專利名稱：分路線性隔離電路裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子測量設(shè)備，更具體說，涉及一種線性分路(或雙路)隔離電路，該電路具有穩(wěn)定的平坦頻率響應(yīng)，從而在很寬頻率范圍內(nèi)能進(jìn)行隔離的電信號電壓測量。
對于電壓提高到明顯高于地電位的電壓信號，很難進(jìn)行安全而精確的測量。相當(dāng)普遍的情況是，待測量的信號是跨在一個高電平共態(tài)信號上的一個低電平信號，這就須要測量設(shè)備有高的共態(tài)抑制比。另外，外來的地電流可能將交流聲和地回路感應(yīng)電壓加到測量信號上。這些問題尤其是在對電壓信號作寬帶示波測量時特別嚴(yán)重。
上述測量問題經(jīng)常迫使示波器使用者不得不采用一些有危險的測量技術(shù)，例如采用不接地參考電位的示波器“懸浮”方式。典型的是用一個隔離變壓器、有3-2接腳的電源插頭適配器、或更簡單地將示波器電源插頭的接地腳切斷，使示波器“懸浮”。使示波器“懸浮”不僅增加了示波器上高壓電擊的危險，也不適當(dāng)?shù)丶訌娏似潆娫醋儔浩鞯慕^緣，從而由于容性感應(yīng)的地電流而引起測量精度降低。
很清楚，為了進(jìn)行安全而精確的測量，示波器應(yīng)當(dāng)接地。所幸有幾種安全且精確的懸浮測量方法可用，包括使用非直接的接地設(shè)備、差分測量設(shè)備、隔離輸入系統(tǒng)、以及隔離放大器等。
非直接接地設(shè)備可接在測量設(shè)備與主電源之間。一種典型的非直接接地設(shè)備是A6901型接地隔離監(jiān)視器，由Tektronix公司，Beaverton，Oregon(本申請的受讓人)制造。該接地隔離監(jiān)視器使測量設(shè)備懸浮到約40伏的安全信號參考電平，而當(dāng)信號參考電平超過40伏時可立刻使測量設(shè)備與地重新連接起來。遺憾的是測量限制在40伏，全部測量設(shè)備升壓在該參考電平，一旦疏忽將測量設(shè)備接地就會使測量電路短路，并且在參考接地點與電源接地點之間形成很大電容，從而使測量不夠精確。
差分電壓測量不必使測量設(shè)備懸浮，由于采用了差分放大器因而可達(dá)到高精度，這種設(shè)備例如有Tektronix公司，Beaverton，Oregon(本申請的受讓人)所制造的11A33型設(shè)備。遺憾的是差分放大器價格昂貴且過于復(fù)雜，只有有限的共態(tài)抑制，需要若干對均衡探針(balancedprobes)連接至待測信號上，并且只限于測量低于500伏左右的測量信號電壓。
隔離輸入系統(tǒng)包括電池供電的手持測量裝置，該裝置總是與主電源隔開。這種裝置通常有很好的絕緣性，并能測量電壓高至幾百甚至幾千伏的小信號。遺感的是電池供電的該測量裝置通常只有有限的測量靈敏度和帶寬，并且對于待測量電路有較大的電容。
隔離放大器通常連接在待測量電路與測量設(shè)備之間。一種典型的隔離放大器是Tektronix公司，Beaverton，Oregon(本申請的受讓人)制造的A6902B型電壓隔離放大器。隔離放大器提供了一個隔離層，而待測量的信號可跨過該隔離層耦合進(jìn)來。隔離放大器是解決懸浮測量的一個極佳方案，因其輸入信號電壓允許高至3000伏左右，其隔離層之間的電容相當(dāng)?shù)?，而測量帶寬由于采用了分路隔離技術(shù)可達(dá)到從零赫芝(直流，即DC)至25兆赫左右。
分路隔離技術(shù)采用了分開的隔離層裝置，用以將DC-低頻(“低路”)分量和低頻-高頻(“高路”)分量的輸入信號耦合起來。用一個綜合放大器將低路和高路的輸出重新組合起來，從而產(chǎn)生最后的DC至高頻(“寬帶”)的輸出信號。
A6902B高路和低路分別使用了一個變壓器和一個光耦合器，以耦合跨于隔離層的輸入信號的分開的頻率分量從而驅(qū)動綜合放大器。低路的線性由第二個光耦合器控制，該耦合器提供了一個閉環(huán)反饋回路。遺憾的是，低路的線性取決于兩個光耦合器的熱和電傳輸特性匹配的程度。高路的線性取決于變壓器的耦合特性，該特性在很大程度上又與變壓器磁心材料的磁通特性有關(guān)。上述決定線性的因素共同起作用，使得A6902B需要17項調(diào)節(jié)過程，以適當(dāng)?shù)丶骖櫰湓鲆?、偏置、和頻率響應(yīng)。
