CN0185

采用隔离式Σ-Δ型调制器、隔离式DC/DC转换器和有源滤波器的新型模拟/模拟隔离器
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电路功能与优势

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图1所示电路是一种完整的低成本模拟/模拟隔离器解决方案,它提供2500 V rms的隔离值(1分钟,符合UL 1577标准)。

 

该电路基于 AD7400A——一款二阶Σ-Δ型调制器,提供数字隔离的1位数据流输出。隔离模拟信号利用一个基于双通道、低噪声、轨到轨运算放大器 AD8646 的四阶有源滤波器恢复。 ADuM5000 用作隔离端的电源,两端完全隔离,系统仅使用一个电源。该电路具有0.05%的线性度,并能获益于调制器AD7400A和模拟滤波器提供的噪声整形。该电路的应用包括电机控制和电流监控,同时它还能有效替代基于光隔离器的隔离系统。



图1. 采用AD7400A的模拟隔离器(原理示意图:未显示去耦和所有连接)

电路描述

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图1显示的是电路的框图。模拟输入由Σ-Δ型调制器AD7400A以10 MSPS进行采样。22 Ω电阻和0.1 μF电容构成一个截止频率为145 kHz的差分输入降噪滤波器。AD7400A的输出为隔离的1位数据流。量化噪声由一个二阶Σ-Δ型调制器整形,将噪声移动到较高频率(参见教程MT-022)。

 

为了重构模拟输入信号,数据流之后应连接一个阶数高于调制器阶数的滤波器。为了更好地衰减噪声,使用一个四阶切比雪夫滤波器。当滤波器阶数相同时,相比于其它滤波器响应(巴特沃兹、贝塞尔等),切比雪夫响应提供最为陡峭的滚降。该滤波器利用双通道、轨到轨输入和输出、低噪声、单电源运算放大器AD8646来实现。

 

ADuM5000是一款基于ADI公司iCoupler®技术的隔离式DC/DC转换器,用于为电路的隔离端(包含AD7400A)提供电源。isoPower®技术利用高频开关元件,通过芯片级变压器传输功率。

 

本电路必须构建在具有较大面积接地层的多层电路板上。为实现最佳性能,必须采用适当的布局、接地和去耦技术(请参考 教程MT-031——“实现数据转换器的接地并解开AGND和DGND的谜团”、 教程MT-101——“去耦技术” ADuC7060/ ADuC7061 )评估板布局布线。设计印刷电路板(PCB)布局布线时应特别小心,必须符合相关辐射标准以及两个隔离端之间的隔离要求。(参见 应用笔记 AN-0971。

 

为了避免过驱AD8646,输入信号应低于AD8646的电源电压(5 V)。AD7400A的输出为1和0的数据流,幅度等于AD7400A VDD2电源电压。因此,VDD2数字电源为线性稳压器 ADP121 提供的3.3 V电压。或者,如果VDD2使用5 V电源,则数字输出信号应经过衰减后才能连接到有源滤波器。无论何种情况,电源都应进行适当调节,因为最终的模拟输出与VDD2直接成正比。

 

图1所示电路的5 V电源由5 V线性稳压器 ADP3301 提供,它接受5.5 V至12 V的输入电压。

 

模拟有源滤波器设计
低通滤波器的截止频率主要取决于电路所需的带宽。截止频率与噪声性能之间存在取舍关系,如果提高滤波器的截止频率,则噪声会增加。在本设计中尤其如此,因为Σ-Δ型调制器对噪声进行整形,将很大一部分移动到较高频率。本设计选择100 kHz的截止频率。

对于给定的截止频率,滤波器的过渡带越小,则滤波器通过的噪声越少。在所有滤波器响应中(巴特沃兹、切比雪夫、贝塞尔等),本设计之所以选择切比雪夫响应,是因为在给定滤波器阶数下,它的过渡带较小,但代价是瞬态响应性能略差。

