ISO120和ISO121精密低成本隔離放大器：特性、原理與應(yīng)用

在電子工程領(lǐng)域，隔離放大器是保障信號(hào)傳輸安全與穩(wěn)定的關(guān)鍵器件。ISO120和ISO121作為兩款精密低成本隔離放大器，憑借其獨(dú)特的性能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，受到了工程師們的廣泛關(guān)注。今天就和大家詳細(xì)聊聊這兩款放大器。

文件下載：iso121.pdf

特性亮點(diǎn)

電氣性能卓越

• 隔離電壓高：ISO120額定連續(xù)隔離電壓為1500Vrms，ISO121更是高達(dá)3500Vrms，且經(jīng)過100%局部放電測(cè)試，能有效保障在高電壓環(huán)境下的可靠運(yùn)行。
• 隔離模式抑制比高：在60Hz交流和直流條件下，ISO120和ISO121的隔離模式抑制比（IMR）均可達(dá)115dB典型值，能出色地抑制共模干擾，確保信號(hào)的純凈度。
• 低非線性度：最大非線性度僅為±0.01%，保證了信號(hào)傳輸?shù)?a target="_blank">高精度，適用于對(duì)精度要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景。
• 寬溫度范圍：ISO120的工作溫度范圍為 -55°C至 +125°C，ISO121也能在 -25°C至 +85°C（BG和G級(jí)）或 -55°C至 +125°C（SG級(jí)）的寬溫度區(qū)間穩(wěn)定工作，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境。

功能特性豐富

• 載波頻率可控：用戶可對(duì)載波頻率進(jìn)行控制，靈活適應(yīng)不同的應(yīng)用需求。
• 同步能力：具備同步功能，可消除多通道系統(tǒng)中的拍頻干擾，有效抑制交流信號(hào)及其諧波。
• 雙極操作：輸出電壓范圍為 (v_{0}= pm 10V)，支持雙極信號(hào)的處理。

工作原理

自由運(yùn)行模式

在自由運(yùn)行模式下，輸入放大器A1將輸入電流與開關(guān)式±100μA電流源的差值進(jìn)行積分。當(dāng)輸入電壓 (V{IN}=0) 時(shí)，積分器會(huì)朝一個(gè)方向斜坡上升，直至超過比較器閾值，此時(shí)比較器和檢測(cè)放大器會(huì)迫使電流源切換，產(chǎn)生一個(gè)占空比為50%的三角波。當(dāng) (V{IN}) 變化時(shí)，積分器的占空比也會(huì)相應(yīng)改變，以保持A1輸出的平均直流值接近零伏，從而將輸入電壓轉(zhuǎn)換為占空比調(diào)制的三角波。這個(gè)三角波的頻率由內(nèi)部150pF電容決定。比較器產(chǎn)生的快速上升沿方波會(huì)反饋至A1以保持電荷平衡，同時(shí)通過隔離屏障傳輸至具有高共模抑制特性的差分檢測(cè)放大器。檢測(cè)放大器驅(qū)動(dòng)圍繞A2的開關(guān)電流源，輸出級(jí)將占空比調(diào)制電流與通過200kΩ反饋電阻的反饋電流進(jìn)行平衡，使得檢測(cè)引腳的平均值等于 (V_{IN})。輸出反饋回路中的采樣保持放大器則用于消除解調(diào)過程中固有的紋波電壓。

同步模式

ISO120和ISO121的獨(dú)特之處在于能夠?qū)⒄{(diào)制器與外部信號(hào)源同步。使用時(shí)，通過在 (C{1}) 和 (C{2}) 連接外部電容來改變自由運(yùn)行載波頻率，并將外部信號(hào)施加到Ext Osc引腳。若 (V{IN}=0) 且外部信號(hào)占空比為50%，其工作過程與自由運(yùn)行模式類似，只是開關(guān)頻率變?yōu)橥獠啃盘?hào)的頻率。若外部信號(hào)占空比不為50%，其平均值不為零，啟動(dòng)時(shí)電流源不會(huì)切換，直到積分器輸出等于外部信號(hào)的平均直流值，此時(shí)外部信號(hào)觸發(fā)電流源，在A1輸出產(chǎn)生一個(gè)關(guān)于新直流值對(duì)稱的三角波。當(dāng) (V{IN}) 變化時(shí)，波形保持直流偏移，但占空比改變以維持A1周圍的電荷平衡。解調(diào)過程與自由運(yùn)行模式相同。

