電容耦合的隔離式放大器的製作方法

2023-05-12 03:53:46

專利名稱：電容耦合的隔離式放大器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種隔離式電信號感測電路領域，特別適用於隔離式差分放大器電路。
如所周知，電容器與變壓器是電抗元件，常用來傳輸交流信號。為了非接觸地傳輸差分電壓(包括直流及低頻分量)，現有的方法都是採用調製-解調製的方法。首先，用一個調製器把被測的差分電壓變換為一個高頻調製信號，因而可以通過變壓器或電容器，非接觸地把它耦合出去。然後，用一個解調器把這個調製信號還原為原來的差分信號。在這種情況下，變壓器或電容器就起到了隔離器與耦合器的雙重作用。當然，在有些情況下，光學耦合器件也可以起到這個作用，成為光學耦合的隔離放大器(或者模擬-模擬變換器)，它實際上也是一種調製-解調製的工作方式。在上述兩種電抗元件當中，變壓器則更多地被採用，有大量的專利已被授權和公開。相比之下，利用電容器作為隔離與耦合的放大器則為數不多，如授予Smith的第4，292，595號美國專利及授予Someruille的第4，748，419號美國專利就是比例。採用電容器的顯著優點，就是它可以被集成，而變壓器卻不能。目前已有電容耦合的調製-解調製方式的集成隔離放大器產品如Burr-Brown公司的ISO106隔離放大器，採用了一對3pf的電容器作為隔離與耦合元件，實現了深度的電隔離。然而，上述調製-解調製方式的隔離傳輸方法有其固有的缺點。首先，非線性效應是幾乎所有調製過程與解調製過程的伴生效應。因此，這種方法要面臨精度與動態範圍的降級問題。其次，頻率響應的帶寬至少受載頻之限制。第三，調製器是在隔離元件之前，因而要有一個隔離的電源供給調製器的工作電流。第四，線路設計複雜，成本高。
本發明的目的在於提供一種廉價的、深度電隔離、頻率響應足夠寬的電容耦合的隔離式放大器。
本發明的目的是由以下措施來實現的它包含有兩個組成電路，即電壓-電荷變換器電路和電荷感測器電路。電壓-電荷變換器電路，具有第一與第二被測差分電壓的輸入端，以及第一與第二電荷輸出端，用於把被測的差分電壓轉變為某個電容器上成比例的電荷量。電荷感測器用於感測電容器上的電荷，以獲得有一定負載能力的，與被測電荷成比例的輸出電流。電荷感測器電路實際上是一個具有很高的等效輸入電阻而且電流增益遠大於1的線性放大器。這種使用開關電容器耦合，特高輸入阻抗的放大電路，實現了非調製-解調式的隔離感測方法。
本發明的


如下圖1為本發明的基本線路原理圖。
圖2為圖1線路中某些主要節點的波形圖。其中AA為驅動開關的時鐘脈衝串;
BB為輸入端的一個差分電壓波形;
CC為節點31與32之間的響應波形。
圖3是放電開關接通時共模電壓的充電情況。
圖4a是放電開關斷開時共模電荷的分布情況。
圖4b是圖4a的等效電路圖。
圖4c是圖4b的等效電路圖。
圖5a是圖1的一個簡化電路。
圖5b是圖1的另一個簡化電路。
圖6是本發明的隔離放大器電路的一個實施例。
圖1是本發明的原理說明圖，它由兩部分組成。部分P1是電壓-電荷變換器;部分P2是電荷感測電路，實際上是一個特高輸入電阻的線性放大器。
電壓-電荷變換器P1由一個電容分壓器和一組充、放電開關組成。它有一對輸入端11，12，被測的差分電壓由此輸入。還有一對電荷輸出端31，32作為變換後的電荷測量端。電容分壓器包含三個串聯的電容器，分別稱為第一耦合電容器15，第二耦合電容器16和串聯在它們之間的輸出電容器18。電容器15的另一板極則與開關13的一端相連接於節點21，開關13的另一端連接至第一輸入端11。電容器16的另一板極則是節點22，直接與第二輸入端12相連。處於串聯狀態的開關13叫做輸入短路保護開關。另外兩個開關，一個叫耦合復位開關14，一個叫輸出復位開關17。開關14連接在節點21與22之間，而開關17則與電容器18相併聯於電荷輸出節點31與32，作為電壓信號的傳輸節點。
