摘　要：依据不同的传输原理对一些信号隔离传输中常用的集成电路进行分类和分析，总结了采用不同原理工作的电路的主要特点，给使用隔离电路的用户提供选择参考。
关键词：耦合传输；隔离放大；集成电路；应用

１　引言
在军用电子系统和航空航天电子设备中，尤其是一些应用环境比较恶劣的场合，ＴＬＰ６２１、６Ｎ１４０、ＩＳＯ１２４、ＡＤ２１０等型号的电路和其他一些功能相同的电路得到广泛的应用，这些电路的尺寸、性能、封装外形各具特色，用法也互不相同，但功能和应用的目的却大体相同，它们都用作信号隔离电路。因为它们采用集成元件封装，称作隔离放大器，作为信号传输时对干扰信号的隔离。
隔离电路实现了一种特殊的信号传输方法，它的主要作用是在不影响信号传输的情况下，把相互关联的两部分电路用合适的电子元件隔开，使两部分电路之间没有电气连接，通过选用合适的隔离器件，可以达到传输信号，抑制干扰，保护电路的目的。当一个系统要求目标（本身）电路不对其他的电路产生影响，或／和其他电路不能对目标电路产生影响时，常常要求在两部分电路之间无电气连接，以避免彼此间的相互干扰，如开关量和模拟量的传输，当弱信号的控制系统（如数字计算机）控制强电系统（如伺服电机）时，不但要进行信号传输，也要防止强电系统故障对弱电系统造成损害，常常也要在两部分电路的接口之间加入隔离电路，实现局部电路的保护功能。
２　隔离电路的分类
根据不同的信号特性、不同的设计要求、不同的应用环境及印制板空间的限制等因素，对隔离电路的选择有一些特殊的要求。依据所需传输信号的类型，可把隔离放大器分为两类：模拟信号隔离电路和数字信号隔离电路。模拟信号隔离电路主要用于传输对电压／电流量值变化比较敏感的模拟信号，如温度传感器的电压信号和过程控制中的一些信号等；数字隔离电路用于传输数字信号、开关量等电平信号，如数字式角度变送器的角位移信号。
模拟隔离放大器的生产厂家较少，且产品种类较少。主要有美国ＢＢ（ＢＵＲＮ－ＢＲＯＷＮ）公司、ＡＤ（ＡＮＡＬＯＧ ＤＥＶＩＣＥ）公司及ＨＰ（惠普）公司。ＢＢ公司的隔离放大器按照隔离原理分为两种：一种是采用变压器进行信号隔离传输的模拟隔离放大器，ＢＢ公司有小部分产品使用这种传输原理工作；另一种是采用电容耦合方式进行信号隔离传输的模拟隔离放大器，ＢＢ公司的大部分模拟隔离放大器都使用这种传输原理工作；ＡＤ公司的隔离放大器全部采用变压器隔离技术的工作原理；ＨＰ公司的隔离放大器全部采用光电隔离技术，用红外线进行信号的隔离传输。
数字式隔离电路主要用于数字信号和开关量信号的传输。如果系统要求数字信号传输中要进行电气隔离，信号的输出／输入之间没有电气连接或为防止其他电路的噪声通过电源、地线或者信号线窜入本电路而影响本电路的工作，这时应该用数字式隔离电路将相互关联的两个系统隔开以免造成彼此间的影响。
数字式隔离电路的生产厂家很多，如日本的东芝公司、美国的ＴＩ公司、ＭＯＴＯＲＯＬＡ公司和ＨＰ公司等。其中，应用比较广泛的是东芝和惠普的产品。依照数字式隔离电路的生产工艺、电气结构和传输原理，数字式隔离电路主要是采用光传输原理进行信号传输的光电隔离器，这种隔离电路通称为光电耦合器。产品有民用、工业控制、军用、航空航天等多个级别供用户选用。
３　模拟隔离放大器
３．１　ＡＤ公司的隔离放大器
ＡＤ公司的模拟隔离放大器产品分为商业级（民用）及工业级两种，它们采用变压器耦合的信号传输技术，信号的传输介质是磁场，产品主要有ＡＤ２０２／ＡＤ２０３／ＡＤ２０４／ＡＤ２０８／ＡＤ２１０／ＡＤ２１５等系列。按照结构来分，有双口隔离放大器和三口隔离放大器。以ＡＤ２１０为例，它采用输入、输出、电源三口隔离技术，即由外部给电源口供电，通过内部变压器给输入端及输出端电路提供工作电源，首先切断了输入端和输出端的电源联系。不过，输入端／输出端的电源只能提供５ ｍＡ的负载能力。输入信号经过ＡＤ２１０内部输入端的前置放大器（增益为１～１００）放大后，进入内部调制器进行调制，调制后的信号通过变压器耦合传输到输出边，经解调器解调后放大输出。ＡＤ２１０隔离放大器的输入阻抗高达１０１２ Ω，可由很弱的信号驱动。隔离电压为有效值２ ５００ Ｖ，输入／输出信号带宽为２０ ｋＨｚ，其原理框图如图１所示。
