設計人員常常需要在高共模電壓下測量小電壓，尤其是在使用電源和電機驅動時。這與使用傳感器時的接地回路問題有關，這兩個問題均可通過有效使用隔離放大器來解決。

隔離放大器在其輸入和輸出之間提供電流阻斷，因此僅傳輸所需信號并消除高共模電壓。在基于傳感器的監測系統中，隔離放大器在傳感器之間保持接地分離以消除接地回路。隔離放大器普遍應用于電源、電機控制器、遠程電壓檢測、生物醫學測量和遠程數據采集。

為了解釋隔離放大器的工作原理以及如何有效地予以應用，本文將描述一個需要隔離的典型場景，然后討論三種常見隔離方法：變壓器耦合、光學耦合和容性耦合。在討論過程中，本文將介紹每種方法的實用解決方案，最后給出一個采用參考設計的例子。

典型電源場景

現代電源和電機驅動需要在高共模電壓下測量小信號。設計人員如何使用阻性分流器測量一個偏置電壓超過 300 V 的推挽式 FET 功率驅動器的負載電流（圖 1a）？

圖 1：在高共模電壓下測量小電壓降 (a) 并消除接地回路 (b) 是需要隔離的常見電路應用。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

上方 (a) 電路是用于控制電機或電機相位的典型功率驅動器。它通過改變傳輸至負載的脈沖波形的占空比來控制功率。供電電壓（HV+ 和 HV-）大約為數百伏。分流電阻器 RSHUNT上的電流檢測電壓大約為數十毫伏，但它取決于在 HV+ 和 HV- 之間擺動的脈沖波形。若將此電壓施加到接地儀表或電流檢測放大器的輸入端，則會超過共模電壓限制，并可能損壞器件。

同理，設計人員如何在多個太陽能電池單元組成的電池組之上測量單個電池單元的電壓輸出？一旦共模電壓超過 80 V，就需要一些電隔離措施來將所需信號與之分離。

還要考慮如何將電路與接地回路隔離開的問題（圖 1b）。信號通過同軸電纜從左側的發射器源連接到右側的接收器。來自其他電路的雜散接地電流可能會通過連接著兩個接地的同軸屏蔽，找到一條返回路徑。這會在電纜屏蔽串聯阻抗上產生電壓，導致 VG2 與 VG1 不同，從而在接收器輸入端引起錯誤。

這兩種應用都要求信號連接的隔離能力。解決辦法是使用隔離放大器，在輸入和輸出之間提供電流隔離。隔離放大器僅傳輸所需信號，并消除高共模電壓。隔離放大器能夠消除系統中的接地回路，保持電路元件之間的接地分離。

隔離放大器工作原理

隔離放大器是一種對其輸入和輸出電路（包括相關電源）之間進行電位隔離的放大器。這確保了輸入和輸出部分之間沒有導電路徑。兩部分之間的漏電流極低，而且電介質擊穿電壓很高。輸入級是差分放大器，用于衰減共模電壓。它之所以能做到這一點，是因為輸入彼此相差不到 1 V，并且放大器是浮動的，不以地為基準。通過精心設計和布局，最大限度減少各部分之間的雜散電容耦合，以免影響隔離。各部分之間的隔離由變壓器、電容或光學耦合提供（圖 2）。這些耦合方法通常會阻止信號的直流和低頻成分。利用輸入信號調制一個載波并發送全信號頻譜，然后在器件輸出端通過解調予以恢復，可以避免上述缺點。輸入端和輸出端均使用隔離電源。

圖 2：通用隔離放大器，顯示了三種常用隔離方法，包括變壓器耦合、容性耦合和光學耦合。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

所用調制技術取決于器件，但常用的有頻率調制、脈沖寬度調制和三角積分調制。三角積分調制是最常遇到的。輸入為差分式，輸出配置可以是單端或差分式。請注意，隔離放大器的輸入和輸出部分具有單獨的電源連接。一般而言，輸入部分使用非以地為基準的“浮動”電源。保持良好的隔離性能要求將電源很好地隔離。

隔離放大器輸入和輸出之間的最大電壓差額定值通常針對持續直流和交流電壓而指定。瞬態的最大施加電壓單獨指定，與瞬態條件的時序有關。只要物理布局遵循器件輸入和輸出引腳之間的推薦間距（這在規格書中有詳細說明），那么就適用這些規格。

