Лекция
Привет, сегодня поговорим про изолирующие усилители, обещаю рассказать все что знаю. Для того чтобы лучше понимать что такое изолирующие усилители , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров.
Изолирующие усилители предназначены для гальванической развязки цепей, непосредственно подключенных к источнику ( датчику) сигнала и цепей, осуществляющих его обработку и/или передачу запоминающему или индицирующему устройству. Такая изоляция нужна, например, в таких приложениях, как
– медицинских приборах для защиты пациента от поражения электрическим током,
– при измерениях в высоковольтных цепях,
– для снижения погрешности передачи информации при значительных синфазных наводках на цепь передачи сигнала.
Для решения этих задач измерительную схему разбивают на две изолированные части. Передающая часть работает под потенциалом измерителя ( датчика), а приемная – под нулевым потенциалом. Для реализации подобного устройства необходимо, чтобы передающая часть имела отдельный, изолированный от приемной части, так называемый ”плавающий” источник электрической энергии.
Связь между этими частями может осуществляться посредством трансформаторов, емкостей или оптронов.
В качестве примера рассмотрим изолирующий усилитель с трансформаторной связью AD215, производства фирмы Analog Devises (рис.10.1).
Рис.10.1. Схема изолирующего усилителя с трансформаторной связью AD215
Здесь для передачи входного сигнала через изолирующий барьер используется балансная амплитудная модуляция несущей частоты 430 кГц. Внутренний синхронизатор управляет демодулятором и передает часть энергии через трансформатор T2 для питания изолированной части и управления модулятором. Встроенный изолированный выпрямитель с фильтром обеспечивают питание изолированной части схемы постоянным током силой до 10мА при напряжении ±15В.
Пульсации напряжения на выходе демодулятора подавляются ФНЧ Бесселя с полосой пропускания 150 кГц. В результате амплитуда пульсаций выходного напряжения усилителя не превышает 5мВ. Полоса пропускания схемы 0…120кГц. При ограничении полосы пропускания до 50кГц дополнительным выходным фильтром амплитуда пульсаций выходного напряжения снизится до 1,2 мВ. Нелинейность коэффициента передачи схемы при К=1 не превышает 0,015%.
Компаратор – это устройство сравнения. Аналоговый компаратор предназначен для сравнения величин двух аналоговых сигналов. Если обозначить входной анализируемый сигнал VIN, а опорный сигнал ( или уровень сравнения) VREF , то выходной сигнал компаратора, представляющий собой логический сигнал, VOUT будет определяться по правилу:
Выходной сигнал компаратора в большинстве случаев подается на входы логических устройств и поэтому согласуется по уровню и мощности с их входами.
В качестве простейшего компаратора может быть использован операционный усилитель (рис.10.2). Усилитель включен по схеме инвертирующего сумматора, однако вместо резистора в цепи обратной связи включены параллельно стабилитрон VD1 и диод VD2.
Рис.10.2. Схема компаратора на ОУ
Пусть R1 = R2 . Если (VIN – VREF) > 0, то диод VD2 открыт и выходное напряжение схемы равно падению напряжения на открытом диоде и не превышает 0,5…0,7 В. При (VIN – VREF) < 0 на стабилитроне установится напряжение, равное его напряжению стабилизации VСТ. Это напряжение должно соответствовать единичному логическому уровню цифровых интегральных схем, подключенных к выходу компаратора. Таким образом, выход ОУ принимает два состояния, причем в обоих усилитель работает в линейном режиме.
Основное назначение источников опорного напряжения (ИОН) – создавать образцовое напряжение, которое могло бы быть использовано электронными устройствами преобразования информации в качестве эталона. К таким устройствам можно отнести компараторы, стабилизаторы, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи и др.
Простейший метод получения опорного напряжения состоит в том, что нестабилизированное входное напряжение прикладывается через токоограничивающий резистор к стабилитрону, который играет роль, так называемого параметрического стабилизатора, чей основной параметр – напряжение пробоя p-n перехода (рис.10.3).
Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис.10.4.
