隔離采樣中的放大器與調制器如何選擇

電子發燒友網報道（文/李寧遠）工業應用里的電機驅動器，光電逆變器，不間斷電源（UPS）和汽車應用里的車載充電器（OBC），牽引逆變器，和直流/直流轉換器，都是需要在高電壓和電流水平下運行的。這些系統往往會很容易受到惡劣復雜工況的影響，如電噪音、振動、機械沖擊、極端溫度、污染物等等。

不管是在汽車應用里需要通過隔離手段將敏感的電子元器件與快速瞬變高壓組件進行分隔，還是在工業應用里需要各種方法來應對高壓浪涌、高接地電位差并保護共模瞬態數據，隔離在任何高電壓系統中都是首先要考慮且必要的。在這些高壓系統上測量的反饋信號通過隔離放大器或隔離調制器與低壓控制器進行電隔離。

隔離放大器的電隔離實現

隔離放大器的輸入級由一個驅動輸入放大器-ΔΣ調制器的輸入放大器組成。輸入放大器的增益由內部精度電阻器進行固定和設置，ΔΣ調制器則使用內部參考電壓和時鐘發生器來將模擬輸入信號轉換為數字位流。驅動器將通過隔離屏障傳輸調制器的輸出。接收到的位流和時鐘由低壓側的模擬低通濾波器進行同步和處理，并作為模擬輸出信號呈現。

隔離放大器的差分輸出通常被轉換為具有基于運放器電路的單端模擬輸出，這種基于運算放大器的電路可以消除由接地環路引起的測量誤差，還能防止數據采集器件遭受遠程傳感器帶來的潛在破壞性電壓影響，在多通道應用中來放大低電平信號很合適。此外，由于不需要附加的隔離電源，帶有內部變壓器的隔離放大器還能降低電路成本。

在ΔΣ調制、斬波穩定以及差分輸出等特性下，隔離放大器能提供極好的隔離模式噪聲抑制能力、高增益精密度和穩定性。

隔離調制器的電隔離實現

隔離調制器的輸入級類似于隔離放大器，驅動器通過隔離屏障傳輸調制器的輸出。隔離的數據輸出DOUT以更高的頻率提供1和0的數字位流。該比特流輸出的時間平均值與模擬輸入電壓成正比。測量信號通過微控制器系列內的數字濾波器進行重建。

隔離調制器的隔離層能有效將輸入和輸出電路隔離開，防止高共模電壓線路上的噪聲電流進入本地系統接地干擾或損壞低電壓電路，或者是承受住能夠損壞設備或傷害人類的高電壓浪涌。在現在需要高精度度電流測量和電流隔離的電機/逆變器中，隔離調制器的出現越來越多，這一是受益于隔離調制器的高CMTI，二是隔離調制器技術也在不斷優化，改善了失調和增益誤差相關的性能。

隔離放大器與隔離調制器的性能比較

比較二者之間的區別，概括來說，隔離放大器來實現隔離是一種很固定的方案，各種參數指標都很固定，相比之下隔離調制器的方案就靈活很多，需要根據具體應用做權衡。

從樣本分辨率來看，隔離放大器在100kHz的帶寬下分辨率在11bits，而隔離調制器理論上是可以達到14bits以上分辨率，不過這需要分辨率和延遲之間做取舍。說到延遲，隔離放大器的延遲是比較固定的，在2-3微秒之間，隔離調制器的延遲同樣需要在分辨率、帶寬和延遲做權衡，是可以實現小于1微秒延遲的。

在精度和漂移性能上，兩種方法都很高，不過在實現隔離所需的組件上，隔離放大器的方案需要的組件會偏多一些，調制器方案對其他組件的需求較少。隔離放大器因為測量的模擬信號經歷了幾次模數和數模的轉換，所以整體的精度和噪聲水平不可避免地會下降，這也會額外增加延遲。而隔離調制器的方案里測量到的模擬信號只進行一次模數轉換，在信號的質量上無疑會好一些，另外因為減去了從差分到單端階段的轉換需要，所需的組件的數量也減少了。

隔離調制器如果用更高的過采樣比，測量能得到更高的精度和更高的樣本分辨率，相應的，信號帶寬會變少，同時延遲會更高。相反，降低過采樣比，就能以降低精度和樣本分辨率為代價大大增加帶寬并減少延遲。

小結

由于基于隔離調制器的隔離方案能根據應用權衡各項指標獲得極高的分辨率或是極低的延遲，十分靈活。隨著高壓系統的集成度越來越高，需要實現的隔離、保護功能也越來越多，對于隔離方案能實現的的性能和靈活度要求越來越高，高性能的電隔離系統開始轉向基于隔離調制器的趨勢。