電路功能與優(yōu)勢(shì)
圖1所示電路是一種完整的低成本模擬/模擬隔離器解決方案，它提供2500 V rms的隔離值（1分鐘，符合UL 1577標(biāo)準(zhǔn)）。
該電路基于 AD7400A——一款二階Σ-Δ型調(diào)制器，提供數(shù)字隔離的1比特?cái)?shù)據(jù)流輸出。隔離模擬信號(hào)利用一個(gè)基于雙通道、低噪聲、軌到軌運(yùn)算放大器 AD8646 的四階有源濾波器恢復(fù)。 ADuM5000 用作隔離端的電源，兩端完全隔離，系統(tǒng)僅使用一個(gè)電源。該電路具有0.05%的線性度，并能獲益于調(diào)制器AD7400A和模擬濾波器提供的噪聲整形。該電路的應(yīng)用包括電機(jī)控制和電流監(jiān)控，同時(shí)它還能有效替代基于光隔離器的隔離系統(tǒng)。
圖1. 采用AD7400A的模擬隔離器（原理示意圖：未顯示去耦和所有連接）
電路描述
圖1顯示的是電路的框圖。模擬輸入由Σ-Δ型調(diào)制器AD7400A以10 MSPS進(jìn)行采樣。22 Ω電阻和0.1 μF電容構(gòu)成一個(gè)截止頻率為145 kHz的差分輸入降噪濾波器。AD7400A的輸出為隔離的1比特?cái)?shù)據(jù)流。量化噪聲由一個(gè)二階Σ-Δ型調(diào)制器整形，將噪聲移動(dòng)到較高頻率（參見(jiàn)教程MT-022）。
為了重構(gòu)模擬輸入信號(hào)，數(shù)據(jù)流之后應(yīng)連接一個(gè)階數(shù)高于調(diào)制器階數(shù)的濾波器。為了更好地衰減噪聲，使用一個(gè)四階切比雪夫?yàn)V波器。當(dāng)濾波器階數(shù)相同時(shí)，相比于其它濾波器響應(yīng)（巴特沃茲、貝塞爾等），切比雪夫響應(yīng)提供最為陡峭的滾降。該濾波器利用雙通道、軌到軌輸入和輸出、低噪聲、單電源運(yùn)算放大器AD8646來(lái)實(shí)現(xiàn)。
ADuM5000是一款基于ADI公司iCoupler®技術(shù)的隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，用于為電路的隔離端（包含AD7400A）提供電源。isoPower®技術(shù)利用高頻開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)芯片級(jí)變壓器傳輸功率。
本電路必須構(gòu)建在具有較大面積接地層的多層電路板上。為實(shí)現(xiàn)最佳性能，必須采用適當(dāng)?shù)牟季帧⒔拥睾腿ヱ罴夹g(shù)（請(qǐng)參考 教程MT-031——“實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的接地并解開(kāi)AGND和DGND的謎團(tuán)”、 教程MT-101——“去耦技術(shù)” 和ADuC7060/ ADuC7061 評(píng)估板布局布線）。設(shè)計(jì)印刷電路板(PCB)布局布線時(shí)應(yīng)特別小心，必須符合相關(guān)輻射標(biāo)準(zhǔn)以及兩個(gè)隔離端之間的隔離要求。（參見(jiàn) 應(yīng)用筆記 AN-0971。）
為了避免過(guò)驅(qū)AD8646，輸入信號(hào)應(yīng)低于AD8646的電源電壓(5 V)。AD7400A的輸出為1和0的數(shù)據(jù)流，幅度等于AD7400A VDD2電源電壓。因此，VDD2數(shù)字電源為線性穩(wěn)壓器 ADP121 提供的3.3 V電壓。或者，如果VDD2使用5 V電源，則數(shù)字輸出信號(hào)應(yīng)經(jīng)過(guò)衰減后才能連接到有源濾波器。無(wú)論何種情況，電源都應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，因?yàn)樽罱K的模擬輸出與VDD2直接成正比。
圖1所示電路的5 V電源由5 V線性穩(wěn)壓器 ADP3301 提供，它接受5.5 V至12 V的輸入電壓。
模擬有源濾波器設(shè)計(jì)
低通濾波器的截止頻率主要取決于電路所需的帶寬。截止頻率與噪聲性能之間存在取舍關(guān)系，如果提高濾波器的截止頻率，則噪聲會(huì)增加。在本設(shè)計(jì)中尤其如此，因?yàn)?Sigma;-Δ型調(diào)制器對(duì)噪聲進(jìn)行整形，將很大一部分移動(dòng)到較高頻率。本設(shè)計(jì)選擇100 kHz的截止頻率。