應(yīng)用場(chǎng)景

工業(yè)過程控制

在工業(yè)過程控制中，ISO120和ISO121可用于熱電偶、熱電阻（RTD）、壓力電橋和流量計(jì)等傳感器的隔離，實(shí)現(xiàn)4mA至20mA環(huán)路隔離，有效消除接地環(huán)路干擾，保障信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

醫(yī)療測(cè)量

在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量領(lǐng)域，它們能精準(zhǔn)隔離信號(hào)，避免高電壓地電位和嚴(yán)重接地噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，同時(shí)提供故障保護(hù)，確?；颊吆驮O(shè)備的安全。例如在心電圖（ECG）放大器中，可有效隔離人體信號(hào)與測(cè)量電路，提高測(cè)量精度。

數(shù)據(jù)采集與測(cè)試設(shè)備

在數(shù)據(jù)采集和測(cè)試設(shè)備中，ISO120和ISO121可用于隔離不同通道的信號(hào)，防止信號(hào)相互干擾，提高系統(tǒng)的可靠性和測(cè)量精度。

使用注意事項(xiàng)

信號(hào)和電源連接

• 每個(gè)電源引腳都應(yīng)使用1μF鉭電容進(jìn)行旁路，且電容應(yīng)盡可能靠近放大器。
• 所有接地連接應(yīng)獨(dú)立連接到公共點(diǎn)，輸入和輸出部分的信號(hào)公共端為高阻抗點(diǎn)，用于在嘈雜環(huán)境中檢測(cè)信號(hào)接地，但必須有接地路徑以返回偏置電流，并保持在Gnd的±1V范圍內(nèi)。
• 輸出檢測(cè)引腳可直接連接到 (V_{out}) 或遠(yuǎn)程負(fù)載，以消除IR降引起的誤差。
• (C{1 H}) 和 (C{2 H}) 引腳連接到積分器求和節(jié)點(diǎn)，對(duì)外部拾取非常敏感，建議對(duì)這些引腳進(jìn)行屏蔽，避免使用長走線或大電容。

可選增益和偏移調(diào)整

雖然無需外部調(diào)整即可實(shí)現(xiàn)額定增益精度和偏移性能，但可使用特定電路進(jìn)行增益微調(diào)（±0.5%）和偏移調(diào)整。不過，調(diào)整時(shí)需注意輸入偏移誤差會(huì)隨增益增加而放大，小信號(hào)帶寬會(huì)隨增益增加而減小。

載波頻率選擇

當(dāng) (C{1}=0) 時(shí)，載波頻率標(biāo)稱值為500kHz，放大器的 -3dB點(diǎn)為60kHz。若輸入信號(hào)包含高于250kHz的顯著分量，可能會(huì)在輸出端產(chǎn)生雜散信號(hào)?？赏ㄟ^降低載波頻率來衰減干擾信號(hào)分量，但需注意 (C{2}) 必須連接且其值應(yīng)等于或大于 (C_{1})，以確保穩(wěn)定性。

隔離模式電壓

隔離模式電壓（IMV）是指隔離接地Gnd 1和Gnd 2之間的電壓，若IMV頻率超過 (f_{c} / 2)，輸出會(huì)出現(xiàn)雜散輸出，放大器響應(yīng)與信號(hào)響應(yīng) vs 載波頻率性能曲線一致。為保證典型IMV性能，隔離模式電壓的dV/dT應(yīng)低于1000V/μs。當(dāng)dV/dT超過1000V/μs但低于20kV/μs時(shí)，性能可能會(huì)下降；超過20kV/μs時(shí)，放大器可能損壞，但隔離屏障仍能保持完整。

隔離電壓測(cè)試

為適應(yīng)不明確的瞬態(tài)情況，在100%生產(chǎn)測(cè)試中，被測(cè)器件需承受1.6倍連續(xù)額定電壓，且局部放電水平 ≤5pC。通過局部放電測(cè)試能更準(zhǔn)確地評(píng)估隔離屏障的完整性。

ISO120和ISO121隔離放大器以其卓越的性能、豐富的功能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，為電子工程師在信號(hào)隔離和處理方面提供了可靠的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師們需根據(jù)具體需求合理選擇和使用這兩款放大器，并注意相關(guān)的使用事項(xiàng)，以充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。大家在使用過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)交流分享。