放大器和調(diào)制器能夠在電氣上隔離電路的兩個(gè)部分，但同時(shí)允許模擬信息的傳輸。

放大器和調(diào)制器器件都采用 Σ-Δ 調(diào)制器將模擬輸入信號(hào)數(shù)字化。然后，生成的數(shù)字信息會(huì)通過電容隔離柵傳輸?shù)狡骷牧硪粋?cè)。在接收端，放大器會(huì)將數(shù)字信號(hào)重新還原為模擬電壓。在典型系統(tǒng)中，這個(gè)模擬電壓隨后會(huì)通過連續(xù)逼近型寄存器 (SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 轉(zhuǎn)換回?cái)?shù)字信號(hào)，而 SAR ADC 往往集成在微控制器 (MCU) 內(nèi)。

放大器可提供差動(dòng)輸出、單端固定增益輸出以及單端比例式輸出等多種形式：

• 差動(dòng)輸出 (AMC0330D) 是一種首選方案，適用于隔離式放大器與 ADC 之間物理距離較長(zhǎng)或需要經(jīng)過連接器的系統(tǒng)。傳遞給控制器的信息是兩個(gè)互補(bǔ)輸出之間的電壓差，而不是相對(duì)于公共接地的絕對(duì)值。因此，這種輸出能夠有效抑制可能進(jìn)入 ADC 與隔離式放大器之間電路的共模噪聲。缺點(diǎn)是，許多 ADC 無法直接與差動(dòng)信號(hào)配合工作。在這種情況下，會(huì)在靠近 ADC 的位置進(jìn)行差動(dòng)到單端的轉(zhuǎn)換。差分放大器會(huì)將信號(hào)轉(zhuǎn)換給 ADC，但同時(shí)會(huì)引入額外的測(cè)量誤差，并增加系統(tǒng)的復(fù)雜性。
• 固定增益單端輸出 (AMC0330S) 可以直接與 ADC 接口連接，而不需要差分放大器。這種方式更容易實(shí)現(xiàn)，但無法抑制共模噪聲。因此，這種類型的輸出是首選設(shè)計(jì)，適用于 ADC 與隔離式放大器之間距離相對(duì)較短 (<10cm) 的情況，或能夠接受由共模噪聲帶來的性能下降的情況。
• 比例式單端輸出 (AMC0330R) 是單端輸出的一種版本，其增益會(huì)根據(jù)施加到 REFIN 引腳上的電壓自動(dòng)調(diào)整。關(guān)于帶有比例式輸出的單端放大器在系統(tǒng)層面的優(yōu)勢(shì)的詳細(xì)討論，請(qǐng)參考 比例式輸出隔離式放大器的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì) 應(yīng)用筆記。

調(diào)制器器件會(huì)將數(shù)字信息直接傳遞給 MCU，然后由 MCU 內(nèi)的數(shù)字低通濾波器進(jìn)行處理。

本應(yīng)用簡(jiǎn)報(bào)從噪聲角度展示了不同電壓檢測(cè)器件在系統(tǒng)中的表現(xiàn)。

測(cè)量結(jié)果來自于使用 TMS320F28P650 MCU 與集成式 16 位單端 SAR ADC 的測(cè)試配置。采樣頻率為 312.5kHz。差動(dòng)輸出放大器 AMC0330D 連接到基于 OPA365 的差分放大器以匹配 ADC 輸入電壓范圍。ADC 使用外部 3V 電壓基準(zhǔn) REF5030。調(diào)制器配置使用 32 的過采樣率 (OSR) 和 10MHz 時(shí)鐘。在這種情況下，新數(shù)據(jù)的可用速率與 ADC 的數(shù)據(jù)速率相同。

系統(tǒng)的噪聲水平非常低。遺憾的是，任意波形發(fā)生器 (AWG) 或源測(cè)量單元 (SMU) 的噪聲水平更高，從而影響測(cè)試。因此，測(cè)量?jī)H在輸入電壓 V_IN=0V 的條件下進(jìn)行，并通過在輸入端并接 50? 終端來保證。每次測(cè)試運(yùn)行使用 8192 個(gè)樣本來生成柱狀圖。

性能最佳的器件是調(diào)制器。這是因?yàn)樗贿M(jìn)行一次模數(shù)轉(zhuǎn)換。由于噪聲水平低，調(diào)制器是高分辨率測(cè)量的首選器件，例如高性能伺服驅(qū)動(dòng)器中的同相電流檢測(cè)。

采用隔離式放大器的系統(tǒng)通常會(huì)執(zhí)行兩次模數(shù)轉(zhuǎn)換，每次都會(huì)降低信號(hào)保真度。第一次轉(zhuǎn)換發(fā)生在隔離式放大器中。第二次轉(zhuǎn)換發(fā)生在 MCU 中。差動(dòng)輸出器件與單端比例式輸出器件的性能大致相同。如上所述，當(dāng)隔離式放大器與 ADC 之間的物理距離較遠(yuǎn)時(shí)，更推薦使用差動(dòng)輸出器件。

在系統(tǒng)層面，單端比例式輸出器件的性能略優(yōu)于單端固定增益輸出器件。這與其在系統(tǒng)層面抑制低頻噪聲的能力有關(guān)，如 比例式輸出隔離式放大器的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì) 應(yīng)用手冊(cè)中所示。請(qǐng)參見 圖 11 進(jìn)行比較研究。