一个双极性的宽带高精度光耦隔离放大器

J B i om ed Eng

生物医学工程学杂志

　2005; 22(5) ∶870～874　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

一个双极性的宽带高精度光耦隔离放大器3

史学涛　尤富生　季振宇　付　峰　刘锐岗　董秀珍∃

(第四军医大学生物医学工程系医学电子工程教研室, 西安　710033)

　　摘要　为适应电阻抗断层成像系统的技术要求, 隔离放大器。测量结果表明, 该隔离放大器不仅具有高于800z 的23, 50R M S 噪声, 在±4V 范围内优于0101%的线性度等特点, , 参数的不完全一致而导致的信号失真。

关键词　Isola tion Am pl if ier w ith H igh Prec ision

And W ide Bandw idth

Sh i Xuetao 　Y ou Fusheng 　J i Zhenyu 　Fu Feng 　L iu Ru igang 　D ong X iuzhen

∃

(D ep art m ent of M ed ical E lectronic E ng ineering , F acu lty of B io m ed ical E ng ineering , T he F ou rth M ilitary

M ed ical U niversity , X i ’an 　710033, Ch ina )

　　Abstract 　To fit the techno logical requ irem en ts in electrical i m pedance tomography system , an i m p roved

b i po lar op tocoup ler iso lati on amp lifier based on single analog op tocoup ler w as realized . T he experi m en tal resu lts illu strates that the fu ll pow er 23dB bandw idth of th is circu it is greater than 800KH z , the equ ivalen t ou tpu t no ise is low er than 50uV R M S , and the linearity at ±4V inpu ts is low er than 0. 01%.In additi on to these featu res , the circu it also have the advan tages of si m p le structu re and no disto rti on cau sed by m is m atch betw een analog . op tocoup lers

Key words 　E lectrical i m pedance tomography 　　Iso lati on 　　Op tocoup lers 　　Amp lifier

1　引　言

应用部分(与人体接触部分) 与网电源以加强绝缘措施进行隔离, 并将两部分间的漏电流控制在一定范围之内是国家标准的通用安全标准中对医疗仪器设备的基本要求之一。如何在工作频率范围内达到既能满足此项要求又不降低系统性能是医疗电子仪器必需面对的一个问题。

电阻抗断层成像(E lectrical i m p edance tom ograp hy , E IT ) 技术是一种新型成像技术, 它通过测量人体组织内某一断面的电阻率分布, 并以图像形式表现出来的方法, 来实现鉴别不同组织或组织所处状态的目的[1]。由于目前多数E IT 系统在成像时需向目标体注入频率在几KH z 到几百KH z 之

3国家自然科学基金重点项目资助(50337020) ∃通讯作者。E 2m ail :dongyang @fmm u . edu . cn

　

间、幅度小于5mA 的激励电流, 并测量边界电压的分布, 同时, 又由于E IT 测量系统的测量精度一般需达到0. 1%以上[2], 加之成像系统中还需要有计算机等设备的存在, 探索一种精度高、带宽较宽的线性隔离方法来将应用部分与网电源完全隔离开来是E IT 技术应用于人体的首要条件之一。

为达到高隔离电压、高精度等技术要求, 同时兼顾系统带宽要求, 本研究利用模拟光电耦合器(A nalog op tocoup lers ) 实现了一个能够基本适应我们的E IT 系统的光电隔离放大器, 为后续的研究工作打下基础。

2　原理与方法

2. 1　高线性度的模拟光电耦合器的工作原理

普通的光电耦合器一般由一个发光管和一个接

第5期　　　　　　　　　　　　　　　　史学涛等。　一个双极性的宽带高精度光耦隔离放大器871

收管组成, 由于其中缺少反馈环节, 因而线性度较低, 无法满足高精度系统要求。为此, 一些半导体公司开发出一些具有如图1所示内部结构的高线性度模拟光电耦合器, 如美国T exas In strum en ts 公司的T I L 300、美国So lid State O p tron ics 公司的SL C 800及美国A gilen t T echno logies 公司的HCN R 201等。此类产品包括一个高性能的发光二

2. 2　基于高线性度模拟光电耦合器的隔离放大电

路

通常, 模拟光电耦合器一般以光电导或光电压模式[3]工作在单一极性状态。为解决双极性信号隔

离的问题, A gilen t 公司推荐了如图2所示的采用两[4];

[5]

Cam in 等。虽然A gilen t 2, 10KH z , , 且其失真程度随输入信号的频率、幅值的增加而增大。图3a 和图3b 是输入幅度分别为012V pp 和2V pp 的5KH z 信号时输出的失真情况

。

极管L ED , 两个用同种工艺制成的具有严格比例关系的光电二极管PD 1和PD 2。使用时, 一般用L ED 与PD 1组成隔离转换电路的输入部分, 用PD 2构成隔离转换电路的输出部分。由于L 别被PD 1和PD 2接收, 1的匹配, , PD 1, 从而大大提。

