隔离采样中的放大器与调制器如何选择

来源:电子发烧友网发布时间:2023-02-09895浏览

电子发烧友网报道（文/李宁远）工业应用里的电机驱动器，光电逆变器，不间断电源（UPS）和汽车应用里的车载充电器（OBC），牵引逆变器，和直流/直流转换器，都是需要在高电压和电流水平下运行的。这些系统往往会很容易受到恶劣复杂工况的影响，如电噪音、振动、机械冲击、极端温度、污染物等等。
不管是在汽车应用里需要通过隔离手段将敏感的电子元器件与快速瞬变高压组件进行分隔，还是在工业应用里需要各种方法来应对高压浪涌、高接地电位差并保护共模瞬态数据，隔离在任何高电压系统中都是首先要考虑且必要的。在这些高压系统上测量的反馈信号通过隔离放大器或隔离调制器与低压控制器进行电隔离。

隔离放大器的电隔离实现

隔离放大器的输入级由一个驱动输入放大器-ΔΣ调制器的输入放大器组成。输入放大器的增益由内部精度电阻器进行固定和设置，ΔΣ调制器则使用内部参考电压和时钟发生器来将模拟输入信号转换为数字位流。驱动器将通过隔离屏障传输调制器的输出。接收到的位流和时钟由低压侧的模拟低通滤波器进行同步和处理，并作为模拟输出信号呈现。隔离放大器的差分输出通常被转换为具有基于运放器电路的单端模拟输出，这种基于运算放大器的电路可以消除由接地环路引起的测量误差，还能防止数据采集器件遭受远程传感器带来的潜在破坏性电压影响，在多通道应用中来放大低电平信号很合适。此外，由于不需要附加的隔离电源，带有内部变压器的隔离放大器还能降低电路成本。在ΔΣ调制、斩波稳定以及差分输出等特性下，隔离放大器能提供极好的隔离模式噪声抑制能力、高增益精密度和稳定性。

隔离调制器的电隔离实现

隔离调制器的输入级类似于隔离放大器，驱动器通过隔离屏障传输调制器的输出。隔离的数据输出DOUT以更高的频率提供1和0的数字位流。该比特流输出的时间平均值与模拟输入电压成正比。测量信号通过微控制器系列内的数字滤波器进行重建。隔离调制器的隔离层能有效将输入和输出电路隔离开，防止高共模电压线路上的噪声电流进入本地系统接地干扰或损坏低电压电路，或者是承受住能够损坏设备或伤害人类的高电压浪涌。在现在需要高精度度电流测量和电流隔离的电机/逆变器中，隔离调制器的出现越来越多，这一是受益于隔离调制器的高CMTI，二是隔离调制器技术也在不断优化，改善了失调和增益误差相关的性能。

隔离放大器与隔离调制器的性能比较

比较二者之间的区别，概括来说，隔离放大器来实现隔离是一种很固定的方案，各种参数指标都很固定，相比之下隔离调制器的方案就灵活很多，需要根据具体应用做权衡。从样本分辨率来看，隔离放大器在100kHz的带宽下分辨率在11bits，而隔离调制器理论上是可以达到14bits以上分辨率，不过这需要分辨率和延迟之间做取舍。说到延迟，隔离放大器的延迟是比较固定的，在2-3微秒之间，隔离调制器的延迟同样需要在分辨率、带宽和延迟做权衡，是可以实现小于1微秒延迟的。在精度和漂移性能上，两种方法都很高，不过在实现隔离所需的组件上，隔离放大器的方案需要的组件会偏多一些，调制器方案对其他组件的需求较少。隔离放大器因为测量的模拟信号经历了几次模数和数模的转换，所以整体的精度和噪声水平不可避免地会下降，这也会额外增加延迟。而隔离调制器的方案里测量到的模拟信号只进行一次模数转换，在信号的质量上无疑会好一些，另外因为减去了从差分到单端阶段的转换需要，所需的组件的数量也减少了。隔离调制器如果用更高的过采样比，测量能得到更高的精度和更高的样本分辨率，相应的，信号带宽会变少，同时延迟会更高。相反，降低过采样比，就能以降低精度和样本分辨率为代价大大增加带宽并减少延迟。