在電機控制、電源電流監控和電池單元電壓監控等應用中，必須在存在高共模電壓的情況下檢測小差分電壓。其中一些應用需要電流隔離，而其他應用則不需要。一些應用使用模擬控制，其他應用使用數字控制。將考慮這種測量的四種情況，每種情況都需要獨特的考慮。它們是：

帶模擬輸出的電氣隔離;

帶數字輸出的電氣隔離;

無電流隔離，模擬輸出;

無電流隔離，數字輸出。

差分信號與共模信號

圖1顯示了測量系統的輸入。V差異表示差分電壓，即目標信號。V厘米表示共模電壓，它不包含有關測量的有用信息，實際上可能會降低測量精度。共模電壓可以是測量系統的隱含部分，如電池單元電壓監控應用，也可能由傳感器意外接觸高壓的故障條件產生。無論哪種情況，該電壓都是不需要的，測量系統的工作是抑制它，同時響應差模電壓。

圖1.具有差分和共模電壓的測量系統。

共模抑制 （CMR）

測量系統具有差模增益和共模增益。差模增益通常大于或等于1，而共模增益理想情況下為零。電阻失配會導致反相輸入的直流增益與同相輸入的直流增益略有不同。這反過來又導致直流共模增益不為零。如果差分增益

在實際應用中，外部干擾源比比皆是。拾音器將從交流電源線（50/60 Hz 及其諧波）、設備開關以及射頻傳輸源耦合。這種類型的干擾在兩個差分輸入中均等地感應，因此表現為共模信號。因此，除了高直流CMR之外，儀表放大器還需要高交流CMR，特別是在線路頻率及其諧波下。直流共模誤差主要是電阻失配的函數。相反，交流共模誤差是反相和同相輸入之間相移或時間延遲差異的函數。通過使用匹配良好的高速元件，可以最大限度地減少這些，并且可以用電容器對其進行微調。或者，在低頻應用中，如有必要，可以使用輸出濾波。而直流共模誤差通常可以通過校準或調整來消除。交流共模誤差會降低測量分辨率，通常更值得關注。ADI公司的所有儀表放大器均完全針對直流和低頻交流共模抑制進行額定。

電流隔離

某些應用要求傳感器和系統電子設備之間沒有直接的電氣連接。這些應用需要電氣隔離，以保護傳感器和/或系統。可能需要保護系統電子設備免受傳感器的高電壓的影響。或者，在需要本質安全的應用中，可能需要隔離傳感器激勵和電源電路，以防止可能由故障條件引起的火花或爆炸性氣體的點燃。在心電圖 （ECG） 等醫療應用中，需要雙向保護。必須保護患者免受意外電擊。如果患者的心臟停止跳動，則必須通過緊急使用除顫器來保護心電圖機免受施加給患者的非常高的電壓，以嘗試恢復心跳。

電流隔離還用于斷開接地環路，即使兩個系統接地之間的小電阻也可能產生不可接受的高電位。這可能發生在精密轉換系統中，其中流過百分之幾歐姆的毫安電流可能會產生數百微伏的接地誤差，這可能會限制測量的分辨率。或者它可能發生在工業裝置中，其中數千安培的電流可能會產生數百伏的接地誤差和潛在的危險情況。

電流隔離可以使用磁場（變壓器）、電場（電容器）或光（光隔離器）。每種方法都有自己的優點和缺點。但是，對于所有類型的隔離電源（或電池），通常需要隔離電源（或電池）為隔離器的浮動側供電。這可以很容易地與使用變壓器隔離柵的隔離器中的信號隔離相結合。其他方法可能需要單獨的變壓器耦合DC-DC轉換器，這會增加成本。

高阻抗與電氣隔離

許多應用需要能夠在存在高共模電壓的情況下檢測小差分電壓，但不需要本質安全性或斷開電流隔離提供的接地環路的能力。這些應用需要能夠接受高共模電壓的高CMR放大器。這種類型的放大器，有時被稱為“窮人的隔離放大器”，用高阻抗而不是電流隔離柵將傳感器與系統隔離。雖然不是真正意義上的隔離，但它在某些應用中可以以低得多的成本達到相同的目的。此外，不需要DC-DC轉換器，因為整個系統由同一電源供電。

圖2所示為AD629，這是一款專為此類應用而設計的高共模電壓差動放大器。這似乎很簡單。它“只是”一個運算放大器和五個電阻。用戶不能“自己動手”嗎？是的，但電阻必須匹配到優于0.01%，并且必須跟蹤到優于3 ppm/°C。 電阻自發熱會降低直流CMR，而電容雜散會降低交流CMR。與8引腳DIP或SOIC相比，性能、尺寸和成本都將被犧牲。

圖2.AD629 高共模電壓差動放大器

具有模擬輸入和輸出的簡單工業過程控制環路等需要電流隔離的應用可以使用AD202/AD204。這些是完整的隔離放大器，在輸入級和輸出級之間具有電流隔離。變壓器耦合意味著它們還可以為輸入級提供隔離電源，無需外部DC-DC轉換器。AD202/AD204提供用于輸入信號調理的獨立運算放大器，增益為100時CMR為130 dB，CMV峰值隔離為2000 V。圖3顯示了一個AD202電路*，用于測量采用高達2000 V共模電壓的±5 V滿量程信號。對于需要隔離式電橋激勵、冷端補償、線性化和其他信號調理功能的應用，3B、5B、6B 和 7B 系列提供了一系列完整、隔離良好的信號調理器。

圖3.AD202/AD204用于需要電流隔離和模擬輸出的應用。

一些工業傳感器應用需要電氣隔離，并結合智能傳感器的數字輸出。數字隔離（而不是模擬隔離）可以更經濟高效地使用，但需要外部DC-DC轉換器。此類應用的一個例子是電機控制，其中電機中的故障情況可能會損壞控制電子設備。可以使用AD7742同步電壓頻率轉換器，以及光耦合器和DC-DC轉換器，如圖4所示。遠程AD7742可與系統微處理器或微控制器連接，以完成模數轉換。對于獨立應用，可以使用串行輸出模擬前端AD7715，即16位Σ-Δ型模數轉換器，但它需要隔離五條數字線，而不是V/F轉換器的單個數字輸出。但是，可以使用帶有內置變壓器的五通道高速邏輯隔離器AD260，而不是5個光耦合器和DC-DC轉換器。圖5顯示了AD7715和AD260。

圖4.AD7742用于需要電流隔離和數字輸出的應用。

圖5.AD7715/AD260用于需要電流隔離和數字輸出的應用。

當不需要電流隔離時，情況變得更加簡單。此類應用的一個例子是電池單元電壓監控。AD629既用于測量單個電池的電壓，也用于抑制串聯電池組提供的共模電壓。無需DC-DC轉換器，因為電阻網絡的高阻抗保護運算放大器的輸入，即使其電源電壓遠低于共模電壓。圖6顯示了AD629測量120 V電池的1.2 V電池電壓的過程。

圖6.AD629用于不需要電流隔離的模擬應用。

最后，有些應用不需要電流隔離，但需要數字輸出。此應用的一個例子是微處理器控制的電源的電源電流監控。此處，AD629與12位ADC7887配合使用。AD629提供信號調理和共模抑制，AD7887提供數字輸出。同樣，由于AD629具有高輸入阻抗和共模衰減，因此不需要DC-DC轉換器。圖7所示為AD629/AD7887在電源電流監控應用中的應用。

圖7.AD629/AD7887用于不需要電流隔離的數字應用。

審核編輯：郭婷