Рис.10.3. Схема ИОН на стабилитронах : а) параметрический ИОН,
б) ИОН компенсационного вида
Рис.10.4. Вольт-амперная характеристика стабилитрона
При определенном обратном напряжении, называемом напряжением стабилизации VСТ , происходит пробой p-n перехода, причем вследствии конструктивных и технологических особенностей этот пробой не приводит к выходу прибора из строя. Участок вольтамперной характеристики, соответствующий режиму пробоя, расположен почти вертикально, так что при изменении тока через стабилитрон напряжение на нем меняется мало.
Качество стабилизации оценивается коэффициентом стабилизации
КСТ = ΔVIN/ΔVREF
Коэффициент стабилизации для параметрического ИОН (рис.10.3а) может составлять 10…100. В ИОН компенсационного типа он может достигать величины порядка 10000.
Аналоговые коммутаторы служат для переключения аналоговых сигналов. Если коммутатор находится в состоянии ”включено”, его выходное напряжение должно, по возможности, точно равняться входному, если же коммутатор находится в состоянии ”выключено”, выходное напряжение должно быть как можно ближе к нулю.
Существуют различные схемные решения коммутаторов, удовлетворяющие указанным условиям. Их принцип действия показан на рис.10.5 на примере механических ( контактных) переключателей.
Рис.10.5. Схемы механических коммутаторов: а) последовательный,
б) параллельный, в) последовательно-параллельный
Аналоговые коммутаторы, показанные на рис.10.5, могут быть реализованы на электронных компонентах с управляемым сопротивлением, имеющие малое минимальное и высокое максимальное значения. Для этих целей могут использоваться диодные мосты, биполярные и полевые транзисторы. Вследствие неидеальности они вносят ряд статических и динамических погрешностей в коммутируемые сигналы. В число основных источников погрешностей входят:
– проходное сопротивление электронного ключа не равно нулю во включенном состоянии,
– наличие не равного нулю остаточного напряжения на замкнутом ключе при нулевом коммутируемом сигнале,
– нелинейная зависимость сопротивления ключа от напряжения (тока) как на сигнальном, так и на управляющем входах,
– взаимовлияние управляющего и коммутируемого сигналов,
– наличие целого ряда паразитных емкостей, одни из которых приводят к ослаблению высокочастотных составляющих коммутируемого сигнала при замкнутом ключе, а также между управляющими и сигнальными цепями,
– ограниченный динамический диапазон коммутируемых токов и напряжений.
Ключи на биполярных транзисторах и в особенности на диодных мостах потребляют значительную мощность по цепям управления и имеют сравнительно большое остаточное напряжение, составляющее единицы мВ, что вносит заметную погрешность при коммутации слабых сигналов ( менее 100мВ). Такие ключи имеют высокое быстродействие ( время переключения диодных ключей, выполненных на диодах Шоттки, достигает 1 нС) и применяются для построения сверхскоростных коммутаторов. В менее быстродействующих коммутаторах гораздо шире применяются ключи на полевых транзисторах.
Схемы коммутаторов с ключами на МОП-транзисторах приведены на рис.10.6.
Рис.10.6. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Последовательные коммутаторы с ключами на МОП транзисторах: а) на n-канальном МОП транзисторе, б) на КМОП транзисторах
Ключ на рис.10.6а предназначен для коммутации положительных напряжений, которые, как минимум на 5 В, меньше VCTRL. При напряжении затвор-исток VGS≤0 сопротивление канала достигает десятков ГОм и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного положительного напряжения переводит канал в проводящее состояние с сопротивление от 1 до 300 Ом.
Лучшими характеристиками обладают ключи на комплиментарных МОП-транзисторах (КМОП-ключи), рис.10.6б. Здесь на подложку транзистора VT1 подается положительное питающее напряжение +VS, а на подложку транзистора VT2 отрицательное питающее напряжение –VS.
При высоком уровне управляющего сигнала напряжение на затворе n-канального транзистора VT2 практически равно +VS. В этом случае транзистор VT2 проводит сигналы с уровнями от –VS до величины лишь на несколько вольт ниже +VS. В то же время напряжение на затворе p-канального VT1 практически равно –VS и он пропускает сигналы с уровнями от +VS до значения на несколько вольт выше –VS. Таким образом все сигналы в диапазоне от –VS до +VS проходят через параллельно включенные VT1 и VT2.
