低功耗、微型隔離放大器AD202/AD204：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子工程師的日常設(shè)計(jì)工作中，隔離放大器是一種常用的器件，它能夠在沒(méi)有電連接的情況下測(cè)量、處理和傳輸輸入信號(hào)。今天，我們就來(lái)詳細(xì)了解一下ADI公司的AD202和AD204這兩款通用型、變壓器耦合隔離放大器。

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產(chǎn)品概述

AD202和AD204是通用的兩端口、變壓器耦合隔離放大器，適用于各種需要在無(wú)電連接的情況下測(cè)量、處理和傳輸輸入信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)景。它們采用單個(gè)緊湊的塑料SIP或DIP封裝，提供信號(hào)和電源隔離的完整隔離功能。

主要區(qū)別

AD202直接由15V直流電源供電，而AD204則由外部提供的時(shí)鐘（如推薦的AD246時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器）供電。

產(chǎn)品特性

• 小尺寸：SIP封裝僅0.25英寸寬，每英寸可實(shí)現(xiàn)四個(gè)通道的高密度布局；DIP封裝高度僅0.350英寸，適合對(duì)高度有要求的應(yīng)用。
• 低功耗：AD204功耗低至35mW，AD202為75mW，非常適合多通道應(yīng)用或?qū)囊髧?yán)格的場(chǎng)景。
• 高精度：K級(jí)型號(hào)最大非線性度僅為±0.025%，且溫度漂移低，能確保信號(hào)的完整性。
• 高共模抑制比（CMR）：增益為100V/V時(shí)，CMR可達(dá)130dB，且所有型號(hào)的總共模輸入電容小于5pF，泄漏電流最大僅2mA。
• 寬帶寬：AD204的滿功率帶寬為5kHz，適用于寬帶信號(hào)和控制回路等應(yīng)用。
• 高共模電壓隔離：K級(jí)型號(hào)的連續(xù)共模隔離電壓可達(dá)2000V pk（信號(hào)和電源）。
• 隔離電源輸出：AD204可提供±7.5V、2mA的隔離電源，AD202可提供±7.5V、0.4mA的隔離電源，可滿足不同的供電需求。
• 靈活的輸入：所有型號(hào)的輸入均提供一個(gè)未使用的運(yùn)算放大器，可根據(jù)需要進(jìn)行緩沖和增益調(diào)節(jié)，還能實(shí)現(xiàn)濾波、求和、高壓范圍和電流（跨阻）輸入等多種功能。

產(chǎn)品規(guī)格

內(nèi)部工作原理

AD202和AD204采用幅度調(diào)制技術(shù)，允許信號(hào)通過(guò)變壓器耦合到直流。兩款型號(hào)均包含一個(gè)未使用的輸入運(yùn)算放大器和一個(gè)電源變壓器，為運(yùn)算放大器、調(diào)制器和外部負(fù)載提供隔離電源。電源變壓器的初級(jí)由內(nèi)部產(chǎn)生（AD202）或外部提供（AD204）的25kHz、15V p-p方波驅(qū)動(dòng)。

應(yīng)用領(lǐng)域

• 多通道數(shù)據(jù)采集：小尺寸和低功耗特性使其非常適合多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
• 電流分流測(cè)量：高精度和高共模抑制比可確保準(zhǔn)確的電流測(cè)量。
• 電機(jī)控制：能夠有效隔離電機(jī)控制中的高壓信號(hào)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
• 過(guò)程信號(hào)隔離：可用于隔離工業(yè)過(guò)程中的信號(hào)，防止干擾。
• 高壓儀器放大器：高共模電壓隔離能力使其適用于高壓儀器放大器。

設(shè)計(jì)要點(diǎn)

電源供應(yīng)

• AD202：直接連接15V直流電源，模塊內(nèi)已提供旁路電容。
• AD204：由外部提供的25kHz、15V p-p方波時(shí)鐘信號(hào)供電。一個(gè)AD246時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器在額定最小電源電壓14.25V時(shí)可驅(qū)動(dòng)至少32個(gè)AD204，每增加40mV電源電壓可多驅(qū)動(dòng)一個(gè)隔離器。當(dāng)使用多個(gè)AD204時(shí)，建議每個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)器每五個(gè)隔離器使用一個(gè)至少1μF的外部旁路電容。

輸入配置

• 標(biāo)準(zhǔn)單位增益應(yīng)用：適用于±5V以內(nèi)的信號(hào)，連接簡(jiǎn)單。
• 增益大于1的應(yīng)用：通過(guò)反饋電阻RF和RG實(shí)現(xiàn)增益調(diào)節(jié)，RF值應(yīng)保持在20kΩ以上，增益大于5時(shí)，需在FB到IN COM之間連接一個(gè)100pF的電容。
• 電流輸入或求和應(yīng)用：可處理輸入信號(hào)大于±5V的情況，通過(guò)合理選擇RF和RS的值，可實(shí)現(xiàn)不同的輸入范圍。

