低功耗、微型隔離放大器AD202/AD204：特性、應用與設計要點

在電子工程師的日常設計工作中，隔離放大器是一種常用的器件，它能夠在沒有電連接的情況下測量、處理和傳輸輸入信號。今天，我們就來詳細了解一下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電連接的情況下測量、處理和傳輸輸入信號的應用場景。它們采用單個緊湊的塑料SIP或DIP封裝，提供信號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則由外部提供的時鐘（如推薦的AD246時鐘驅動器）供電。

產(chǎn)品特性

• 小尺寸：SIP封裝僅0.25英寸寬，每英寸可實現(xiàn)四個通道的高密度布局；DIP封裝高度僅0.350英寸，適合對高度有要求的應用。
• 低功耗：AD204功耗低至35mW，AD202為75mW，非常適合多通道應用或對功耗要求嚴格的場景。
• 高精度：K級型號最大非線性度僅為±0.025%，且溫度漂移低，能確保信號的完整性。
• 高共模抑制比（CMR）：增益為100V/V時，CMR可達130dB，且所有型號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，適用于寬帶信號和控制回路等應用。
• 高共模電壓隔離：K級型號的連續(xù)共模隔離電壓可達2000V pk（信號和電源）。
• 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：所有型號的輸入均提供一個未使用的運算放大器，可根據(jù)需要進行緩沖和增益調節(jié)，還能實現(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采用幅度調制技術，允許信號通過變壓器耦合到直流。兩款型號均包含一個未使用的輸入運算放大器和一個電源變壓器，為運算放大器、調制器和外部負載提供隔離電源。電源變壓器的初級由內(nèi)部產(chǎn)生（AD202）或外部提供（AD204）的25kHz、15V p-p方波驅動。

應用領域

• 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)。
• 電流分流測量：高精度和高共模抑制比可確保準確的電流測量。
• 電機控制：能夠有效隔離電機控制中的高壓信號，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
• 過程信號隔離：可用于隔離工業(yè)過程中的信號，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。

設計要點

電源供應

• 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方波時鐘信號供電。一個AD246時鐘驅動器在額定最小電源電壓14.25V時可驅動至少32個AD204，每增加40mV電源電壓可多驅動一個隔離器。當使用多個AD204時，建議每個時鐘驅動器每五個隔離器使用一個至少1μF的外部旁路電容。

輸入配置

• 標準單位增益應用：適用于±5V以內(nèi)的信號，連接簡單。
• 增益大于1的應用：通過反饋電阻RF和RG實現(xiàn)增益調節(jié)，RF值應保持在20kΩ以上，增益大于5時，需在FB到IN COM之間連接一個100pF的電容。
• 電流輸入或求和應用：可處理輸入信號大于±5V的情況，通過合理選擇RF和RS的值，可實現(xiàn)不同的輸入范圍。

調整

• 輸入側調整：對于非反相輸入電路，零調整電路在信號源低端串聯(lián)注入小調整電壓；增益調整可通過調整增益設置網(wǎng)絡實現(xiàn)，但在低增益時效果會減弱。對于反相輸入電路，零調整可消除求和節(jié)點的電壓，增益調整可在反饋中進行，且適用于所有增益。
• 輸出側調整：可利用半浮動輸出端口進行零調整，但增益調整需在后續(xù)電路（如輸出緩沖器或濾波器）中進行。

動態(tài)性能和噪聲

• 頻率響應：AD202和AD204的頻率響應不受壓擺率限制，適用于大信號和小信號。電容負載高達470pF時，對頻率響應影響不大。當存在幾百Hz以上的大信號時，建議使用1μF鉭電容將–VISO和+VISO旁路到IN COM。
• 階躍響應：對于AD204，使用輸入濾波器可改善快速輸入信號的階躍響應，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，但會犧牲帶寬；使用簡單的兩極有源濾波器可在不損失信號帶寬的情況下將紋波降低至0.1mV p-p。

PCB布局

在多通道應用中，AD204Y的引腳布局設計允許實現(xiàn)非常密集的布局。對于簡單的電壓跟隨器連接，推薦采用特定的PCB布局；當存在增益設置電阻時，仍可實現(xiàn)0.25英寸的通道中心間距。

同步

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

應用示例

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，以實現(xiàn)對幾Hz以上頻率的正常模式抑制和60Hz的增強共模抑制。

帶偏移的過程電流輸入

該應用將4 - 20mA的過程電流信號轉換為0V - 10V的輸出，通過在輸出LO端施加–1V參考電壓實現(xiàn)電平偏移。此技術常用于跟隨器型輸出緩沖器中獲取偏移。

高順應性電流源

利用隔離放大器感測電流采樣電阻上的電壓，實現(xiàn)對高壓晶體管或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。

電機控制隔離

在全波橋電機驅動器的電流傳感應用中，AD204能夠有效抑制200V共模階躍（1ms上升時間）產(chǎn)生的干擾，輸出典型響應為±5mV幅度的尖峰，在小于100ms內(nèi)衰減至零。

浮動電流源/歐姆表

當需要一個具有±1000V直流順應范圍的小浮動電流時，AD204可用于創(chuàng)建和調節(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RF縮放實現(xiàn)5V滿量程輸出。

總結

AD202和AD204隔離放大器憑借其豐富的特性和廣泛的應用場景，為電子工程師在設計中提供了可靠的信號隔離解決方案。在實際應用中，我們需要根據(jù)具體需求合理選擇型號，并注意電源供應、輸入配置、調整、動態(tài)性能和噪聲等設計要點，以充分發(fā)揮其性能優(yōu)勢。你在使用隔離放大器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。