低功耗、微型隔离放大器AD204：特性、应用与设计要点

低功耗、微型隔离放大器AD202/AD204：特性、应用与设计要点

在电子工程师的日常设计工作中，隔离放大器是一种常用的器件，它能够在没有电连接的情况下测量、处理和传输输入信号。今天，我们就来详细了解一下ADI公司的AD202和AD204这两款通用型、变压器耦合隔离放大器。

文件下载：AD204.pdf

产品概述

AD202和AD204是通用的两端口、变压器耦合隔离放大器，适用于各种需要在无电连接的情况下测量、处理和传输输入信号的应用场景。它们采用单个紧凑的塑料SIP或DIP封装，提供信号和电源隔离的完整隔离功能。

主要区别

AD202直接由15V直流电源供电，而AD204则由外部提供的时钟（如推荐的AD246时钟驱动器）供电。

产品特性

• 小尺寸：SIP封装仅0.25英寸宽，每英寸可实现四个通道的高密度布局；DIP封装高度仅0.350英寸，适合对高度有要求的应用。
• 低功耗：AD204功耗低至35mW，AD202为75mW，非常适合多通道应用或对功耗要求严格的场景。
• 高精度：K级型号最大非线性度仅为±0.025%，且温度漂移低，能确保信号的完整性。
• 高共模抑制比（CMR）：增益为100V/V时，CMR可达130dB，且所有型号的总共模输入电容小于5pF，泄漏电流最大仅2mA。
• 宽带宽：AD204的满功率带宽为5kHz，适用于宽带信号和控制回路等应用。
• 高共模电压隔离：K级型号的连续共模隔离电压可达2000V pk（信号和电源）。
• 隔离电源输出：AD204可提供±7.5V、2mA的隔离电源，AD202可提供±7.5V、0.4mA的隔离电源，可满足不同的供电需求。
• 灵活的输入：所有型号的输入均提供一个未使用的运算放大器，可根据需要进行缓冲和增益调节，还能实现滤波、求和、高压范围和电流（跨阻）输入等多种功能。

产品规格

型号	AD204J	AD204K	AD202J	AD202K
增益范围	1V/V - 100V/V
非线性度（G = 1V/V）	±0.05% max	±0.025% max	±0.05% max	±0.025% max
输入电压范围	±5V
最大隔离电压（输入到输出）AC, 60Hz, 连续	750V rms	1500V rms	750V rms	1500V rms
连续（AC和DC）隔离模式抑制比（IMRR）@ 60Hz, Rs ≤ 100Ω (HI和LO输入), G = 1V/V	±1000V Peak, 110dB	±2000V Peak, 110dB	±1000V Peak, 105dB	±2000V Peak, 105dB
泄漏电流输入到输出 @ 240V rms, 60Hz	2μA rms max
输入阻抗 差分（G = 1V/V）	10^12Ω
共模	2GΩ, 4.5pF
输入偏置电流	±30pA ±10nA
初始, @ 25°C vs. 温度 (0°C 到 70°C)
输入差分电流 初始, @ 25°C vs. 温度 (0°C 到 70°C)	±5pA ±2nA
输入噪声 电压, 0.1Hz 到 100Hz, f > 200Hz	4μV p-p, 50nV/√Hz
频率响应 带宽 (Vo ≤ 10V p-p, G = 1V - 50V/V) 建立时间, 到 ±10mV (10V 阶跃)	5kHz, 1ms	5kHz	2kHz	2kHz
失调电压（RTI） 初始, @ 25°C 可调至零 vs. 温度 (0°C 到 70°C)	(±15 ±15/G)mV max, (±10 ± 10/G)μV/°C	(±5 ± 5/G)mV max	(±15 ±15/G)mV max	(±5 ±5/G)mV max
额定输出 电压 (Out HI 到 Out LO) 电压 at Out HI 或 Out LO (Ref. Pin 32) 输出纹波, 100kHz 带宽, 5kHz 带宽	±5V, 10mV p-p, 0.5mV rms
输出电阻	3kΩ		7kΩ
隔离电源输出 电压, 无负载 精度 电流调节, 无负载到满载 纹波	±7.5V, ±10%, 2mA (任一输出), 5%, 100mV p-p	2mA (任一输出)	400μA 总计	400μA 总计
振荡器驱动输入 输入电压 输入频率	15V p-p 标称, 25kHz 标称	15V p-p 标称, 25kHz 标称	N/A	N/A
电源供应（AD202 仅） 电压, 额定性能 电压, 工作 电流, 无负载 (Vs = 15V)	N/A	N/A	15V±5%, 15V±10%, 5mA	15V±5%, 15V±10%, 5mA
温度范围 额定性能 工作 存储	0°C 到 70°C, -40°C 到 +85°C, -40°C 到 +85°C
封装尺寸 SIP 封装 (Y) DIP 封装 (N)	2.08"x0.250"x0.625", 2.10"x0.700"x0.350"

