一種低成本 小體積 高精度
——模擬信號隔離放大混合集成電路
ISOLATION AMPLIFIER IC

關(guān)鍵詞：模擬信號:0-10mA/0-20mA/4-20mA/0-5V/0-10V/0-±5V/1-5V等
輸入與輸出之間的隔離及變換。

 

說明：ISO系列隔離放大器是一種將模擬信號按比例進(jìn)行隔離和轉(zhuǎn)換的混合集成電路（IC），它分為有源（含輔助電源）型和無源型兩大類。

無源型 IC內(nèi)部包含有電流信號調(diào)制解調(diào)電路、信號耦合隔離變換電路等，很小的輸入等效電阻，使該IC的輸入電壓達(dá)到超寬范圍（7.5—32V），以滿足用戶無需外接電源而實(shí)現(xiàn)信號遠(yuǎn)距離、無失真?zhèn)鬏數(shù)男枰?。?nèi)部的陶瓷基板、印刷電阻工藝及新技術(shù)隔離措施使器件能達(dá)到3KVAC絕緣電壓和工業(yè)級寬溫度、潮濕、震動的現(xiàn)場惡劣環(huán)境要求。ISO 4-20mA系列產(chǎn)品使用非常方便無需外接任何元件即可實(shí)現(xiàn)4-20mA電流環(huán)隔離或信號一進(jìn)二出、二進(jìn)二出等變換功能。
有源型 IC是在同一芯片上集成了一個高隔離的DC/DC電源及高性能線性光電耦合器的混合集成電路。該芯片除了為內(nèi)部放大電路供電外，還可以向外部（信號輸入與輸出端）提供兩組隔離的正、負(fù)直流電源和兩組的5VDC穩(wěn)壓基準(zhǔn)源，外部電路擴(kuò)展用，如電橋電路、小信號前置放大電路等用戶電路。該系列產(chǎn)品具有寬信號帶寬20KHZ，可對0~±10VDC雙向直流信號或0~5VAC的交流信號進(jìn)行隔離、調(diào)理和變換。該IC體積很小，使用非常方便，只需很少外部元件即可實(shí)現(xiàn)模擬信號的（I/I I/V V/I V/V）隔離及變換功能。

主要應(yīng)用領(lǐng)域： 模擬信號數(shù)據(jù)采集，隔離傳輸及供電，工業(yè)現(xiàn)場信號隔離傳輸及變換，地線干擾抑制，信號遠(yuǎn)程無失真?zhèn)鬏敚瑑x器儀表與傳感器信號的隔離變換。電力設(shè)備及醫(yī)療儀器安全隔離柵。

產(chǎn)品體系：
ISO 4-20mA 系列———兩線無源4-20mA信號隔離調(diào)理IC
ISO-Ax-Px-Ox系列———直流電流信號（I/V I/I）隔離放大器IC
ISO-Ux-Px-Ox系列———直流電壓信號（V/I V/V）隔離放大器IC
ISO1001 /1002 系列———直流雙向或交流信號隔離放大器IC

產(chǎn)品特性：
? 精度等級：0.1級、0.2級、0.5級
? 全量程范圍內(nèi)*的線性度（非線性度<0.2%）
? 國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)信號: 0-10mA/0-20mA/4-20mA/0-5V/0-10V/0-±5V/1-5V
輸入/輸出。具有低輸入阻抗和輸出高負(fù)載能力
? 信號輸入/輸出/輔助電源之間 3KV 三隔離
? 單電源供電,可為用戶在信號輸入或輸出端提供隔離電源
? 低成本,小體積,標(biāo)準(zhǔn)單列SIP12和雙列DIP24腳IC封裝
? 工業(yè)級工作溫度范圍，符合UL-94標(biāo)準(zhǔn)的阻燃材料真空灌封
一、概述
信號隔離技術(shù)是使模擬信號在發(fā)送時不存在穿越發(fā)送和接收端之間屏障的電流連接。這允許發(fā)送和接收端外的地或基準(zhǔn)電平之差值可以高達(dá)幾千伏，并且防止了可能損害信號的不同地電位之間的環(huán)路電流。信號地的噪聲可使信號受損。隔離可將信號分離到一個干凈的信號子系統(tǒng)地，使傳感器、儀器儀表或控制系統(tǒng)與電源之間互相隔離，從而保證整個系統(tǒng)裝置的工作安全、可靠及穩(wěn)定。

