6.3. Развязывающий усилитель с конденсаторной связью входной и выходной секций

В этом усилителе (рис. 6.8) входной сигнал модулируется прямоугольными импульсами с частотой повторения 500 кГц. Теоретически такой усилитель может пропускать сигналы с частотой до 250 кГц. Практически полоса пропускания ограничивается частотой 50 кГц. Более того, пульсации в виде ступенчатости, изменение сигнала во времени при его гармонической форме (рис. 6.9, а) наблюдаются уже на частотах около 20 кГц (рис. 6.9, б). На частоте f = 2 кГц они практически не просматриваются. Аналогично при передаче прямоугольных импульсов очень крутые фронты начинают приобретать ступенчатую форму (рис. 6.9, в, г).

Входная и выходная секции усилителя должны питаться от гальванически развязанных источников, т.е. усилители данного типа размыкают общую шину. Это позволяет включать входную секцию по схеме плавающего потенциала земли, гарантируя тем самым высокую степень защищенности от синфазных помех во входном сигнале.

Конденсаторная связь, к сожалению, не исключает прохождения через усилитель размыкаемого напряжения – напряжения между двумя общими точками.

На рис. 6.9, д приведена зависимость сопротивления изоляции от частоты. На рис. 6.9, е – график ослабления этого напряжения от частоты.

116

Рис. 6.9

Усиление в таких усилителях по напряжению чаще всего равно единице.

Блок-схема усилителя с внешними источниками питания представлена на рис. 6.10.

117

Связь же напряжения и тока в светодиоде существенно нелинейна.

Это означает, что усилитель входной секции должен быть построен по принципу преобразования напряжения в ток, т. е. в нем должна быть предусмотрена отрицательная обратная связь, снимаемая по току и заводимая по напряжению.

Для этой цели хорошо подходит специальная оптопара, состоящая из арсенид-галлиевого светодиода и двух фотодиодов, размещенных в одном корпусе. Между светодиодом и фотодиодами средствами лазерной подгонки обеспечивается одинаковая оптическая связь. Один из фотодиодов оптопары используется в качестве элемента обратной связи по току, а второй– преобразователя светового потока в электрический сигнал во входной цепи выходной секции С2.

Возможны несколько вариантов использования таких оптопар

вразвязывающих усилителях:

•фотодиоды смещены обратно (рис. 6.11, а);

•фотодиоды закорочены (рис. 6.11, б).

119

канием участка АВ в той и другой схемах. Для реализации обратной связи в схеме используют специальную оптопару, щую из светодиода СД и двух фотодиодов ФД1 и ФД2. ность оптопары заключается в том, что оптическая связь между светодиодом и фотодиодами одинакова. Как и в случае светодиода, в фотодиоде наблюдается пропорциональная связь между интенсивностью падающего на него светового потока и генерируемым в нем током. Это означает, что ток светодиода связан с током фотодиодов постоянными коэффициентами K1 =

= I1/I0 = const и K2 = I2/I0 = const. Обычно K1 и K2 близки по величине.

Линеаризация характеристик в схеме, например рис. 6.11, а, происходит следующим образом. Если при Uвх = const по некоторой причине, например, увеличивается ток I0 светодиода СД, то это приводит к увеличению тока I1 фотодиода ФД1. В результате увеличивается падение напряжения на резисторе R2, т.е. увеличивается Uос. Оно вычитается из Uвх и, как следствие, уменьшается

∆U, что приводит в конечном итоге к уменьшению тока через светодиод. При уменьшении I0 картина меняется на обратную. По-

скольку ∆U << Uвх, то теоретически Uос = Uвх и ток I1 = Uвх /R2. А ток светодиода равен I0 = I1/K1 = Uвх /(R2 K1). Так как ток фото-

диода ФД2 равен I2 = K2 I0 , то Uвх2 = R4 I2 = K2 I0 R4. Отсюда результирующее выходное напряжение развязывающего усилителя

равно Uвых = Uвх(R4/R2) (K2/K1). Усиление по напряжению в этой схеме можно задавать подбором резисторов R4 и R2.

Схема усилителя на рис. 6.11, б отличается от предыдущей тем, что фотодиоды здесь включены по схеме короткого замыкания их зажимов. В самом деле, в силу практически равного нулю

∆U фотодиод ФД1 оказывается закороченным. Всилу равенства нулю входного тока усилителя ОУ1 ток фотодиода I1, а также ток, обусловленный входным сигналом Iвх = Uвх /R1, взаимно компенсируются. Опять-таки и здесь имеет место условие I0 = Uвх /R1 K1. Выходное же напряжение усилителя

Uвых = Rос I2 = K2 I0 = Uвх K2 Rос/ K1 R1 = Uвх (Rос /R1)(K2/K1).

Как известно, фотодиодам в режиме короткого замыкания свойственна лучшая линейность преобразования интенсивности

121

светового потока в ток. Поэтому схема на рис. 6.11, б имеет большую линейность по сравнению со схемой рис. 6.11, а. Полоса же пропускания этой схемы меньше.

Рассмотренные схемотехнические решения реализуются в коммерчески доступных изолирующих усилителях с оптической развязкой. Помимо однополярных усилителей существуют и двухполярные. Некоторые схемы промышленных усилителей содержат встроенные источники тока для смещения рабочих точек входной и выходной секций.

Ошибки изолирующих усилителей оценивают по суммарной ошибке от входных токов и напряжений сдвига секции С1, а также от входных токов и напряжений сдвига секции С2.

Пример применения изолирующего усилителя представлен на рис. 6.12.

Рис. 6.12

Здесь опять-таки используется инструментальный усилитель с Ku = 100 и последовательно с ним включенный изолирующий усилитель с усилением 10. Усиление инструментального усилителя регулируется резистором R1, а усиление изолирующего определяется отношением внешних резисторовR2 и R3, т.е. Ku2 = R2 /R3 =

122