電荷感測電路P2是一個有特高輸入電阻的差分放大器53，其等效的輸入電阻19連接於電路的輸入端31與32，也就是電壓-電荷變換器的輸出端。此差分放大器的輸出端61與62即是整個電路的輸出端。節點51與52分別是差分放大器53的正、負電源電極。
一個時鐘信號CK是開關的驅動信號，其中開關14，17由CK脈衝驅動，相應於圖2中的AA波形的SET狀態，而開關13由CK驅動，相應於RESET狀態。
當CK脈衝來到時，開關13被斷開，而開關14與17被同時接通，輸出電容器18通過開關17放電，直至清除其上面的電荷，使輸出端61與62的電壓清零。與此同時，耦合電容器15與16通過開關14與17放電，清除了由輸入的差模電壓部分所充的電荷。這個過程稱為「復位」。
當CK脈衝復位，開關13被CK脈衝接通，而開關14與17則同時切斷，於是電容分壓器重新被輸入的差分電壓充電，而由於電阻19的阻值特別大，使得在節點31與32之間的電壓按電容分壓的比例重新跟隨輸入的差分電壓而變動，通過線性放大器53的傳輸，實現了線性放大的目的。這個過程稱為「再跟隨」。
圖2中的BB與CC就展示了復位與再跟隨過程的一個波形實例。其中BB表示輸入端11與12之間的差分電壓波形，而CC表示電容器18的電荷響應波形。
前面提到，在復位過程，電容器15與16隻能清除其差模電荷，而對共模電荷是保留的。圖3表示了電壓-電荷變換器在復位過程中對共模電壓的響應。這時開關14與17接通，電容器15與16由串聯變為並聯，共模電壓Vom作用於並聯電容之上。當進入再跟隨過程時，開關14與17斷開，電容分壓器的電容器重新串接，這時電壓-電荷變換器的等效電路如圖4a所示，其中Vd與Ri分別是輸入差分電壓與等效的源內阻。圖4b是圖4a的簡化的等效電路，把電容器15與16上的共模電壓看成是電路中的等效電動勢Vom。該圖2可進一步簡化為圖4c。由此看出，電壓-電荷變換器對差模電壓Vd的響應是與耦合電容器15與16上的共模電荷是無關的。
由於電容器的充放電過程，對電壓信號的傳輸必然帶來誤差，導致波形失真。為了分析方便，茲將充放電過程分為三個階段。第一階段是從CK脈衝上升沿開始的放電瞬態過程。這個過程要求殘留電壓小，即是要求由電容器15，16和18與開關14，17之接通電阻Ron形成的放電電路之時間常數要遠小於CK脈衝的寬度。這個時間常數記為T1，由圖2的CC波形圖所示。第二階段是從CK脈衝的下降沿開始的跟隨被測電壓的充電瞬態過程。這個過程要求儘量短，也就是要求電容分壓器的總電容值與等效源內阻Ri之時間常數T2要遠小於被測電壓之上限頻率之倒數。之後便是第三階段亦即是再跟隨過程。此時要求電容器18與等效電阻19之時間常數較之時鐘CK之RESET間隔即CK脈衝之寬度為足夠大，以使得電容器18上之跟隨電壓值的誤差為足夠小。例如，取耦合電容器15，16之容量為10微微法拉，電容器18之容量為10微微法拉，電阻19取10千兆歐姆(如場效應管輸入級的運算放大器可以滿足)，開關的開通電阻Ron取1千歐姆，源內阻Ri取10千歐姆以下，CK脈衝寬度取1微秒，重複周期取1毫秒，這組參數將會是一個相當優秀的線性放大器的設計依據。
以上是本發明的信號傳輸原理。它得到了一種新的工作方式即「復位與再跟隨」，而不同於熟知的「採樣與保持」的工作方式。