調(diào)整

• 輸入側(cè)調(diào)整：對(duì)于非反相輸入電路，零調(diào)整電路在信號(hào)源低端串聯(lián)注入小調(diào)整電壓；增益調(diào)整可通過(guò)調(diào)整增益設(shè)置網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，但在低增益時(shí)效果會(huì)減弱。對(duì)于反相輸入電路，零調(diào)整可消除求和節(jié)點(diǎn)的電壓，增益調(diào)整可在反饋中進(jìn)行，且適用于所有增益。
• 輸出側(cè)調(diào)整：可利用半浮動(dòng)輸出端口進(jìn)行零調(diào)整，但增益調(diào)整需在后續(xù)電路（如輸出緩沖器或濾波器）中進(jìn)行。

動(dòng)態(tài)性能和噪聲

• 頻率響應(yīng)：AD202和AD204的頻率響應(yīng)不受壓擺率限制，適用于大信號(hào)和小信號(hào)。電容負(fù)載高達(dá)470pF時(shí)，對(duì)頻率響應(yīng)影響不大。當(dāng)存在幾百Hz以上的大信號(hào)時(shí)，建議使用1μF鉭電容將–VISO和+VISO旁路到IN COM。
• 階躍響應(yīng)：對(duì)于AD204，使用輸入濾波器可改善快速輸入信號(hào)的階躍響應(yīng)，將輸入帶寬限制在約5.3kHz，減少內(nèi)部振鈴。
• 噪聲：在大多數(shù)情況下，輸出噪聲主要由25kHz的載波紋波組成。增加輸出電容可降低紋波，但會(huì)犧牲帶寬；使用簡(jiǎn)單的兩極有源濾波器可在不損失信號(hào)帶寬的情況下將紋波降低至0.1mV p-p。

PCB布局

在多通道應(yīng)用中，AD204Y的引腳布局設(shè)計(jì)允許實(shí)現(xiàn)非常密集的布局。對(duì)于簡(jiǎn)單的電壓跟隨器連接，推薦采用特定的PCB布局；當(dāng)存在增益設(shè)置電阻時(shí)，仍可實(shí)現(xiàn)0.25英寸的通道中心間距。

同步

AD204由于使用公共時(shí)鐘，具有固有的同步性。AD202通常不會(huì)產(chǎn)生拍頻，但在大量長(zhǎng)且未屏蔽的輸入電纜捆綁在一起且通道增益較高的罕見(jiàn)情況下，可能會(huì)出現(xiàn)相互干擾，此時(shí)可使用屏蔽電纜或AD204。

應(yīng)用示例

低電平傳感器輸入

在熱電偶等低電平傳感器輸出需要隔離的應(yīng)用中，可使用AD204搭配低漂移輸入放大器，并加入三極有源濾波器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)幾Hz以上頻率的正常模式抑制和60Hz的增強(qiáng)共模抑制。

帶偏移的過(guò)程電流輸入

該應(yīng)用將4 - 20mA的過(guò)程電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0V - 10V的輸出，通過(guò)在輸出LO端施加–1V參考電壓實(shí)現(xiàn)電平偏移。此技術(shù)常用于跟隨器型輸出緩沖器中獲取偏移。

高順應(yīng)性電流源

利用隔離放大器感測(cè)電流采樣電阻上的電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓晶體管或FET的直接反饋控制，使閉環(huán)電流源的靜態(tài)輸出電阻大于10^14Ω。

電機(jī)控制隔離

在全波橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的電流傳感應(yīng)用中，AD204能夠有效抑制200V共模階躍（1ms上升時(shí)間）產(chǎn)生的干擾，輸出典型響應(yīng)為±5mV幅度的尖峰，在小于100ms內(nèi)衰減至零。

浮動(dòng)電流源/歐姆表

當(dāng)需要一個(gè)具有±1000V直流順應(yīng)范圍的小浮動(dòng)電流時(shí)，AD204可用于創(chuàng)建和調(diào)節(jié)電流，節(jié)省大量功率。

光電二極管放大器

采用跨阻連接方式，隔離并放大光電二極管的輸出，使光電二極管在零偏置下工作，輸出電流通過(guò)RF縮放實(shí)現(xiàn)5V滿量程輸出。

總結(jié)

AD202和AD204隔離放大器憑借其豐富的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為電子工程師在設(shè)計(jì)中提供了可靠的信號(hào)隔離解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇型號(hào)，并注意電源供應(yīng)、輸入配置、調(diào)整、動(dòng)態(tài)性能和噪聲等設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢(shì)。你在使用隔離放大器的過(guò)程中遇到過(guò)哪些問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見(jiàn)解。