由于这种隔离器内部在信号传输过程中采用了调制解调技术，解调后的信号虽然经过滤波，但调制波不能完全滤除干净，所以输出信号中有１０ ｍＶ（峰－峰值）的纹波。另外，此电路的体积较大，选择时需予以注意。
３．２　ＢＢ公司的隔离放大器（电容耦合传输的隔离放大器）
ＢＢ公司的隔离放大器种类较多，主要有ＩＳＯ１００／１０２／１２０／１２２／１２４／１３０／１６４／１６５／１６６／１７４／ １７５／１７６等双口隔离放大器和ＩＳＯ１０３／１１３／２１２／１０７等三口隔离放大器。ＢＢ公司生产的三口隔离放大器，其工作原理与ＡＤ公司生产的三口隔离放大器相同，以变压器耦合作为信号传输的途径，这部分产品的体积大，价格高，性能好。大部分产品以电容耦合的方式来进行信号传输，由于工艺问题，集成电路内无法集成大容量电容器，用集成电路技术可做的电容器容值最多在１０ ｐＦ以上。以ＩＳＯ１２４为例，片内集成的电容器为１ ｐＦ。隔离电压（有效值）为１ ５００ Ｖ，信号传输过程同ＡＤ２１０相似，输入信号进入ＩＳＯ１２４后，首先由前置放大器放大，然后经过内部调制器调制，调制后的信号经过电容器耦合到输出边，由解调器解调后驱动输出。输出／输入为固定的单位增益，该产品的体积小巧，采用标准ＤＩＰ１６型封装，去掉了中间的３、４、５、６和１１、１２、１３、１４引脚，体积较小，布线方便，节省印制板资源。该电路的信号传输带宽为５０ ｋＨｚ，其输出／输入增益为１（此值已经过内部电路校准）。ＢＢ公司采用电容传输的隔离放大器ＩＳＯ１２４的结构如图２所示。
与ＡＤ２１０相似，由于信号传输过程中采用了调整解调技术，解调后的信号虽然经过滤波，但调制波不能完全滤除干净，所以输出信号中有峰－峰电压达２０ ｍＶ的纹波，设计时应当注意。
３．３　ＨＰ公司的隔离放大器
ＨＰ公司的隔离放大器主要是光隔离放大器，其信号是通过光传输的方式进行信号传输和实现电气隔离，典型的电路如ＨＣＰＬ/７８００／ＨＣＰＬ/７８２０／ＨＣ-ＰＬ/７８２５／ＨＣＰＬ/７８４０等系列电路。以ＨＣＰＬ/７８００为例，这种电路主要用于各种电流检测电路和模拟信号隔离电路，它的内部采用了１４位的Σ/Δ模／数转换技术和数／模转换技术，输入的模拟量信号转换为数字量，再经过数字式光电耦合器耦合到输出边，由输出边的数／模转换器再把数字量转换成模拟量输出。该电路采用５ Ｖ电源，信号传输带宽为８５ ｋＨｚ，采用差分输入／差分输出形式，信号输入范围为±２００ ｍＶ，其输出／输入增益为８(典型值，允许误差为±５％；ＨＣＰＬ/７８００Ａ／Ｂ的增益误差最大允许值为１％)。ＨＣＰＬ/７８００隔离放大器结构如图３所示，工作原理如图４所示。
ＨＰ公司的光电隔离放大器的体积特别小，以ＨＣＰＬ７８００系列产品为例，它采用标准ＤＩＰ８型封装，特别适合于高密度安装的印制电路板；这种产品没有纹波，但由于采用了数／模和模／数转换技术，不可避免的要引入量化误差，具体情况参见ＨＰ公司的产品手册。
由于采用了不同的隔离传输技术，不同公司的产品各有特点，选择时，首先要了解各种不同产品的特点，针对具体的需求进行选择，表１中以三种产品为例列出了各个产品的不同参数，供读者参考。
到目前为止，进口产品中，模拟隔离放大器只有工业级和商用级产品。通过对三种模拟隔离放大器的性能比较，可以看出，ＡＤ公司和ＢＢ公司采用变压器进行信号隔离传输的隔离放大器的体积较大，价格较贵，性能也好，输入／输出信号电压范围宽，增益可调整，适用于印制板空间宽裕的设计；ＢＢ公司的电容耦合式隔离放大器的体积小巧，输入／输出采用１：１的增益传输信号，接线简单，使用灵活，适用于印制板空间有限、元器件密度较大的设计；ＨＰ公司的产品的体积小，信号传输过程中未使用调制解调技术，故输出信号中无纹波，信号质量较好，但输入／输出信号电压范围较窄，适用于印制板空间较小，元器件密度较大的设计。在使用中，用户需要根据具体情况选择所需元件进行设计。