對于電信號電流的測量，通常須要在載流導(dǎo)體中插進(jìn)一個測量電流的感測器，這一有危險隱患的操作改變了導(dǎo)體的頻率響應(yīng)，使得對高頻的測量不精確。于是，早先的技術(shù)人員使用了一種霍耳效應(yīng)裝置去感測導(dǎo)體中電流感應(yīng)的磁通，以測量DC-中頻信號電流，而不切斷導(dǎo)體或與其電接觸。如果信號電壓能先轉(zhuǎn)變成信號電流，則霍耳效應(yīng)裝置也能用于隔離放大器的低路中。1970年8月18日公布的題為“寬頻范圍內(nèi)有效測量磁場的方法和設(shè)備”的美國專利第3,525,041中描述了一種典型的感測電流的霍耳效應(yīng)裝置，該專利已轉(zhuǎn)讓予本申請的受讓人。遺感的是，霍耳效應(yīng)裝置的電流敏感度隨溫度而變化，故須經(jīng)常地加以修正以保持測量精度。另外，霍耳效應(yīng)裝置不大適宜采用反饋技術(shù)，因此其線性很差。廣泛用于耦合和隔離數(shù)字信號(其中信號逼真度不是主要因素)的光耦合器通常也有同樣的問題。早先的分路隔離放大器在保持低路和高路頻率重疊的分隔頻率(crossoverfrequency)范圍內(nèi)的信號精度方面也存在困難。眾所周知，可將3分貝(3-db)的低路與高路的滾降頻率(rolloff frequency)匹配起來以達(dá)到分隔頻率，該分隔頻率使得在該頻率下組合信號的幅度中有稍許“下降(dip)”。因此，常規(guī)的分路放大器通常使用了許多或可大幅度變化的電阻和電容調(diào)節(jié)器件，以便在分隔頻率范圍內(nèi)校正組合信號的幅度?？勺冸娮韬碗娙荼仨毷蔷艿慕M件，可惜這明顯增加了早先的隔離放大器的成本，降低了其可靠性，并且須要定期調(diào)整以保持信號的精確度。
因此，需要有一個簡單的線性分路隔離放大器，該放大器可免除頻率補償調(diào)整，具有很寬的信號測量帶寬，隔離層的跨電容較小，總成本較低，并有較高的可靠性。
本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)的分路隔離裝置及方法，其在很寬的信號測量頻率范圍內(nèi)都有精確的和可靠的響應(yīng)。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種簡化的分路隔離放大器，其能維持穩(wěn)定的頻率和脈沖響應(yīng)，而無須進(jìn)行頻率外償調(diào)整。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種分路隔離放大器，其在一很寬溫度范圍內(nèi)只有很小的幅度響應(yīng)漂移。
本發(fā)明的再一目的在于提供一種線性分路隔離放大器，其輸出信號能精確代表輸入信號，而與所用的低路和高路隔離層中的非線性程度無關(guān)。
本發(fā)明還有一目的在于提供一種示波器，該示波器有一個懸浮輸入放大器，其降低了示波器的成本，同時改進(jìn)了示波器的可靠性和工藝性。
為此，一個分路隔離放大器電路采用了一個磁通調(diào)零變壓器，該變壓器設(shè)置在高路中；并且采用了一個單輸入多輸出的光耦合器，以便在低路中提供閉環(huán)反饋，以達(dá)到平坦的寬頻率響應(yīng)，而無須進(jìn)行頻率補償調(diào)節(jié)。在低路頻率范圍，光耦合器使全部或大部分信號到達(dá)輸出端。隔離放大器采用了一個基本上重疊的分隔頻率范圍，在此范圍內(nèi)，高路信號加到變壓器的初級線圈上，而低路信號差分地加到變壓器的各次級線圈上。在低于分隔頻率范圍的頻率上，當(dāng)初級線圈的耦合信號降落時，來自光耦合器的信號占主要；而在高于分隔頻率范圍的頻率上，當(dāng)來自光耦合器的信號降落時，初級線圈的耦合信號占主要。在分隔頻率范圍內(nèi)的頻率上，由變壓器初級和次級線圈產(chǎn)生的磁通分量共同起作用，從而提供了具有平坦頻率響應(yīng)的一個組合輸出信號。僅有的調(diào)節(jié)是須要匹配低路對高路的增益，以補償?shù)吐分械娜魏纹睢?br> 以下參照附圖對本發(fā)明的最佳實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述，由此可更清楚地看出本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點。


圖1是本發(fā)明的電路示意圖，示出一個最佳分路隔離放大器；圖2A、2B和2C分別是對于圖1的高路、低路、和分路放大器的作為時間函數(shù)的脈沖響應(yīng)曲線圖；圖3是對于圖1所示放大器的低路和高路段的作為時間函數(shù)的幅度響應(yīng)曲線圖；圖4是一簡化的方框示意圖，示出本發(fā)明的有一對分路隔離放大器的雙通道示波器的實施例。
