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 转换器, 滤波器, 隔离器

Bazinga

优势和特性
● 模拟至模拟隔离
● 提供信号和电源隔离

连接/参考器件

AD7400A：隔离式Σ-Δ调制器
ADuM5000：隔离式DC/DC转换器
AD8646：双通道、24MHz轨到轨输入/输出运算放大器
ADP121：150mA、低静态电流、CMOS线性稳压器
ADP3301：高精度、100mA、低压差线性稳压器

评估和设计支持

电路评估板

CN-0185电路评估板(EVAL-CN0185-EB1Z)

设计和集成文件

原理图、布局文件、物料清单

电路功能与优势

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2500Vrms的隔离值（1分钟，符合UL 1577标准）。



图1：完整的低成本模拟/模拟隔离器解决方案。


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。
电路描述

图1显示的是电路的框图。模拟输入由Σ-Δ型调制器AD7400A以10MSPS进行采样。22Ω电阻和0.1μF电容构成一个截止频率为145kHz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。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——去耦技术和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(5V)。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3.3V电压。或者，如果VDD2使用5V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5V电源由5V线性稳压器ADP3301提供，它接受5.5V至12V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100kHz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Multisim工具。输入程序的参数如下：滤波器类型：低通、切比雪夫0.01dB纹波，阶数=4，Fc=100kHz，”。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1.65V(采用3.3V电源供电时)。0V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3.3V，因此，滤波后会有1.65V的直流偏移。在理想状态下，320mV的差分输入生成全1的数据流，滤波后产生3.3V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1.641497V，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%。

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



图2：系统直流传递函数。




图3：40mVp-p输入信号的电路频率响应。
常见变化

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5kV。

电路评估与测试

用+6V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

● +6V电源

设置与测试

线性度测量设置的框图如图4所示。+6V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1mV步进从1mV提高到250mV，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40mV峰-峰值正弦波输出，然后利用频谱分析仪4396B扫描100Hz至500kHz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。