而在另一種應(yīng)用中，基準(zhǔn)電平之間的電連接可隔離產(chǎn)生一個對于操作人員或病人不安全的電流通路。

信號隔離器件依賴于無發(fā)送器和接收器來跨越隔離屏障，這種器件曾用于數(shù)字信號，但線性化問題迫使模擬信號隔離采用變壓器、光電耦合器、電容或光電池等器件來實(shí)現(xiàn)。
模擬信號隔離：在很多系統(tǒng)中，模擬信號必須隔離。模擬信號所考慮的電路參量*不同于數(shù)字信號。

模擬信號通常先要考慮：
精度或線性度、頻率響應(yīng)、噪聲等。
然后是對電源的要求，電源要求高隔離、高精度、低噪聲，特別是對輸入級。也應(yīng)該關(guān)注隔離放大器的基本精度或線性度不能依靠相應(yīng)的應(yīng)用電路來改善，但這些電路可降低噪聲和降低輸入級電源要求。
對于電源噪聲的干擾，可以采用調(diào)制載波使模擬信號跨越這個屏障。如ISO 4-20的兩線無源信號隔離放大器使模擬隔離簡化。輸入信號被占空度調(diào)制并以數(shù)字方式發(fā)送跨過屏障。輸出部分接收被調(diào)制的信號，把它變換回模擬信號并去掉調(diào)制/解調(diào)過程中固有的紋波成分。
對信號隔離的另一問題是隔離放大器輸入級所需的功耗，而隔離放大器的輸入阻抗及自身的等效電阻是問題的關(guān)鍵所在。而輸出級通常以機(jī)殼或地為基準(zhǔn)，輸入級通常浮動在另一個電位上。因此，輸入級的電源也必須隔離。通常用一個單電源（5V/12V/15V/24V），而不是理想中使用的正、負(fù)雙電源。
二、原理介紹
通過反復(fù)實(shí)驗驗證,本系列產(chǎn)品達(dá)到了預(yù)期的目的。 附圖說明:

圖一、隔離放大器原理框圖

 

 

 

 

 

（圖一 . 1.兩線無源4-20mA隔離放大器原理框圖）

 

 

 

 

 

（圖一 . 2. ISO 1001系列電壓輸出內(nèi)置電源隔離放大器原理框圖）

 

 

 

 

 

（圖一 . 3. ISO APO系列電流輸出內(nèi)置電源隔離放大器原理框圖）
3、典型電性能指標(biāo)：
參 數(shù) 測 試 條 件 zui小 典型值 zui大 單 位
隔離耐壓 10s 1mA  3000  VAC
增益 21和23，13和14短接  10  V/V
增益溫漂   ±50  ppm/℃
非線性度   ±0.1 ±0.3 %FSR
輸入失調(diào)電壓   ±1 ±5 mV
信號輸入  0.01 0.5 1000 V
信號輸出   5  V
頻率響應(yīng) Vin<500mV  20  kHz
負(fù)載能力 VOUT=5V 2   kΩ
信號輸出紋波 不濾波  5  mV
信號電壓溫漂   2.5  mV/℃
參考電壓源 輸出電流<0.5mA  5  V
VD1,2和VS1,2電源輸出 輸出電流<20mA  ±12  V
電源輸出紋波 不濾波  10  mV
工作電流 VD=12V  15  mA
三、典型應(yīng)用技術(shù)
圖三、為ISO 系列隔離放大器典型應(yīng)用接線原理圖，其中輸入和輸出放大器都為跟隨方式。 此時隔離放大器的整體放大倍數(shù)為20倍，R1，R2和W1為調(diào)零電路，R1=5.1K R2=2K W1=2K（多圈電位器）。 輔助電源為 +12VDC
R3和W3為增益調(diào)節(jié)電路，R3=39K W3=10K（多圈電位器）

 

 

 

 

 