圖1示出分路隔離放大器10(以后稱為“放大器10”)，其中的輸入信號源12與一個50歐姆的端電阻14電連接，同時經(jīng)一30千歐的電阻16接運算放大器18(以后稱為“放大器18”)的正向輸入端，并且接跨導(dǎo)放大器20(以后稱為“放大器20”)的正向輸入端。輸入信號源12接隔離接地點22以獲得參考電位。放大器18最好用PaloAlto，加利福尼亞，國際半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LN-412型號的產(chǎn)品，而放大器20最好用Sunnyvale，加利福尼亞，Maxim集成產(chǎn)品公司生產(chǎn)的MAX-435型號的產(chǎn)品。放大器18和20將來自輸入信號源12的信號分成低路24和高路26兩路。
對于高路26，輸入信號源12與放大器20的正向輸入端電連接，該放大器將輸入信號轉(zhuǎn)換成流過變壓器30初級線圈28的相應(yīng)差分輸出電流。變壓器30最好用ZMAN magnetics，Kent，華盛頓生產(chǎn)的部件號為Z-93203J的環(huán)形變壓器。放大器20的差分輸出端經(jīng)過160歐姆的電阻32和75歐姆的電阻34及36接收一個隔離電壓源+Vi的供電。
流過初級線圈28的高路26的信號電流在變壓器30的磁心38中產(chǎn)生磁通，該磁通隨時間變化并穿過初級線圈28而感應(yīng)出一個相應(yīng)的電壓。該磁通還穿過一對次級線圈40和42，從而在其中感應(yīng)出隨時間變化的相應(yīng)電流，于是在與初級線圈28產(chǎn)生的磁通相反的方向上產(chǎn)生一磁動勢。次級線圈40和42中隨時間變化的電流僅在高頻范圍起作用，從而使初級線圈28產(chǎn)生的磁通有效地降為零。
次級線圈40和42的第一對反相輸出接點為高頻端，該端通過由20歐姆的電阻48和50與0.015微法的電容52和54形成的串聯(lián)阻容(“RC”)網(wǎng)絡(luò)端接到底盤接地端46上。次級線圈40和42的第二對反相輸出接點為寬帶端，該端通過兩個20歐姆的電阻56和58端接到底盤接地點46上，該電阻的兩端為所產(chǎn)生的差分輸出電壓+VOUT和-VOUT(統(tǒng)稱“VOUT”)。優(yōu)選的高頻率寄生抑制RC網(wǎng)絡(luò)典型地由330歐姆的電阻60和0.003微法的電容62構(gòu)成，該網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)選作特定用途的放大器90的類型而跨接在差分輸出端上。
圖2A示出對一個200毫伏階躍輸入信號的高路26的幅度隨時間變化的響應(yīng)曲線。高路26隨著輸入信號的上升而升高，但立刻按指數(shù)衰減到接近零伏，即在大約36.6微秒內(nèi)由90％下降到10％。該下降時間表示高路26有一個大約9.5千赫的低頻3分貝的滾降頻率。
再參看圖1，變壓器30還形成了隔離層44(以虛線表示)的第一部分，該隔離層將放大器10分開成兩部分，其參考電位分別以隔離接地點22和底盤接地點46的電位為準(zhǔn)。隔離層44可由空氣隙、真空層、或其他一些形式的電絕緣體形成。變壓器30的優(yōu)選參數(shù)如下所述。
環(huán)形磁心是Magnetics公司生產(chǎn)的部件型號為G-40705-TC的磁心，其外徑為7.62毫米(0.300英寸)，內(nèi)徑為3.18毫米(0.125英寸)，高為4.78毫米(0.188英寸)。
初級線圈28為32-AWG鍍銀硬銅線，帶有0.25毫米(0.010英寸)厚的TEFLON(聚四氟乙烯)絕緣層。
次級線圈40和42各為雙繞32-AWG涂瓷漆的12匝導(dǎo)線，在磁心38上形成平坦的單層。
次級線圈40和42的頂上繞一單層Minnesota Mining和Manufacturing型號56的TEFLON帶。
初級線圈28有4匝導(dǎo)線，形成分布在帶形次級線圈40和42頂上的平坦的一單層。
次級線圈40和42各有約208至約364微亨的電感，這是在100千赫時以0.1伏最大測量信號測出的。
變壓器30的最小帶寬是250兆赫左右。
該變壓器30設(shè)計成能經(jīng)受在至少3500伏均方根電壓下歷時10秒的高壓擊穿試驗(初級對次級)，以及在4400伏均方根電壓下歷時1分鐘的浪涌電壓承受試驗。
對于低路24，按照輸入信號源12的輸入信號電壓，放大器18可控制地通過一個發(fā)光二極管(“LED”)64吸收來自隔離的正電壓源+Vi的電流，該發(fā)光二級管位于一個單輸入雙輸出的光耦合器66內(nèi)，該耦合器最好采用Hewlett-Packard公司，Inglewood，Colorado制造的CNR-201型號的耦合器。一個245歐姆的電阻68將通過LED64的電流限制在一安全值下。光耦合器66包括一對匹配的光二極管70和72，各自感測基本上相等的由LED64響應(yīng)所述可控制吸收的電流而產(chǎn)生的光通量一部分。光耦合器66還形成為隔離層44的第二部分。