При низком уровне управляющего сигнала оба транзистора заперты.
Эта схема одинаково работает в двух направлениях – ее сигнальные контакты S ( source – исток) и D ( drain – сток) могут служить как входом, так и выходом.
В качестве примера использования аналоговых ключей можно привести аналоговый мультиплексор (рис.10.7). Он позволяет выбрать один из нескольких входов, соответствующий поданному на него адресу. Такие мультиплексоры выпускаются либо отдельно, либо могут быть встроены в аналого-цифровой преобразователь или аналогичные устройства.
Каждый из ключей на рис.10.7 от S0 до S3 представляет собой аналоговый КМОП –ключ. Дешифратор декодирует адрес, представленный в двоичном коде, и включает только адресованный ключ, блокируя остальные. Вход разрешения E необходим для наращивания числа коммутируемых источников сигналов, если на этот вход подать сигнал низкого уровня, то независимо от состояния адресных входов все ключи мультиплексора разомкнуты. Так как аналоговые КМОП-ключи являются двунаправленными устройствами, аналоговый мультиплексов является одновременно и демультиплексором, то есть сигнал может быть подан на выход мультиплексора и снят с избранного входа.
Рис.10.7. Схема аналогового мультиплексора 4х1: а) функциональная схема, б) условное обозначение
Для сложных коммутаций аналоговых аудио- и дидеосигналов предназначены так называемые матричные коммутаторы ( crosspoint switch). Их применяют в тех случаях, когда требуется соединить в заданной конфигурации несколько источников сигнала с несколькими приемниками, включая соединения, при которых к одному источнику сигнала подключаются несколько приемников. Это необходимо для видеосерверов, систем передачи видеосигналов, устройств видеонаблюдения, видеоконференций, аудиоприложений и др..
Для примера на рис.10.8 представлена блочно-функциональная схема микросхем матричных коммутаторов 8х8 AD8108/09 производства фирмы Analog Devises.
Рис.10.8. Блочно-функциональная схема микросхем AD8108/09
Поскольку здесь возможно подключение к источнику сигнала до восьми приемников, для уменьшения нагрузки на входы используются выходные буферные усилители. Эти усилители в AD8108 имеют единичное усиление по напряжению, а в AD8109 коэффициент усиления буферных усилителей равен двум.
Микросхемы AD8108/09 используют матрицу с 64 входными каскадами, организованными как восемь мультиплексоров 8х1. Выходы этого матричного коммутатора способны работать на стандартную 150 омную видеонагрузку при низком уровне искажений сигналов ( дифференциальные амплитудная и фазовая погрешности не превышают 0,02% и 0,02° соответственно). Входы обладают высоким сопротивлением (10 Мом) и малой емкостью (2,5 пФ). Выходы имеют низкое сопротивление (0,2 Ом на постоянном токе), но могут быть переведены в высокоимпедансное состояние ( до 10 МОм).
Коммутаторы AD8108/09 управляются двумя способами: последовательным и параллельным вводом данных. В первом случае через последовательный вход данных DATA IN вводится 32-разрядное управляющее слово, которое полностью определяет конфигурацию коммутатора. Для изменения состояния одного единственного ключа нужно полностью перепрограммировать матрицу 32-разрядным словом. При параллельном способе можно переключить один ключ, подав на входы данных (4 линии) и адреса (3 линии) микросхемы 7-разрядное слово в параллельном коде.
Фирма Analog Devises выпускает также матричные коммутаторы размерностью 16х8 (AD8110/11) и 16х16 (AD8113/14/15/15).
Оптореле сходны с аналоговыми коммутаторами, но отличаются от них прежде всего отсутствием электрической связи между цепью управления и коммутируемыми цепями. Напряжение электрической изоляции может достигать несколько киловольт. Оптореле различаются, прежде всего типами ключевых элементов, в качестве которых применяются тиристоры, биполярные транзисторы и МОП-транзисторы. Первые два вида ключей обладают плохими точностными характеристиками, поэтому соответствующие типы оптореле применяются исключительно для коммутации силовых цепей небольшой мощности. Оптореле с МОП-транзисторами имеют неплохие точностные характеристики, поэтому они могут применяться в качестве коммутаторов аналоговых каналов. На рис.7.26 приведена схема оптореле на МОП-транзисторах.