（圖三. ISO 系列隔離放大器典型應(yīng)用接線原理圖）

信號輸入放大器設(shè)計：
圖四 為輸入放大器電路，
當(dāng)輸入放大器輸出（21腳COM端）為0.5V時，
輸出即為5V（13和14腳短接時）。
輸入反相放大電路：
圖五 為輸入反相放大電路接線圖，
其中放大倍數(shù)為：Kin = - R11/R12 R3 = R11//R12
例如：當(dāng)輸入Vin為0~-100mV，輸出為0~5V時，
可以取：R11=50K R12=10K R13=8.3K 放大倍數(shù)：Kin=-50/10=-5
輸入同相放大電路：
圖六 為輸入同相放大電路接線圖，其放大倍數(shù)為：Kin=1+R2/R1

 

 

信號輸出放大器設(shè)計：

ISO 1001 為用戶設(shè)計了一個輸出放大器，其原理如圖七 所示，F(xiàn)B為放大器的反相輸入端，當(dāng)13和14腳短接時，輸出放大倍數(shù)Kout=1+33/10=4.3，由于隔離放大器部分已有2.35倍的放大倍數(shù)，所以，總放大倍數(shù)K=4.3*2.35=10.1。
當(dāng)輸入放大器的COM端電壓達(dá)不到0.5V時，可以通過輸出放大器調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，如圖八 所示，W2可以取1~100K（多圈電位器）。

 

 

（圖七 輸出放大器原理圖） （圖八 輸出放大器調(diào)節(jié)電路）

四、典型應(yīng)用實(shí)例
應(yīng)用實(shí)例1：用隔離放大器直接測量高電壓信號
輸入：0~±100VDC直流電壓信號
輸出：0~±10V DC 隔離信號
取R4=100K R0=390 W1=200（多圈電位器）
取R3=39K W3=10K（多圈電位器）R1=5.1K R2=2K W2=2K（多圈電位器）
當(dāng)輸入信號較小時可以采用圖六 同相放大電路，使輸入放大器的輸出（即COM端電壓）為0.45~0.48V之間，其余與圖九 相同。

 

 

 

（圖九 應(yīng)用實(shí)例1）

 

應(yīng)用實(shí)例2：測量電橋輸出的差分小信號。接線圖見 圖十
輸入：0~±25mV電橋差分小信號
輸出：0~±10V DC 隔離信號
A1、A2和輸入放大器組成一個數(shù)據(jù)放大器，
取R= 100K RG=5K 則數(shù)據(jù)放大器的放大倍數(shù)為 Kin=100/5=20。
電路其它元件選擇：取 R1=5.1K R2=2K W2=2K（多圈電位器）
取 R3=39K W3=10K（多圈電位器）

 

 

 

 

 

 

（圖十 應(yīng)用實(shí)例2）

 

四、產(chǎn)品外形尺寸及引腳描述
DIP 24腳封裝的IC尺寸圖，見圖十一
DIP 24腳封裝的IC引腳定義圖，見圖十二

 

 

 

（圖十一 DIP 24腳封裝的IC尺寸圖） （圖十二DIP 24封裝引腳定義圖）

 

 

 

SIP 12腳封裝的IC尺寸及IC引腳定義圖，見圖十三

圖十三 SIP 12腳封裝的IC尺寸及引腳定義圖）

總結(jié)
隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的高速發(fā)展，有很多新器件可供技術(shù)人員開發(fā)設(shè)計選用。通過新器件的功能擴(kuò)展可開發(fā)出許多實(shí)用型的新產(chǎn)品，從而推動電子產(chǎn)品不斷更新?lián)Q代，并且向低成本、小體積、多功能、智能化方面發(fā)展。深圳市順源科技公司的ISO系列產(chǎn)品，針對國內(nèi)外類似產(chǎn)品有著低成本、小體積、高精度、多功能等技術(shù)。廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表等系統(tǒng)中地電位有很大差別的電路設(shè)計中。整個產(chǎn)品電路中的每一種器件和工藝都是針對*系統(tǒng)要求而設(shè)計的，新器件性能集成的高水平使得跨越隔離屏障能實(shí)現(xiàn)從前做不到的更復(fù)雜的操作。