光二極管70對光通量作出響應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的信號電流，此電流從隔離負(fù)電壓源-Vi經(jīng)一個2000歐姆的電阻74流向偏置網(wǎng)絡(luò)電阻76和78的接點。在光二極管70和電阻74的接點處產(chǎn)生的反饋電壓電連接到放大器18的反向輸入端，于是形成了圍繞放大器18的負(fù)反饋回路。因此，放大器18對設(shè)備中的，例如LED64和光二極管70和72中的固有的非線性進(jìn)行了補償，使得在光二極管70和72中流過匹配的信號電流，從而可靠地反應(yīng)了輸入信號源12上的信號電壓。
隔離電壓源+Vi和-Vi各有大約5伏的最佳電位，通常是由將跨接在隔離層44上的100千赫電源與一個低電容變壓器(圖中未示出)耦合起來而產(chǎn)生的。然后采用通常的整流和整型過程?；蛘?，也可采用電池、光電器件、或其他隔離的低電容電源耦合技術(shù)。
隔離層44的另一邊以底盤接地點46為參考電位，信號電流從光二極管72控制下的電壓源V流向運算放大器80，該放大器最好采用國際半導(dǎo)體公司，Palo Alto，加利福尼亞，制造的L-412型號的放大器。放大器80的增益可以用可變電阻82調(diào)節(jié)，該電阻可調(diào)整到大致與電阻74的2000歐姆電阻值相匹配，從而使光二極管70和72中參不多有相等的信號電流流過。或者，也可以采用一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器驅(qū)動一個電壓可控增益元件，以數(shù)字方式控制放大器80的增益。
同樣，放大器80的偏置可以利用一個250歐姆的可變電阻84加以調(diào)節(jié)，該電阻的滑動臂經(jīng)一2000歐姆的電阻86接放大器80的正向輸入端?？勺冸娮?4的一端接底盤接地點46，另一端經(jīng)一2200歐姆的電阻88接電壓源+V。或者，也可以采用一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器驅(qū)動放大器80的正向輸入端，以數(shù)字方式控制放大器80的偏置。
放大器80的電壓輸出由一個跨導(dǎo)放大器90轉(zhuǎn)換成差分電流，該差分輸出驅(qū)動變壓器30的次級線圈40和42的高頻兩端。放大器90最好是一個常規(guī)的集成電路放大器，但是任何具有例如Maxim集成產(chǎn)品公司，Sunnyvale，加利福尼亞，生產(chǎn)的MAX-435或MAX-436型號放大器特性的放大器都可用于本發(fā)明。放大器90的正負(fù)輸出端分別接次級線圈40和42，使放大器90的差分輸出電流經(jīng)次級線圈40和42流向?qū)拵Ф穗娮?6和58，以產(chǎn)生與輸出電流成比例的輸出電壓VOUT的低頻分量。另外，放大器90的差分輸出電流還在磁心38中產(chǎn)生一磁通，該磁通的方向與初級線圈28產(chǎn)生的磁通方向相反。因此，在低路頻率下，次級線圈40和42中的電流所產(chǎn)生的磁通實際上會抵消初級線圈28所產(chǎn)生的磁通。
圖2B示出對250毫伏階躍輸入信號的低路24的幅度作為時間函數(shù)的響應(yīng)曲線。在大約1.3微秒的上升時間內(nèi)低路24以指數(shù)從250毫伏的10％升至90％。該上升時間表示低路24有約269千赫的高頻3分貝滾降頻率。
再看圖1，當(dāng)?shù)吐?4施加予次級線圈40和42的信號開始下降時，通過變壓器30耦合的高路26的信號開始占輸出電壓VOUT的主要部分。在低路24和高路26均在磁心38中產(chǎn)生較大磁通的頻率下，由兩路產(chǎn)生的磁通分量的向量和趨向零。如果其中一路無足夠的驅(qū)動電流(例如低路24)，則另一路產(chǎn)生的足夠大的電流將使輸入磁通降為零。因此，在分隔頻率范圍內(nèi)低路24和高路26共同有效地起作用，以產(chǎn)生放大器10的平坦的寬帶頻率響應(yīng)特性。
由于在放大器10的全部頻率范圍內(nèi)變壓器10的磁心38中的靜磁通實際上為零，故非線性磁效應(yīng)減小許多或基本上被消除。此外，由于在反饋回路中采用匹配的光二極管70和72來精確跟蹤LED64的光通量，所以保證了光耦合器66的時間和溫度穩(wěn)定性。因此，本發(fā)明對于低路24和高路26之間的各種變化可互補地進(jìn)行自補償，從而產(chǎn)生可以精確表示輸入信號源12上輸入信號電壓的輸出電壓VOUT。
圖2C示出對100毫伏階躍輸入信號的放大器10的最后組合幅度作為時間函數(shù)的響應(yīng)曲線。在大約3.23毫微秒的上升時間內(nèi)放大器10以指數(shù)從100毫伏的10％升至90％。該上升時間表示放大器10有約108兆赫的高頻3分貝滾降頻率。