對(duì)于給定的截止頻率，濾波器的過(guò)渡帶越小，則濾波器通過(guò)的噪聲越少。在所有濾波器響應(yīng)中（巴特沃茲、切比雪夫、貝塞爾等），本設(shè)計(jì)之所以選擇切比雪夫響應(yīng)，是因?yàn)樵诮o定濾波器階數(shù)下，它的過(guò)渡帶較小，但代價(jià)是瞬態(tài)響應(yīng)性能略差。
該濾波器是一個(gè)四階濾波器，由兩個(gè)采用Sallen-Key結(jié)構(gòu)的二階濾波器組成。該濾波器的設(shè)計(jì)使用了Analog Filter Wizard”和Multisim工具。輸入程序的參數(shù)如下：“濾波器類(lèi)型：低通、切比雪夫0.01 dB紋波，階數(shù) = 4，F(xiàn)c = 100 kHz，Sallen-Key”。除了反饋電阻降至22 Ω外，全部使用程序生成的推薦值。
測(cè)量
AD7400A的增益為5.15，輸出偏移電壓為1.65 V（采用3.3 V電源供電時(shí)）。0 V的差分信號(hào)產(chǎn)生1和0的數(shù)字比特流，1和0各占50%的時(shí)間。數(shù)字輸出電源為3.3 V，因此，濾波后會(huì)有1.65 V的直流偏移。在理想狀態(tài)下，320 mV的差分輸入生成全1的數(shù)據(jù)流，濾波后產(chǎn)生3.3 V直流輸出。因此，AD7400A的有效增益為：
GAIN = (3.3 − 1.65)/0.32 = 5.15625
通過(guò)測(cè)量，實(shí)測(cè)偏移為1.641497 V，增益為5.165。系統(tǒng)的直流傳遞函數(shù)如圖2所示。實(shí)測(cè)線性度為0.0465%。
無(wú)直流偏移電壓下的輸出電壓與輸入頻率的關(guān)系如圖3所示。輸入信號(hào)電壓為40 mV p-p。因此，輸出信號(hào)為40 × 5.165 = 207 mV p-p。注意，頻率響應(yīng)函數(shù)中約有10 mV的峰化，相當(dāng)于大約0.42 dB。
該系統(tǒng)具有良好的噪聲性能，1 kHz時(shí)的噪聲密度為2.50 μV/√Hz，10 kHz時(shí)為1.52 μV/√Hz。
有關(guān)本電路筆記的完整設(shè)計(jì)支持包，請(qǐng)參閱 http://www.analog.com/CN0185-DesignSupport。
圖2. 系統(tǒng)直流傳遞函數(shù)
圖3. 40 mV p-p輸入信號(hào)的電路頻率響應(yīng)
常見(jiàn)變化
該電路可以用于隔離電壓監(jiān)控，也可用于需要監(jiān)控分流電阻兩端電壓的電流檢測(cè)應(yīng)用。系統(tǒng)輸入信號(hào)的要求參見(jiàn)AD7400A數(shù)據(jù)手冊(cè)。
如果用 ADuM6000 代替ADuM5000，則整個(gè)電路的隔離額定值為5 kV。
電路評(píng)估與測(cè)試
用+6 V電源使電路上電后，可以利用信號(hào)發(fā)生器和示波器輕松評(píng)估該電路。
設(shè)備要求（可以用同等設(shè)備代替）
•多功能校準(zhǔn)儀（直流源）：Fluke 5700A
•數(shù)字萬(wàn)用表：Agilent 3458A，8.5位
•頻譜分析儀：Agilent 4396B
•函數(shù)發(fā)生器：Agilent 33250A
•+6 V電源
設(shè)置與測(cè)試
線性度測(cè)量設(shè)置的框圖如圖4所示。+6 V電源連接到EVAL-CN0185-EB1Z電源引腳。
直流輸入電壓利用Fluke 5700A產(chǎn)生，使用Agilent 3458A DVM測(cè)量輸出。Fluke 5700A的直流輸出以1 mV步進(jìn)從1 mV提高到250 mV，并記錄數(shù)據(jù)。
為了測(cè)量頻率響應(yīng)，按照?qǐng)D5所示連接設(shè)備。首先將函數(shù)發(fā)生器33250A設(shè)置為0直流偏移的40 mV峰-峰值正弦波輸出，然后利用頻譜分析儀4396B掃描100 Hz至500 kHz的信號(hào)頻率，并記錄數(shù)據(jù)。
圖4. 用于測(cè)量線性度的CN-0185電路測(cè)試設(shè)置
圖5. 用于測(cè)量頻率響應(yīng)的CN-0185電路測(cè)試設(shè)置