Рис.10.9. Схема оптореле на МОП-транзисторах
Силовой ключ образуют два МОП-транзистора с каналом n-типа, включенные встречно-последовательно. Это хотя и увеличивает вдвое сопротивление открытого ключа, но позволяет получить высокое максимально допустимое напряжение в закрытом состоянии. Управление состоянием обоих транзисторов осуществляется несколькими фотодиодами, включенными последовательно. Фотодиоды работают в данном случае как фотоэлементы в режиме холостого хода. При освещении каждый из них вырабатывает напряжение около одного вольта, поэтому при пропускании тока ICTRL через светодиод транзисторы открываются. Динамическое сопротивление фотодиодов даже в режиме холостого хода сравнительно велико, поэтому процессы отпирания и запирания ключа, связанные с зарядом входной емкости МОП-транзисторов, протекают довольно медленно.
Типичным представителем этого класса приборов является 2-канальное оптореле TLV422 фирмы International Rectifier. Это реле может обеспечить коммутацию разнополярных сигналов с напряжением до 400 В, чего не допускает ни один КМОП-коммутатор. Максимально допустимое напряжение изоляции составляет 4 кВ. Сопротивление открытого канала не более 20 Ом при входном токе управления 5 мА. Типичное время отпирания ключа при коммутируемом токе 20 мА – 800 мкс, а выключения – 400 мкс. Ток утечки закрытого ключа достигает 1 мкА ( у аналоговых коммутаторов он меньше 1 нА).
Стандартная схема преобразования аналогового сигнала в цифровой предусматривает дискретизацию по времени и последующую дискретизацию по уровню. Дискретизация по времени осуществляется с помощью устройств выборки-хранения (УВХ), которые на интервале выборки ( слежения) повторяют на выходе входной аналоговый сигнал, а при переключении в режим хранения сохраняют последнее значение входного напряжения до поступления следующего сигнала выборки, то есть, по сути, они являются аналоговыми запоминающими устройствами. Хранимый сигнал ( текущая выборка по времени) поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для преобразования в цифровой вид. Для правильной работы АЦП необходимо, чтобы преобразуемый сигнал на протяжении времени преобразования оставался постоянным. Схема простейшего УВХ приведена на рис.10.10а.
Когда ключ S замкнут, выходное напряжение схемы повторяет входное, то есть VOUT = VIN (рис.10.10б). При размыкании ключа VOUT сохраняет значение, соответствующее моменту размыкания. Выходной повторитель на ОУ препятствует разряду конденсатора хранения CH на нагрузку схемы. Входное сопротивление повторителя должно быть как можно больше, поэтому обычно применяют ОУ с полевыми транзисторами на входе. По такой схеме построены, например, многоканальные УВХ SMP04/08 фирмы Analog Devises.
УВХ выпускаются в виде отдельных микросхем, либо совместно с АЦП в одной микросхеме.
Рис.10.10. Устройство выборки-хранения : а) принципиальная схема,
б) временные диаграммы
Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) предназначен для преобразования числа, представленного, как правило, в виде двоичного кода, в напряжение или ток, пропорциональные этому числу. На рис.10.11 представлена общая классификация ЦАП по способам преобразования входного кода и схемам формирования выходного сигнала.
Рис.10.11. Обобщенная классификация ЦАП
Дальнейшую классификацию ЦАП можно провести по ряду специфических признаков, например:
– по роду выходного сигнала: преобразователи с токовым выходом или с выходом по напряжению,
– по типу цифрового интерфейса : с последовательным вводом или с параллельным вводом,
– по числу ЦАП на кристалле: одноканальные и многоканальные,
– по быстродействию: низкого, среднего и высокого быстродействия,
– по разрядности.
Наиболее простую конструкцию имеют параллельные ЦАП с суммированием весовых токов резистивными цепями (рис.10.12).
