优秀模拟工程师必备(三):数字隔离与模拟隔离

F调制信号，其使用方式与光耦合器使用光的方式非常相似，逻辑高电平信号将引起连续RF传输。这种方法的功耗高于脉冲方法，因为逻辑高电平信号需要持续消耗电能。

也可以采用差分技术来提供共模抑制，不过，这些技术最好配合变压器等差分元件使用。

数字隔离器的浪涌测试

许多应用要求隔离危险电压，以符合国际安全标准的要求。为了确保设备和操作人员的安全，这些标准往往要求隔离元件(如数字隔离器或光耦合器)能承受10 kV(峰值)以上的高压浪涌。因此，测试隔离器浪涌性能是开发安全、可靠器件的必要环节。

国际电工委员会(IEC)和VDE (Verband der Elektrotechnik)两个组织出版的标准就隔离技术在医疗、工业、消费以及汽车等系统中的系统级和元件级应用进行了规定。为了确保在出现高压浪涌时人员和设备的安全，这些标准根据具体应用所需要的隔离等级规定了不同的浪涌额定值。

共有三类常见的隔离等级：功能隔离、基本隔离和增强隔离。功能隔离仅有少量安全要求，因为它一般只用于要求隔离接地基准电压的场合，以保证电路能正常工作。可见，安全性和浪涌性能并不是功能隔离的主要考虑因素。

然而，安全性却是基本隔离和增强隔离的主要考虑因素，因此，浪涌电平是确定隔离质量的关键。基本隔离可以保护终端设备用户，使其免受电击，增强隔离是一种单独的隔离系统，其提供的保护能力相当于两个冗余的单个或基本隔离系统。医疗和工业应用一般要求增强隔离，以保护病人和终端用户，使其免受致命性电击的影响。VDE针对数字隔离器的增强隔离标准是VDE 0884-10，规定最小浪涌电压(VIOSM)额定值为10 kV，同时对工作电压(VIORM)和耐受电压(VISO)作出了规定。

数字隔离器的浪涌电压额定值规定的是在经受连续短暂高压脉冲之后的抗冲击能力。图1所示为符合IEC 61000-4-5的浪涌波形的时序特性。

图1. 浪涌电压波形

测试时，把设备放在一个测试板上，使隔离栅两端的所有引脚短路(见图2)。将一个高压脉冲发生器通过一个1000Ω/1000 pF网络连接到隔离栅的一端。发生器回路连接到隔离栅另一端。将一个100 kΩ、2.5 W的电阻跨接于隔离栅上，以便施加各个脉冲之后使电路放电。用一个带1000:1高压探头的示波器监控脉冲。将放电枪设置为测试计划规定的最低电压，示波器设为单次触发。在该电压电平下施加10个脉冲，并用示波器对各个脉冲进行监控。通过骤降脉冲幅度(在不到50 μs的时间内下降到50%)可发现隔离栅中的缺口。如果部件可以承受10个脉冲，则提高放电枪电压，再施加10个脉冲。持续进行，直到隔离栅发生故障为止，或者直到达到最大测试电压为止。

图2. 浪涌测试设置

能否通过该测试主要取决于隔离厚度(亦称为隔离距离，缩写为DTI)以及隔离材料的质量。应用的电场往往在绝缘体内部的缺陷点聚集，因此，较低的缺陷密度一般会带来较高的击穿额定值。较厚的材料对击穿的抗击能力更强，因为场强与绝缘体任一端的导体之间的距离成反比。

以上我们解释了数字隔离器的隔离要素及数字隔离器的浪涌测试，下面我们将为大家带来模拟隔离的技术及应用。

模拟信号隔离

在很多系统中，模拟信号必须隔离。模拟信号所考虑的电路参量完全不同于数字信号。

模拟信号通常先要考虑：精度或线性度、频率响应、噪声等。　　然后是对电源的要求，电源要求高隔离、高精度、低噪声，特别是对输入级。也应该关注隔离放大器的基本精度或线性度不能依靠相应的应用电路来改善，但这些电路可降低噪声和降低输入级电源要求。

对于电源噪声的干扰，可以采用调制载波使模拟信号跨越这个屏障。如ISO4-20的两线无源信号隔离放大器使模拟隔离简化。输入信号被占空度调制并以数字方式发送跨过屏障。输出部分接收被调制的信号，把它变换回模拟信号并去掉调制/解调过程中固有的纹波成分。

对信号隔离的另一问题是隔离放大器输入级所需的功耗，而隔离放大器的输入阻抗及自身的等效电阻是问题的关键所在。而输出级通常以机壳或地为基准，输入级通常浮动在另一个电位上。因此，输入级的电源也必须隔离。通常用一个单电源(5V/12V/15V/24V)，而不是理想中使用的正、负双电源。

以下我们举例来说明模拟隔离技术

图1中的单通道隔离温度测量电路采用了一种电容耦合的模拟隔离放大器。在电路中，一只RTD(电阻温度探测器)将温度转换为一个电阻值。一个100-μA电流源将RTD电阻值转换为电压。INA114仪表放大器对RTD/100-μA电压做放大，并消除RTD接线电阻RL。仪表放大器的增益与隔离放大器的输入电压范围相匹配。

精密隔离