參看圖1和圖3，在由雙箭頭線104所表示的分隔頻率范圍內(nèi)，低路幅度響應(yīng)曲線100與高路幅度響應(yīng)曲線102最好大致重疊。特別是，低路24在約269千赫頻率處有一高頻3分貝下降點106，而高路26在約9.5千赫頻率處有一低頻3分貝下降點108。
變壓器30、光耦合器66、電源耦合變壓器、以及其他寄生電容源合在一起造成的跨隔離層44的總電容約50微微法，此電容大小足以使外來的地電流減至最小。
圖4示出一個示波器112，其中用到本發(fā)明的一對分路隔離放大器110A和110B(統(tǒng)稱“放大器110”)。放大器110A有一隔離層114A(以虛線表示)，它將放大器110A中的第一隔離接地點116與示波器112中的底盤接地點118分離開來。同樣，放大器110B有一隔離層114B(以虛線表示)，它將放大器110B中的第二隔離接地點120與示波器112中的底盤接地點118分離開來。隔離層114A和114B安排成使隔離接地點116、118互相隔離，同時與120也彼此隔離。隔離層114A和114B可抵御幾千伏的電壓，而示波器內(nèi)所考慮的絕緣，實際上只需要約600伏級的隔離電壓。
由放大器110所產(chǎn)生的輸出信號VOUT是以底盤接地點118的電位為參考電位的，以便驅(qū)動通常的垂直放大器122A和122B(統(tǒng)稱“垂直放大器122”)，該放大器又驅(qū)動一個觸發(fā)器子系統(tǒng)124和顯示器子系統(tǒng)126的一對垂直輸入V。觸發(fā)器子系統(tǒng)124選取從垂直放大器122接收的信號中的適當(dāng)部分，以便觸發(fā)一個掃描子系統(tǒng)128，然后產(chǎn)生一掃描信號以驅(qū)動顯示器子系統(tǒng)126的水平輸入H。于是，由放大器110產(chǎn)生的輸出信號由顯示器子系統(tǒng)126將其以通常的電壓-時間函數(shù)形式圖示出來。
連接器130A接收以第一隔離接地點116為參考電位的第一個電信號，并使之電連接到一個衰減器132A上以調(diào)節(jié)信號，然后再接到放大器110A的隔離輸入端。同樣，連接器130B接收以第二隔離接地點120為參考電位的第二個電信號，并使之電連接到一個衰減器132B上以調(diào)節(jié)信號，然后再接到放大器110B的隔離輸入端。
與示波器中通常用的寬帶放大器相比，放大器110的意想不到的長處在于其簡單性、線性和工藝性好。因此，在示波器112中最好采用放大器110，盡管這種隔離放大器通常只是作為獨立應(yīng)用的附件而提供。除了有信號隔離的主要好處外，示波器112還從改進(jìn)的維修性、可靠性、信號保真度、帶寬、穩(wěn)定性、操作安全性和降低成本等方面獲得好處。
示波器112最好采用信號調(diào)節(jié)器、信號取樣器、數(shù)化器、處理器、存儲器、以及光柵掃描顯示技術(shù)，以制成通常的雙通道數(shù)字取樣式示波器主機。當(dāng)然，也可以采用通常的模擬示波器技術(shù)，無論哪種技術(shù)都可包含任意數(shù)目的信號通道。一個典型的示波器主機是2465型主機，是由本發(fā)明的受讓人制造的。另外，涉及放大器110和衰減器132的控制，可以利用通過光耦合器，變壓器等耦合在隔離層114兩邊的數(shù)字信號而進(jìn)行“冷切換”。
本領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)了解，本發(fā)明的某些部分可以有其他的實施方式。例如，變壓器30可以只有單獨一個次級線圈，而以一單端放大器激勵。
上述最佳實施例列出了一些優(yōu)選的元件類型和數(shù)值，但是顯然，可以改變、添加、或去掉一些放大器、變壓器、光耦合器、以及有關(guān)型號和數(shù)值的元件，以適應(yīng)各種特定用途的需要。
同樣，以上描述的本發(fā)明是以離散元件實施的，然而，其中一些放大器、部件、和子系統(tǒng)也可做成集成電路的組件、混合電路、或多芯片模塊。
另外，雖然最佳實施例中描述的是以手動方式調(diào)節(jié)相關(guān)的放大器80以便使低路24的增益與高路26匹配，但是手動或自動增益和/或偏置調(diào)節(jié)亦可用到本發(fā)明中任何有效的放大器組件上。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員都明白，對于本發(fā)明上述實施例的許多細(xì)節(jié)方面都可做出各種修改，但這不脫離本發(fā)明的構(gòu)思。本發(fā)明也可用于有關(guān)信號隔離方面，而不僅僅是電信號測量設(shè)備上。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)只由所附的權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1.