图1　高线性度模拟光耦内部原理图

F ig 1　Sche matic di agram of analog optocouplers with h igh -li near ity

图2　双极性光电隔离放大器

F ig 2　Bipolar optocoupler isolation amplif

ier

图3　双极性隔离电路的交越失真情况

(a ) 012V pp 的输入; (b ) 2V pp 的输入

F ig 3　Crossover distortion presen ted to bipolar optocoupler isolation amplif ier

(a ) at 012V pp input signal ; (b ) at 2V pp input signal

　　Cam in 等采用的电路结构虽具有较高的精度和线性度, 所报道的带宽却只有50KH z 左右, 无法满足系统要求。

为满足E IT 系统的需要, 在详细分析了模拟光电耦合器的工作原理的基础上, 我们在单极性光电隔离放大电路的基础上, 采用相对简单的方法, 实现

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了两种双极性工作的隔离放大电路。2. 3　电路原理

我们的目标是寻求一种能工作带宽在500KH z 以上的双极性、高精度的隔离放大电路。所实现的电路原理如图4所示。电路中, R 1和R 2的比值(本文实验中均取R 1=R 2) 与光电耦合器传递增益共同决定了电路的放大倍数, 而L ED 端所接电阻R 3起到了控制流过L ED 电流的作用。U 1和U 2是轨到轨(R ail 2to 2R ail ) 型运算放大器。由于轨到轨型运算放大于其供电电压范围,

压范围, 因而这两个电路中虽然都有一个输入端与负电源端相连, 芯片仍能正常工作。

在此电路中, 虽然模拟光耦中的L ED 和光电二极管只能工作在单一极性下, 但由于输入的交流信号(V I N ) 始终高于供电电源-V CC1, 因而U 1将始终输出同一极性的电流至L ED , 从而使得不论V I N 是否大于0V , 均能使L ED 。相对于光耦而言, 2V CC 。由于此, 。

图4　光电导型(a ) 和光电压型(b ) 双极性隔离放大器

F ig 4　Photo -co mductive (a ) and photo -volta ic (b ) bipolar isolation amplif ier

3　结　果

3. 1　光电导型隔离放大器

极性后, 效果也一样。对R 1、R 2和R 3的阻值的调整只能稍微改善一点, 无助于从根本上解决失真问题。在保证运算放大器有足够的输出电流的前提下, 我们还尝试了几种不同类型的运算放大器实现该电路, 测量结果也无显著差异。3. 2　光电压型隔离放大器

图4(a ) 是该放大器的原理图。从原理上讲, 此型电路由于光电二极管PN 结的反相电压较大, 相应地产生较大的势垒区, 并因此降低了两端的分布电容, 从而提高了放大器的带宽[3]。实际应用中, 我们选用的芯片是目前速度最高的模拟光耦HCN R 201。我们利用A gilen t T echno logies 公司所

电路的原理如图4(b ) 所示。由于此电路中光敏二极管直接接在运算放大器两个输入端

, 且由于运放输入端的虚短效应, 使得光敏二极管的PN 结势垒区随输入信号的增大只发生轻微的变化, 因而从理论上说, 采用此结构可以获得优于光电导型隔离放大器的线性度。

3. 2. 1　直流线性度测量　测量方法是采用

提供的该元件的SP I CE 模型进行的仿真实验结果也表明此电路23dB 带宽相对较宽, 然而实际电路的测量结果却与之大相径庭:在输入信号的峰2峰值为200mV 的情况下, 在0～400KH z 范围内, 除增益

随频率增而有一定程度的增加外, 信号无明显失真, 相移也相对较小; 但当频率高于400KH z 时, 信号

很快便会产生明显失真, 略呈锯齿状。相位也发生了反转。而当我们将信号幅值提高到峰2峰值为8V 时, 输出信号甚至会在频率稍高于25KH z 时便产生了严重失真, 无法满足设计要求。将该电路改为单

～5V 范A gilen t 233250A 型任意波形发生器在-5

围内产生11个直流信号, 同时用N ati onal

In strum en ts 公司的PC I 26034E 型16位高性能数据采集卡在±10V 的输入量程内对输入与输出信号进行测量。放大器的工作电压为±5V 时, 测量结果如表1所示。

第5期　　　　　　　　　　　　　　　　史学涛等。　一个双极性的宽带高精度光耦隔离放大器873

从表1中结果可以看出, 线性误差的最大值出现在输入为-5V 时, 误差可达7. 9mV 。剔除此点后, 其余各点误差最大也只有0169mV 。由于输入信号幅值为-5V 或5V 时, 运放的输出已经饱和,