该滤波器是一个四阶滤波器,由两个采用Sallen-Key结构的二阶滤波器组成。该滤波器的设计使用了模拟滤波器向导 和Ni Multisim工具。所有的参数包括:“滤波器类型=低通切比雪夫,0.01 dB纹波,
阶数 = 4,
Fc = 100 kHz,Sallen-Key(为清晰起见,采用更新格式)
除了反馈电阻降至22Ω外,全部使用程序生成的推荐值

测量
AD7400A的增益为5.15,输出偏移电压为1.65 V(采用3.3 V电源供电时)。0 V的差分信号产生1和0的数字位流,1和0各占50%的时间。数字输出电源为3.3 V,因此,滤波后会有1.65 V的直流偏移。在理想状态下,320 mV的差分输入生成全1的数据流,滤波后产生3.3 V直流输出。因此,AD7400A的有效增益为:     

增益= (3.3 − 1.65)/0.32 = 5.15625
通过测量,实测偏移为1.641497 V,增益为5.165。系统的直流传递函数如图2所示。实测线性度为0.0465%。

图 3 显示无直流失调电压的输出电压与输入频率的关系。输 入信号电压为 40 mV p-p ,可产生 40 × 5.165 = 207 mV p-p 的输 出信号。注意,频率响应函数中约有 10 mV 的峰化,相当于 大约 0.42 dB 。

该系统具有良好的噪声性能,1 kHz时的噪声密度为2.50 μV/√Hz,10 kHz时为1.52 μV/√Hz。

有关本电路笔记的完整设计支持包,请参阅 http://www.analog.com/CN0185-DesignSupport。



图2. 系统直流传递函数



图3. 40 mV p-p输入信号的电路频率响应

常见变化

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该电路可以用于隔离电压监控,也可用于需要监控分流电阻两端电压的电流检测应用。系统输入信号的要求参见AD7400A数据手册。

 

如果用 ADuM6000 代替ADuM5000,则整个电路的隔离额定值为5 kV。
如有需要,可用 ADP1720ADP7102 线性稳压器代替 ADP3301

电路评估与测试

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用+6 V电源使电路上电后,可以利用信号发生器和示波器轻松评估该电路。

设备要求(可以用同等设备代替)

  • 多功能校准仪(直流源):Fluke 5700A
  • 数字万用表:Agilent 3458A,8.5位
  • 频谱分析仪:Agilent 4396B
  • 函数发生器:Agilent 33250A
  • +6 V电源

设置与测试

线性度测量设置的框图如图4所示。+6 V电源连接到EVAL-CN0185-EB1Z电源引脚。

直流输入电压利用Fluke 5700A产生,使用Agilent 3458A DVM测量输出。Fluke 5700A的直流输出以1 mV步进从1 mV提高到250 mV,并记录数据。

为了测量频率响应,按照图5所示连接设备。首先将函数发生器33250A设置为0直流偏移的40 mV峰-峰值正弦波输出,然后利用频谱分析仪4396B扫描100 Hz至500 kHz的信号频率,并记录数据。



图4. 用于测量线性度的CN-0185电路测试设置



图5. 用于测量频率响应的CN-0185电路测试设置

样片申请及购买

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产品

描述

可提供样片的
产品型号

AD7400A 隔离式Σ-Δ调制器

联络ADI

ADP121 150 mA,低静态电流,CMOS线性稳压器,采用5引脚TSOT封装

ADP121-AUJZ12R7

ADP121-AUJZ15R7

ADP121-AUJZ18R7

ADP121-AUJZ20R7

ADP121-AUJZ25R7

ADP121-AUJZ28R7

ADP121-AUJZ30R7

ADP121-AUJZ33R7

ADUM5000 隔离式DC/DC转换器

ADUM5000ARWZ

ADUM5000WARWZ

AD8646 24 MHZ轨到轨双通道运算放大器

AD8646ARMZ

AD8646ARZ

ADP3301 高精度ANYCAP® 100 MA低压差线性稳压器

ADP3301ARZ-2.7

ADP3301ARZ-3

ADP3301ARZ-3.2

ADP3301ARZ-3.3

ADP3301ARZ-5

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