内部工作原理

AD202和AD204采用幅度调制技术，允许信号通过变压器耦合到直流。两款型号均包含一个未使用的输入运算放大器和一个电源变压器，为运算放大器、调制器和外部负载提供隔离电源。电源变压器的初级由内部产生（AD202）或外部提供（AD204）的25kHz、15V p-p方波驱动。

应用领域

• 多通道数据采集：小尺寸和低功耗特性使其非常适合多通道数据采集系统。
• 电流分流测量：高精度和高共模抑制比可确保准确的电流测量。
• 电机控制：能够有效隔离电机控制中的高压信号，提高系统的稳定性和可靠性。
• 过程信号隔离：可用于隔离工业过程中的信号，防止干扰。
• 高压仪器放大器：高共模电压隔离能力使其适用于高压仪器放大器。

设计要点

电源供应

• AD202：直接连接15V直流电源，模块内已提供旁路电容。
• AD204：由外部提供的25kHz、15V p-p方波时钟信号供电。一个AD246时钟驱动器在额定最小电源电压14.25V时可驱动至少32个AD204，每增加40mV电源电压可多驱动一个隔离器。当使用多个AD204时，建议每个时钟驱动器每五个隔离器使用一个至少1μF的外部旁路电容。

输入配置

• 标准单位增益应用：适用于±5V以内的信号，连接简单。
• 增益大于1的应用：通过反馈电阻RF和RG实现增益调节，RF值应保持在20kΩ以上，增益大于5时，需在FB到IN COM之间连接一个100pF的电容。
• 电流输入或求和应用：可处理输入信号大于±5V的情况，通过合理选择RF和RS的值，可实现不同的输入范围。

调整

• 输入侧调整：对于非反相输入电路，零调整电路在信号源低端串联注入小调整电压；增益调整可通过调整增益设置网络实现，但在低增益时效果会减弱。对于反相输入电路，零调整可消除求和节点的电压，增益调整可在反馈中进行，且适用于所有增益。
• 输出侧调整：可利用半浮动输出端口进行零调整，但增益调整需在后续电路（如输出缓冲器或滤波器）中进行。

动态性能和噪声

• 频率响应：AD202和AD204的频率响应不受压摆率限制，适用于大信号和小信号。电容负载高达470pF时，对频率响应影响不大。当存在几百Hz以上的大信号时，建议使用1μF钽电容将–VISO和+VISO旁路到IN COM。
• 阶跃响应：对于AD204，使用输入滤波器可改善快速输入信号的阶跃响应，将输入带宽限制在约5.3kHz，减少内部振铃。
• 噪声：在大多数情况下，输出噪声主要由25kHz的载波纹波组成。增加输出电容可降低纹波，但会牺牲带宽；使用简单的两极有源滤波器可在不损失信号带宽的情况下将纹波降低至0.1mV p-p。

PCB布局

在多通道应用中，AD204Y的引脚布局设计允许实现非常密集的布局。对于简单的电压跟随器连接，推荐采用特定的PCB布局；当存在增益设置电阻时，仍可实现0.25英寸的通道中心间距。

同步

AD204由于使用公共时钟，具有固有的同步性。AD202通常不会产生拍频，但在大量长且未屏蔽的输入电缆捆绑在一起且通道增益较高的罕见情况下，可能会出现相互干扰，此时可使用屏蔽电缆或AD204。

应用示例

低电平传感器输入

在热电偶等低电平传感器输出需要隔离的应用中，可使用AD204搭配低漂移输入放大器，并加入三极有源滤波器，以实现对几Hz以上频率的正常模式抑制和60Hz的增强共模抑制。

带偏移的过程电流输入

该应用将4 - 20mA的过程电流信号转换为0V - 10V的输出，通过在输出LO端施加–1V参考电压实现电平偏移。此技术常用于跟随器型输出缓冲器中获取偏移。

高顺应性电流源

利用隔离放大器感测电流采样电阻上的电压，实现对高压晶体管或FET的直接反馈控制，使闭环电流源的静态输出电阻大于10^14Ω。

电机控制隔离

在全波桥电机驱动器的电流传感应用中，AD204能够有效抑制200V共模阶跃（1ms上升时间）产生的干扰，输出典型响应为±5mV幅度的尖峰，在小于100ms内衰减至零。

浮动电流源/欧姆表

当需要一个具有±1000V直流顺应范围的小浮动电流时，AD204可用于创建和调节电流，节省大量功率。

光电二极管放大器

采用跨阻连接方式，隔离并放大光电二极管的输出，使光电二极管在零偏置下工作，输出电流通过RF缩放实现5V满量程输出。

总结

AD202和AD204隔离放大器凭借其丰富的特性和广泛的应用场景，为电子工程师在设计中提供了可靠的信号隔离解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理选择型号，并注意电源供应、输入配置、调整、动态性能和噪声等设计要点，以充分发挥其性能优势。你在使用隔离放大器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。