４　数字隔离电路
数字隔离电路的生产厂家较多，如日本的东芝公司、松下公司，美国的ＨＰ公司、摩托罗拉公司等诸多公司，国内也有一些公司生产相同或相似的产品。数字式隔离电路大多采用光耦合传输方式，与模拟隔离电路相比，数字式隔离电路的结构相对较为简单，主要由砷化镓红外发光二极管和用作检测器的光敏二极管或三极管组成，有些产品在光敏二极管或三极管的后级添加一些处理电路，使其特性适合于一些特殊的应用或实现一些标准接口。
从结构上区分，数字式光电耦合电路可分为三极管输出方式、ＯＣ门输出方式和ＴＴＬ输出方式。
４．１　三极管输出式光电隔离电路
三极管输出式的隔离电路以ＴＬＰ６２１型为代表，这是一种常见的工业级电路，它由砷化镓红外发光二极管和光敏三极管组成，有多家厂商提供这种产品。它的输入端由砷化镓材料制成的红外发光二极管，在ＴＬＰ６２１要求的正常工作范围里，如果输入端的二极管流过一定的电流，它能发出一定波长的红外线，红外线照射到输出端的光敏三极管上，使输出端的光敏三极管导通；输入端的红外发光二极管没有电流流入的时候，输出端的光敏三极管处于截止状态。通过控制输入端红外发光二极管的工作电流，实现对输出端光敏三极管的工作状态的控制。ＴＬＰ６２１实现了开关量和数字量的正确传输和电气隔离功能，结构简单，应用灵活，可实现多种连接方式。ＴＬＰ６２１的结构如图５所示。
４．２　ＯＣ门输出式光电隔离电路
在数字式光电隔离器中，ＯＣ门输出式光电隔离器是一种重要的形式，它的种类很多，ＨＰ公司的６Ｎ１４０Ａ型军用产品是其中的代表。６Ｎ１４０Ａ的输入端是一个磷砷化镓（ＧａＡｓＰ）红外发光二极管，当它流过０．５ ｍＡ～５ ｍＡ的电流时，发光二极管发出红外线，照射到输出端的光检测器/光敏二极管上，光敏二极管反相导通使晶体管处于饱和状态，信号就是通过这样的方法从输入端传递到输出端；与常规达林顿光耦相比，６Ｎ１４０Ａ的输出级三极管具有较高的增益和较低的饱和电压，其电流传输比为３００～１ ５００，最大饱和电压为０．４ Ｖ。另外，这种光电耦合器具有较宽的电源特性，它可在２ Ｖ～１８ Ｖ电源下正常工作。它的缺点是输入端的反相击穿电压较低，只有４ Ｖ。６Ｎ１４０Ａ的结构和原理分别如图６和图７所示。
４．３　ＴＴＬ输出式光电隔离电路
ＴＴＬ输出结构的光电隔离电路的种类和数量较少，由于采用ＴＴＬ输出结构，这种光电耦合器不用增加附加的电子元件，也不用进行信号处理，即可方便地实现和其他ＴＴＬ电路的接口，电路结构简单。在这类元件中，ＨＰ公司的ＨＣＰＬ/５２３１型是其中的代表。ＨＣＰＬ/５２３１是一种军品元件，它的输入端是一个砷化镓铝发光二极管，当有电流流过发光二极管时，信号通过光耦合到输出边的光检测器即光敏二极管上，光敏二极管反相导通，再经过后级电路处理，在输出脚出现ＴＴＬ高电平；如果输入端的发光二极管没有电流流过，则在输出脚出现ＴＴＬ低电平，另外，在ＨＣＰＬ－５２３１输出边有一个斯密特触发电路，可以提高信号的抗干扰能力。ＨＣＰＬ－５２３１的结构和原理如图８和图９所示。
在以上讨论的３种数字式光电耦合器中，三极管输出式光电耦合器的结构简单，成本低廉，用法最灵活。ＯＣ门输出式光电耦合器的成本相对高一些，但低于ＴＴＬ输出结构的光电耦合器。当多个ＯＣ门输出式光电耦合器集成在一个封装中时，所有输出端的三极管发射极通常都连接在一起，甚至全部连在地线上，所以在使用这种光电耦合器时，通常都要添加其他元件如上拉电阻器等，信号的输出方式比较固定，但这种元件的电源电压范围较宽。ＴＴＬ输出式数字光电耦合器的成本最高，但应用也最方便，用它可以简化设计，常用在一些高级设备中。光电耦合器还有一些其他种类，如光隔离达林顿管、光隔离ＳＣＲ驱动电路等。