其结果不能作为线性度的计算依据, 因而根据线性度的定义可计算出系统的直流线性度:

∆=

×100◊=010069◊10V

表1　线性度测量结果(mV )

Table 1　M easure men t results of li near ity (mV )

输入

输出线性误差

-5015-50467. 9

-4015-4049-0. 28

-3012-3041-0. 49

-2012-20350. 31

-1008-10260. 09

-7-20-0. 9920. 19951992-. [**************]

49945007-0. 13

3. 2. 2　放大器的带宽　实验结果表明, R 1(

R 2) 和R 3, 随输入信号幅, -3dB 带宽有所降低, 截止频率点附近输出信号的相移也有变化。从图5中的效果来看, 该放大器的性能类似于一个四阶低通滤波

器, 其截止频率在800KH z 左右。此结果与模型仿真结果差异显著, 特别是输出信号的相移, 一般要比仿真结果高出1倍以上, 目前尚不知引起该现象的原因。

影响, 电阻R 3, 阻R 1(R 2) 3, 随输入信号幅度的增大而减小。图5为R 1和R 2均取为200K 8, R 3的阻值取为1808且串接于U 1的输出端和光耦中L ED 的反相端之间, 光耦采用HCN R 201, 输入信号峰2峰值分别为0. 2、1、4V pp 时所测得的

图5　双极性光电压型隔离放大器的幅频特性

(a ) 和相频特性(b )

. frequency (a ) and phase vs . frequency (b ) character istics for bipolar photovolta ic isolation amplif ier F ig 5　Ga i n vs

3. 2. 3　输出噪声水平　输出噪声水平是衡量放大

器性能的另一个重要指标。我们在输入对地短接的情况下在0～100KH z 范围内测量所得的噪声频谱如图6所示。从中可见:整体上, 输出的噪声水平低于50uV RM S 。虽然由于实验室环境的限制, 目前尚无法确定这些噪声在多大程度上是由测量系统本身(如电源、数据采集卡等) 所引入, 但这个噪声水平已经基本满足我们系统的设计要求。

4　讨　论

探寻一种高速、高精度的双极性模拟信号隔离措施对于将E IT 技术应用于临床是非常必要的。现有的双极性光电隔离电路存在着结构复杂、对光耦

图6　隔离放大器输出端的噪声

F ig 6　No ise on output of isolation amplif ier

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i m pedance tomography of hum an brain activity w ith a two 2di m ensi onal ring of scalp electrodes . Physi o l M eas , 2001; 22(1) ∶1672

R iu P , Ro sell J , L ozano A , et al . M ultifrequency static i m aging in electrical i m pedance tomography :Part 1instrum entati on requirem ents . M ed B i o l Eng Comp, 1995; 33(6) ∶7843

So lid State Op tronics,

Inc . SL C800L inear Op tocoup ler in an Iso lati on Amp lifier C ircuit . 4

A ppN o te 060by So lid State

匹配性要求高、带宽低等缺点。相比较而言, 本文设

计的隔离放大器具有结构简单、精度和速度等性能指标都较高的特点。从测量结果上看, 该放大器基本满足了设计要求。

　　需指出的是, 在本电路设计与测量过程中出现的与理论分析相去甚远的现象, 值得在今后的工作中加以重视, 并且应尽可能找到引起这些现象的原因。这些现象主要有:A gilen t T echno logies 公司推荐的双极性光耦电路中交越失真现象、光电压式隔离放大电路中R 3的位置对截止频率的影响、光电压异等, , 重要。

参考文献

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(收稿:2004207206　　修回:2004210225)

E lectrical

2006年《生物医学工程学杂志》征订启事

　　《生物医学工程学杂志》于1984年3月创刊。现已发行22卷。本刊由四川省科学技术协会主管, 四川大

学华西医院、四川省生物医学工程学会主办。期刊作为生物医学工程学综合性学术刊物, 主要反应生物工程、医学工程、人工器官、生物材料、生物力学、计算机在生物医学中应用等方面的最新科研成果和科技动态。它适合多学科性科研、教学、生产及科技管理人员、相关专业研究生、本科生、医院与广大对生物医学工程学的

(E I ) 、(CA ) 收录; 被国内(I 爱好者。本刊被国外《工程索引》《化学文摘》《医学索引》《中文M ) 、M EDL I N E 及

核心期刊(北京大学图书馆) 》、《中文生物医学核心期刊》、《中国科技论文统计源期刊》、《中国期刊网》、《中国学术期刊》等多家检索机构收录。

主要栏目:论著、新技术与新方法、综述; 开本:大16开; 页码:200页; 刊期:双月刊; 每期定价:18. 00元, 全年共计108元; 欢迎广大读者到当地邮局征订(邮发代号:62265) , 若脱订、漏订者请与编辑部联系邮购。

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