這個線路的主要目的是要實現輸入兩端11，12與輸出兩端31，32或61，62之間的深度電隔離。這個電隔離是由兩部分並聯組成。第一部分是通過電容器15，16的兩個板極間的電介質而實現的。由於這對電容器之容量可以取得很小，例如10微微法拉乃至更小，於是深度的電隔離是容易實現的。第二部分便是開關13與14之接點與驅動線路之間的電隔離，這時驅動線路是與感測電路的輸入端是電隔離的;或者是開關17的接點與驅動線路之間的電隔離，這時驅動線路是與感測電路的輸出端是電隔離的。目前，市場上有多種開關可滿足這種要求。例如，光隔離開關，以光電效應來實現電隔離驅動;又如由振鈴電路產生的單脈衝驅動線路，可由射頻變壓器把單脈衝電壓耦合出去，從而實現深度電隔離的驅動裝置等等。
圖5a給出一種簡化的電路，其中用電阻器23取代圖1中的開關13，作為短路限流電阻。此時，開關14的非零接通電阻Ron就會帶來殘留電壓的誤差。
圖5b給出了另一種簡化的電路，其中用電阻器24取代圖1中的開關14，作為放電通路。此時，較大的電阻值，會使差模電荷的放電過程變慢。
圖6給出了一種實用的隔離放大器電路。其中以兩個串聯的開關27，37代替圖1中的開關17。這兩個開關都是由CK脈衝驅動，它們的連接點接到一個參考地60。此外，兩個串聯的電容器28，38代替圖1中的電容器18，它們的連接點也接到參考地60，起到了旁路共模電壓脈衝的作用。
最後，如把時鐘CK的SET狀態時間拉長，RESET變得很短，由圖2可以看出，再跟隨過程可以縮短為採樣過程，於是本發明的電路又可轉化為隔離式的採樣電路。
本發明與現有技術相比，具有價廉、深度電隔離、頻率響應寬等優點。
權利要求
1.一種電容耦合的隔離式感測電路，其特徵在於它包含有a.把被測的差分電壓轉變為電容器上成比例的電荷量的電壓--電荷變換器電路，它具有第一與第二被測差分電壓的輸入端，以及第一與第二電荷輸出端；b.有一定負載能力，與被測電荷成比例輸出電流的電荷感測器電路，它是具有很高的等效輸入電阻器電流增益遠大於1的線性放大器。
2.根據權利要求1所述的隔離式感測電路，其特徵在於電壓-電荷變換器電路包含有向被測的差分電壓提供一個充電通路，以完成該電壓隔離式變換過程的電容分壓器裝置;為電容分壓器中的電容器提供可控放電通路，令其在一個短時間內清除由被測差分電壓誘導電荷的復位開關裝置;串聯在被測差分電壓的一個輸入端與電容分壓器之間的放電保護開關裝置;可產生置位及復位的時鐘裝置。
3.根據權利要求2所述的隔離式感測電路，其特徵在於電容分壓器裝置由三個電容器組成，其中第一耦合電容具有兩個板極，一個板極與放電保護開關裝置相連，另一板極則成為第一電荷輸出端;第二耦合電容器一個板極與第二輸入端相連，另一板極成為第二電荷輸出端;輸出電容器跨接在兩個電荷輸出端之間，與耦合電容器形成串聯電路，用於存儲與被測的輸入差分電壓成比例的電荷。
4.根據權利要求2所述的隔離式感測電路，其特徵在於復位開關裝置由輸出復位開關和耦合復位開關組成。
5.根據權利要求4所述的隔離式感測電路，其特徵在於輸出復位開關跨接在兩個電荷輸出端之間，與輸出電容器並聯，為定時地清除輸出電容器上的電荷而提供放電通道，以及為定時地清除兩個耦合電容器上由被測差分電壓誘導的差模電荷提供一部份放電通道。
6.根據權利要求4所述的隔離式感測電路，其特徵在於耦合復位開關跨接在兩個耦合電容器的第一板極之間，為定時地清除兩個耦合電容器上由被測差分電壓誘導的差模電荷而提供另一部分放電通道。
全文摘要
本發明提供了一種開關電容器耦合的隔離式差分放大電路。它包括電壓—電荷變換器電路和電荷感測器電路。電壓—電荷變換器通過電容器的耦合，把輸入的差分電壓轉換為成比例的束縛電荷對。再經過具有特高輸入電阻的電荷感測器電路放大，得到有一定負載能力的輸出電壓。這樣便實現了一種廉價的、深度電隔離、頻率響應寬等的電容耦合的隔離式放大器。
文檔編號H03F3/387GK1079345SQ9210428
公開日1993年12月8日 申請日期1992年5月16日 優先權日1992年5月16日
發明者丘雪明 申請人:丘雪明