一種分路放大器裝置，用于放大一個寬帶輸入信號電壓，以提供一個可以精確表示該寬帶輸入信號電壓的寬帶輸出信號電壓，所述分路放大器裝置包括一個高路放大器，用于放大所述寬帶輸入信號電壓，并將其低頻至高頻部分耦合到一信號組合器上；一個低路放大器，用于放大所述寬帶輸入信號電壓，并將其直流至低頻部分耦合到所述信號組合器上；以及一個信號組合器，用于接收上述已被放大的輸入信號電壓的直流至低頻部分和低頻至高頻部分，所述兩頻率部分在一分隔頻率范圍內(nèi)基本上是重疊的，使該信號組合器能產(chǎn)生具有基本上平的幅度響應(yīng)特性而無須在分隔頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻率響應(yīng)調(diào)整的寬帶輸出信號電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述已放大的輸入信號電壓的直流至低頻部分有大于約100千赫的3分貝滾降頻率，而該已放大的輸入信號電壓的低頻至高頻部分有小于約10千赫的3分貝滾降頻率。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括一個增益調(diào)節(jié)裝置，用于使所述低路放大器的幅度響應(yīng)與所述高路放大器的幅度響應(yīng)相匹配。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述寬帶輸出信號電壓是一個在大約零到至少約25兆赫的輸入信號頻率范圍內(nèi)能精確表示寬帶輸入信號的電壓。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述寬帶輸出信號電壓是一個在大約零到至少約100兆赫的輸入信號頻率范圍內(nèi)能精確表示寬帶輸入信號的電壓。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述低路放大器將所述已放大的寬帶輸入信號的直流至低頻部分耦合到一個單輸入多輸出的光耦合器上，該光耦合器的第一輸出部分形成了一個隔離層的第一部分，其第二輸出部分形成了圍繞所述低路放大器的線性控制反饋回路。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述高路放大器將所述已放大的寬帶輸入信號的低頻至高頻部分耦合到一個變壓器上，該變壓器形成了所述隔離層的第二部分。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述信號組合器包括所述變壓器的第一次級線圈，該線圈電連接到一個第一端電阻上；所述寬帶輸出信號電壓的直流至低頻部分是由受所述光耦合器控制的第一電流跨過第一端電阻而形成的；所述寬帶輸出信號電壓的低頻至高頻部分是由所述變壓器的第一次級線圈所產(chǎn)生的電壓跨接在第一端電阻上而形成的。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于，所述信號組合器還包括所述變壓器的第二次級線圈，該線圈電連接到一個第二端電阻上；所述寬帶輸出信號電壓的直流至低頻部分還由受所述光耦合器控制的第二電流跨過第二端電阻形成；而所述寬帶輸出信號電壓的低頻至高頻部分還由所述變壓器的第二次級線圈所產(chǎn)生的電壓跨接在第二端電阻上形成；所述第一和第二端電阻協(xié)同工作而產(chǎn)生一個差分寬帶輸出信號電壓。
10.如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二次級線圈與初級線圈共同起作用，以在寬帶輸出信號的直流至高頻整個范圍內(nèi)在所述變壓器中產(chǎn)生基本上為零的靜磁通。
11.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述寬帶輸入信號以第一接地點為參考電位，而所述寬帶輸出信號以第二接地點為參考電位，兩接地點以所述隔離層相互電絕緣。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述第一接地點與所述第二接地點之間的隔離層的電容小于約50微微法。
13.如權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于，所述第一接地點相對于所述第二接地點的電壓高至約50伏到約4400伏的電壓范圍。