Рис.10.12. Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов
В этой схеме сопротивления резисторов выбирают так, чтобы при замкнутых ключах через них протекал ток, соответствующий весу разряда. Ключ должен быть замкнут тогда, когда соответствующий ему бит входного кода равен единице. Выходной ток определяется соотношением
где k – разрядность входного кода, dk принимает значение 0 или 1 в зависимости от состояния k-го разряда входного тока, D – входной код
( точнее, суммарный вес входного кода). При высокой разрядности ЦАП токозадающие резисторы должны быть согласованы с высокой точностью. Наиболее жесткие требования по точности предъявляются к резисторам старших разрядов, поскольку разброс весовых токов не должен превышать доли тока младшего разряда.
Рассмотренная схема ЦАП с суммированием весовых токов при всей ее простоте обладает рядом недостатков:
– при различных входных кодах ток, потребляемый от источника опорного напряжения (ИОН), будет различным, а это может повлиять на величину выходного напряжения ИОН,
– значения сопротивлений весовых резисторов могут различаться в тысячи раз, что делает весьма затруднительной реализацию этих резисторов в полупроводниковых микросхемах; кроме того, сопротивление резисторов старших разрядов может быть соизмеримым с сопротивлением замкнутых ключей, а это ведет к дополнительным погрешностям преобразования,
– в этой схеме к разомкнутым ключам прикладывается значительное напряжение, что усложняет их построение.
В настоящее время разными фирмами выпускается большое количество ЦАП, основанных на разных принципах, которые тем или иным образом обходят эти недостатки и обеспечивают высокие характеристики по точности и быстродействию.
В схеме устройства ЦАП появляется тогда, когда необходимо обработанный цифровой сигнал преобразовать в аналоговую форму и подать на исполнительное устройство, которым может быть динамик, электродвигатель и т.п. Другим использованием ЦАП является прямой синтез сигналов необходимой формы, который предварительно формируется в цифровом виде, а затем с помощью ЦАП преобразовывается в аналоговый вид. Для примера на рис.10.13 приведена упрощенная схема генератора прямого цифрового синтеза (ПЦС) синусоидального сигнала с широким диапазоном задаваемых частот.
Рис.10.13. Упрощенная схема генератора ПЦС синусоидального сигнала
Схема прямого цифрового синтеза содержит три основных блока: генератор фазового угла, память и ЦАП. Генератор фазового угла в типичном случае представляет собой накапливающий сумматор с регистром. Работает он просто как регистр фазы, содержимое которого получает приращение на некоторый фазовый угол через заданные интервалы времени. Необходимое приращение фазы Δφ в виде цифрового кода загружается последовательно или побайтно во входные регистры. Память играет роль таблицы функций.
Системы прямого цифрового синтеза чрезвычайно гибки. Частота выходного сигнала может быть изменена практически мгновенно без разрыва фазы простым изменением содержимого входных регистров.
Преобразование сигналов из аналоговой формы в цифровую предполагает две операции. Первая – дискретизация по времени. Она осуществляется с помощью устройств выборки-хранения, рассмотренных ранее. Вторая – дискретизация по уровню. Для этого предназначены аналого-цифровые преобразователи (АЦП).
В простейшем случае АЦП представляют собой набор компараторов и логическое устройство, выдающее на выходе код, зависящий от того, какие компараторы сработали. На рис.10.14 показана схема такого 3-х разрядного АЦП. Подобные АЦП называются параллельными.
Рис.10.14. Схема параллельного АЦП
Весь диапазон входного сигнала разбит на восемь уровней, которые можно закодировать тремя двоичными разрядами. В соответствии с этими уровнями сформировано семь пороговых напряжений, которые подаются на семь компараторов. Все компараторы сравнивают входной сигнал со своим порогом. Входному сигналу сопоставляется цифровой код, соответствующий максимальному номеру компаратора, из тех, что сработали. Если ни один компаратор не сработал, то на выход подается код 000. Логическая схема, формирующая выходной код состоит из приоритетного шифратора и трех триггеров, в которые записывается выходной сигнал импульсами синхронизации.
Благодаря одновременной работе компараторов параллельный АЦП является самым быстрым. Например, восьмиразрядный преобразователь MAX108 позволяет производить 1,5 млрд преобразований в секунду. Недостатком этой схемы является большой объем и сложность реализации. N-разрядный параллельный АЦП должен содержать 2N-1 компараторов и 2N согласованных прецизионных резисторов. Так, например, АЦП AD9060 содержит 512 компараторов.