變壓器（磁性）耦合

變壓器耦合隔離是歷史上最古老的電路隔離方法。Analog DevicesAD202JY是一款磁性耦合隔離放大器（圖 3）。

圖 3：Analog Devices AD202JY 利用變壓器耦合和 15 V 非隔離單電源實現 1000 V 直流隔離。（圖片來源：Analog Devices）

AD202JY 的最大隔離電壓額定值為 750 V RMS AC (60 Hz) 和 1000 V DC，加上連續 AC。它使用雙變壓器，第一個用于信號路徑。第二個將 25 kHz 載波從輸出耦合到輸入端，這也是調制器的載波。它還用于為輸入部分生成雙隔離電源輸出，從而滿足對單獨隔離電源的需求。

放大器的增益由用戶設置，范圍是 1 到 100 V/V，其全功率帶寬為 5 kHz。輸出級是無緩沖差分輸出，能夠提供 ±5 V 電壓。

光學耦合

光學耦合是在隔離放大器的輸入和輸出之間提供隔離的另一種可能方法。隔離放大器的輸入部分驅動發光二極管 (LED)，它發出的光由輸出部分中的光電晶體管拾取（圖 4）。該鏈路完全是光學的，LED 和光電晶體管之間沒有電氣連接。

圖 4：BroadcomACPL790X隔離放大器系列的功能示意圖顯示了利用光學鏈路在輸入和輸出之間提供電隔離的方法。（圖片來源：Broadcom Limited）

Broadcom ACPL790 系列隔離放大器將出色的光學耦合、三角積分轉換器技術和斬波穩定放大器相結合，提供高壓隔離、差分輸出和 200 kHz 帶寬。其 IEC/EN/DIN EN60747-5-5 工作絕緣電壓為 891 V（峰值）。該系列有三款精度規格不同的產品。ACPL-7900精度為 3%，ACPL-790A精度為 1%，ACPL-790B精度為 0.5%。

容性耦合

Texas InstrumentsAMC1301隔離放大器代表第三種獲得隔離的方法，即容性耦合（圖 5）。

圖 5：TI AMC1301 增強型隔離柵的每個分支使用兩個串聯電容器以提供容性隔離。（圖片來源：Texas Instruments）

AMC1301 是差分輸出隔離放大器，隔離電壓額定值為 1500 V（峰值）。隔離放大器的輸入級由差分放大器組成，后者驅動三角積分調制器。隔離時鐘（載波）從內部派生。發射器 (TX) 驅動器將數據傳輸到雙電容器隔離柵的另一側。接收的調制數據經解調后，在低壓側與時鐘同步，輸出為差分信號。AMC1301 具有 8.2 的固定增益，標稱帶寬為 200 kHz（典型值）。

如前面所討論的一樣，AMC1301 的輸入和輸出側需要隔離電源。

AMC1301 參考設計

Texas Instruments (TI) 以 TINA-TI 仿真為 AMC1301 隔離放大器，提供了一個參考設計示例（TINA-TI 是 Texas Instruments 提供的免費電路仿真器）。該電路有一個 200 mV（峰值）、5 kHz 信號作為仿真輸入，而共模電壓為 500 V。差分輸出的峰值幅度為 1.6 V，偏移為 0 V，驅動一個 10 kΩ 負載。此例展示了隔離放大器從輸入信號中消除大共模偏移（本例中為 500 V）的威力。

圖 6：Texas Instrument AMC1301 參考設計（在 TINA-TI 中以仿真運行）是 AMC1301 為 500 V 共模直流偏移提供隔離的一個例子。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

隔離接地回路

隔離放大器輸入和輸出之間的隔離可用來斷開接地回路，例如圖 1b 中所示的接地回路。將隔離放大器放置在發射器和接收器之間，就會斷開其間通過同軸電纜形成的接地連接，二者之間沒有直接接地路徑（圖 7）。

圖 7：在發射器和接收器之間插入隔離放大器以消除原始同軸電纜連接造成的接地回路。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

總結

無論基于磁性、光學還是容性耦合，隔離放大器都是一種有用的工具，可測量高共模電壓上的小信號，或隔離電路接地以消除帶寬高達 200 kHz 的系統中的接地回路。隔離放大器普遍應用于電源、電機控制器、遠程電壓檢測、生物醫學測量和遠程數據采集。