14.一種分路隔離裝置，用于接收一個以第一接地點為參考電位的寬帶輸入信號電壓，并對該輸入信號電壓作精確放大，以提供一個以第二接地點為參考電位的寬帶輸出信號電壓，兩接地點以一隔離層彼此隔離；所述裝置包括一個高路放大器，用于放大所述寬帶輸入信號電壓，并將其低頻至高頻部分耦合到一變壓器上，該變壓器形成了所述隔離層的第一部分；一個低路放大器，用于放大所述寬帶輸入信號電壓，并將其直流至低頻部分耦合到一個單輸入多輸出的光耦合器上，該光耦合器的第一輸出部分形成了圍繞所述低路放大器的線性控制反饋回路，其第二輸出部分形成了所述隔離層的第二部分；以及一個信號組合器，用于接收上述耦合在所述隔離層兩邊的已被放大的輸入信號電壓的直流至低頻部分和低頻至高頻部分，所述兩頻率部分在一分隔頻率范圍內(nèi)基本上是重疊的，使該信號組合器能產(chǎn)生具有基本上平的幅度響應(yīng)特性而無須在分隔頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻率響應(yīng)調(diào)整的寬帶輸出信號電壓。
15.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述耦合在隔離層兩邊的已放大的輸入信號電壓的直流至低頻部分有大于約100千赫的3分貝滾降頻率，而該耦合在隔離層兩邊的已放大的輸入信號電壓的低頻至高頻部分有小于約10千赫的3分貝滾降頻率。
16.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，還包括一個增益調(diào)節(jié)裝置，用于使所述低路放大器的幅度響應(yīng)與所述高路放大器的幅度響應(yīng)相匹配。
17.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述第一接地點與所述第二接地點之間的隔離層的電容小于約50微微法。
18.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述第一接地點相對于所述第二接地點的電壓高至約50伏到約3500伏的電壓范圍。
19.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述寬帶輸出信號電壓是一個在大約零到至少約25兆赫的輸入信號頻率范圍內(nèi)能精確表示寬帶輸入信號的電壓。
20.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述寬帶輸出信號電壓是一個在大約零到至少約100兆赫的輸入信號頻率范圍內(nèi)能精確表示寬帶輸入信號的電壓。
21.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述光耦合器的第一輸出部分包含一個光二極管，設(shè)在所述低路放大器的一個負(fù)反饋回路中，以控制耦合到光耦合器上的信號的直流至低頻部分的穩(wěn)定性和幅度響應(yīng)特性。
22.如權(quán)利要求14所述的裝置，其特征在于，所述信號組合器包括所述變壓器的第一次級線圈，該線圈電連接到一個第一端電阻上；所述寬帶輸出信號電壓的直流至低頻部分是由受所述光耦合器控制的第一電流跨過第一端電阻而形成的；所述寬帶輸出信號電壓的低頻至高頻部分是由所述變壓器的第一次級線圈所產(chǎn)生的電壓跨接在第一端電阻上而形成的。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其特征在于，所述信號組合器還包括所述變壓器的第二次級線圈，該線圈電連接到一個第二端電阻上；所述寬帶輸出信號電壓的直流至低頻部分還由受所述光耦合器控制的第二電流跨過所述第二端電阻形成；而所述寬帶輸出信號電壓的低頻至高頻部分還由所述變壓器的第二次級線圈所產(chǎn)生的電壓跨接在第二端電阻上形成；所述第一和第二端電阻協(xié)同工作而產(chǎn)生一個差分寬帶輸出信號電壓。
24.如權(quán)利要求23所述的裝置，其特征在于，所述第一和第二次級線圈與初級線圈共同起作用，以在寬帶輸出信號的直流至高頻整個范圍內(nèi)在所述變壓器中產(chǎn)生基本上為零的靜磁通。
25.一種用于精確放大一個寬帶輸入信號電壓的方法，其中輸入信號電壓以第一接地點為參考電位，以提供一個以第二接地點為參考電位的寬帶輸出信號電壓，兩接地點以一隔離層彼此隔離，所述方法包括將所述寬帶輸入信號電壓分為具有第一3分貝滾降頻率的低路信號和具有第二3分貝滾降頻率的高路信號，所述第一和第二滾降頻率在一分隔頻率范圍內(nèi)基本上重疊；用一個變壓器將高路信號耦合到所述隔離層的兩邊；用一個單輸入多輸出的光耦合器的第一輸出部分將低路信號耦合到所述隔離層的兩邊；使低路中一個放大器的反饋回路與光耦合器的第二輸出部分接合起來；以及將耦合在所述隔離層兩邊的低路信號和高路信號組合起來，以產(chǎn)生具有基本上平坦的幅度響應(yīng)特性而無須在分隔頻率范圍內(nèi)進(jìn)行頻率響應(yīng)調(diào)整步驟的寬帶輸出信號電壓。