Поэтому для приложений, где не требуется максимальная скорость преобразований, производится обмен быстродействия на экономию оборудования за счет тактирования работы АЦП и использования одних и тех же компараторов для определения разных разрядов. В самом медленном варианте остается один компаратор, с помощью которого определяются все разряды (рис.10.15).
Рис.10.15. АЦП последовательного счета: а) структурная схема,
б) временная диаграмма работы
Схема содержит счетчик, на который поступают счетные импульсы от генератора тактовых импульсов (ГТИ). Код, сформированный в счетчике поступает в ЦАП, выходной сигнал которого используется в качестве порогового для компаратора. Код в счетчике начинается с нулевого и потактно возрастает на единицу. Как только сработает компаратор, подача импульсов на счетчик прекращается и достигнутый код подается на выход. На следующем цикле обработки на вход компаратора поступает очередное значение VIN, счетчик сбрасывается в ноль и подача импульсов на счетчик возобновляется.
В настоящее время известно большое число методов преобразования напряжение-код. Эти методы существенно отличаются друг от друга потенциальной точностью, скоростью преобразования и сложностью аппаратной реализации. На рис.10.15 представлена классификация АЦП по методам преобразования.
Рис.10.15. Классификация АЦП
Выбор АЦП для использования осуществляется адекватно приложению с учетом необходимых точности, быстродействия, потребления, габаритов и допустимой стоимости.
Постепенное усложнение АЦП, появление многоканальных АЦП, АЦП со встроенным устройством выборки-хранения, АЦП со сложной цифровой частью привело к тому, что сейчас имеются законченные однокристальные системы сбора данных, обеспечивающие преобразование в цифровой код сигналов, поступающих от многих датчиков и передачу их на микро-ЭВМ. Структурная схема развитой системы сбора данных приведена на рис.10.16.
Рис.10.16. Структурная схема системы сбора данных
( УПК – усилитель с программируемым коэффициентом усиления, УВХ – устройство выборки-хранения, ИОН – источник опорного напряжения, ШД – шина данных)
В схему встроены устройство выборки-хранения и источник опорного напряжения. Для подключения к нескольким источникам входных аналоговых сигналов используется аналоговый мультиплексор. Чтобы сократить частоту прерываний главного процессора некоторые схемы сбора данных снабжаются оперативным запоминающим устройством типа FIFO (first input – first output, первый вошел, первый вышел). Измерительный усилитель с программируемым коэффициентом усиления (УПК), входящий в систему, меняет свой коэффициент усиления по команде от схемы управления. Это позволяет выровнять диапазоны аналоговых сигналов с различных входов.
Примерами таких систем сбора данных могут служить, например, микросхемы AD7581, AD1B60 и LM12458.
1. Схема изолирующего усилителя с трансформаторной связью и описание его работы.
2. Схема компаратора на ОУ.
3. Схема источника опорного напряжения на стабилитроне и компенсационного типа.
4. Схемы механических коммутаторов и коммутаторы с ключами на МОП транзисторах.
5. Функциональная схема аналогового мультиплексора 4х1 и его условное обозначение.
6. Схема оптореле на МОП-транзисторах.
7. Функциональная схема устройства выборки-хранения и временные диаграммы его работы.
8. Простейшая схема ЦАП с суммированием весовых токов.
9. Упрощенная схема генератора прямого цифрового синтеза синусоидального сигнала.
10. Схема параллельного АЦП.
11. Структурная схема АЦП последовательного счета и временная диаграмма его работы.
12. Классификация АЦП.
13. Структурная схема системы сбора данных.
Надеюсь, эта статья про изолирующие усилители, была вам полезна, счастья и удачи в ваших начинаниях! Надеюсь, что теперь ты понял что такое изолирующие усилители и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров
Ответы на вопросы для самопроверки пишите в комментариях, мы проверим, или же задавайте свой вопрос по данной теме.
Комментарии
Оставить комментарий
Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров
Термины: Компьютерная схемотехника и архитектура компьютеров