26.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，所述第一3分貝滾降頻率大于約100千赫，而所述第二3分貝滾降頻率小于約10千赫。
27.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，該方法還包括使已耦合的低路信號的幅度與已耦合的高路信號的幅度相匹配的步驟。
28.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，該方法還包括使所述第一接地點相對于所述第二接地點的電壓升高至約50伏到約3500伏電壓范圍的步驟。
29.如權(quán)利要求25所述的方法，其特征在于，其中所述組合的步驟還包括使所述變壓器設(shè)置一個次級線圈，將該線圈電連接到一個端電阻上；用所述光耦合器控制一電流，按照此電流在所述端電阻兩端產(chǎn)生寬帶輸出信號電壓的低路信號部分；以及用所述變壓器的次級線圈產(chǎn)生一電壓，按照此電壓在所述端電阻兩端產(chǎn)生寬帶輸出信號電壓的高路信號部分。
30.帶有底盤接地點的示波器中用的一種改進(jìn)的裝置，用于精確顯示以第一隔離接地點為參考電位的第一輸入信號的幅度對于時間的響應(yīng)曲線，該裝置包括第一隔離層，該隔離層將所述第一隔離接地點與所述底盤接地點分離開來；第一分路隔離放大器，接收所述第一輸入信號，該放大器包含一個高路放大器，其使用一個變壓器將所述第一輸入信號的高頻部分耦合到所述第一隔離層兩邊；還包含一個低路放大器，其使用一個單輸入多輸出的光耦合器將所述第一輸入信號的直流部分耦合到所述第一隔離層兩邊；第一信號組合器，用于將耦合在所述第一隔離層兩邊的第一輸入信號的直流和高頻部分組合起來，用于產(chǎn)生一個以所述底盤接地點為參考電位的能精確表示所述第一輸入信號的第一寬帶輸出信號；以及一個顯示子系統(tǒng)，接有所述第一寬帶輸出信號，以顯示所述第一輸入信號的幅度對時間的響應(yīng)曲線。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，該裝置還包括第二隔離層，該隔離層將一個第二隔離接地點與所述底盤接地點分離開來；第二分路隔離放大器，接收一個以一第二隔離接地點為參考電位的第二輸入信號，該放大器包含一個高路放大器，其使用一個變壓器將所述第二輸入信號的高頻分耦合到所述第二隔離層兩邊；還包含一個低路放大器，其使用一個光耦合器將所述第二輸入信號的直流部分耦合到所述第二隔離層兩邊；第二信號組合器，用于將耦合在所述第二隔離層兩邊的第二輸入信號的直流和高頻部分組合起來，用于產(chǎn)生一個以所述底盤接地點為參考電位的能精確表示所述第二輸入信號的第二寬帶輸出信號；并且所述顯示子系統(tǒng)接有所述第二寬帶輸出信號，以顯示所述第二輸入信號的幅度對時間的響應(yīng)曲線。
32.如權(quán)利要求31所述的裝置，其特征在于，所述底盤接地點、第一隔離接地點、第二隔離接地點用所述第一和第二隔離層彼此隔離開來。
33.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，所述低路放大器有大于約100千赫的3分貝滾降頻率，而所述高路放大器有小于約10千赫的3分貝滾降頻率。
34.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，所述第一隔離接地點與所述底盤接地點之間的第一隔離層的電容小于約50微微法。
35.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，所述第一隔離接地點相對于所述底盤接地點的電壓高至約50伏到約600伏的電壓范圍。
36.如權(quán)利要求30所述的裝置，其特征在于，所述第一輸入信號的幅度對時間的響應(yīng)曲線顯示值是一個在大約零到至少約100兆赫的第一輸入信號頻率范圍內(nèi)精確表示第一輸入信號的顯示值。
全文摘要
一種分路隔離放大器(10)，在其高路(26)和低路(24)中各采用變壓器(30)和單輸入雙輸出的閉環(huán)光耦合器(66)，以獲得無須頻率補償調(diào)節(jié)的平的寬頻響應(yīng)特性。在低路頻率范圍(106)，光耦合器給出全部或大部分信號輸出。該隔離放大器用到一大致重疊的分隔頻率范圍(104)，其中高低路信號分別加到變壓器的初級線(28)和差分地加到次級線圈(40，42)上。在分隔頻率范圍的頻率上，初次級產(chǎn)生的磁通分量共同作用產(chǎn)生有平坦響應(yīng)的組合輸出信號。
文檔編號G01R13/22GK1139213SQ9610100
公開日1997年1月1日 申請日期1996年1月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年1月13日
發(fā)明者C·E·貝克, M·P·考 申請人:特克特朗尼克公司