ISO120和ISO121精密低成本隔离放大器：特性、原理与应用

在电子工程领域，隔离放大器是保障信号传输安全与稳定的关键器件。ISO120和ISO121作为两款精密低成本隔离放大器，凭借其独特的性能和广泛的应用场景，受到了工程师们的广泛关注。今天就和大家详细聊聊这两款放大器。

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特性亮点

电气性能卓越

• 隔离电压高：ISO120额定连续隔离电压为1500Vrms，ISO121更是高达3500Vrms，且经过100%局部放电测试，能有效保障在高电压环境下的可靠运行。
• 隔离模式抑制比高：在60Hz交流和直流条件下，ISO120和ISO121的隔离模式抑制比（IMR）均可达115dB典型值，能出色地抑制共模干扰，确保信号的纯净度。
• 低非线性度：最大非线性度仅为±0.01%，保证了信号传输的高精度，适用于对精度要求极高的应用场景。
• 宽温度范围：ISO120的工作温度范围为 -55°C至 +125°C，ISO121也能在 -25°C至 +85°C（BG和G级）或 -55°C至 +125°C（SG级）的宽温度区间稳定工作，适应各种恶劣环境。

功能特性丰富

• 载波频率可控：用户可对载波频率进行控制，灵活适应不同的应用需求。
• 同步能力：具备同步功能，可消除多通道系统中的拍频干扰，有效抑制交流信号及其谐波。
• 双极操作：输出电压范围为 (v_{0}= pm 10V)，支持双极信号的处理。

工作原理

自由运行模式

在自由运行模式下，输入放大器A1将输入电流与开关式±100µA电流源的差值进行积分。当输入电压 (V{IN}=0) 时，积分器会朝一个方向斜坡上升，直至超过比较器阈值，此时比较器和检测放大器会迫使电流源切换，产生一个占空比为50%的三角波。当 (V{IN}) 变化时，积分器的占空比也会相应改变，以保持A1输出的平均直流值接近零伏，从而将输入电压转换为占空比调制的三角波。这个三角波的频率由内部150pF电容决定。比较器产生的快速上升沿方波会反馈至A1以保持电荷平衡，同时通过隔离屏障传输至具有高共模抑制特性的差分检测放大器。检测放大器驱动围绕A2的开关电流源，输出级将占空比调制电流与通过200kΩ反馈电阻的反馈电流进行平衡，使得检测引脚的平均值等于 (V_{IN})。输出反馈回路中的采样保持放大器则用于消除解调过程中固有的纹波电压。

同步模式

ISO120和ISO121的独特之处在于能够将调制器与外部信号源同步。使用时，通过在 (C{1}) 和 (C{2}) 连接外部电容来改变自由运行载波频率，并将外部信号施加到Ext Osc引脚。若 (V{IN}=0) 且外部信号占空比为50%，其工作过程与自由运行模式类似，只是开关频率变为外部信号的频率。若外部信号占空比不为50%，其平均值不为零，启动时电流源不会切换，直到积分器输出等于外部信号的平均直流值，此时外部信号触发电流源，在A1输出产生一个关于新直流值对称的三角波。当 (V{IN}) 变化时，波形保持直流偏移，但占空比改变以维持A1周围的电荷平衡。解调过程与自由运行模式相同。

应用场景

工业过程控制

在工业过程控制中，ISO120和ISO121可用于热电偶、热电阻（RTD）、压力电桥和流量计等传感器的隔离，实现4mA至20mA环路隔离，有效消除接地环路干扰，保障信号传输的准确性和稳定性。

医疗测量

在生物医学测量领域，它们能精准隔离信号，避免高电压地电位和严重接地噪声对测量结果的影响，同时提供故障保护，确保患者和设备的安全。例如在心电图（ECG）放大器中，可有效隔离人体信号与测量电路，提高测量精度。

数据采集与测试设备

在数据采集和测试设备中，ISO120和ISO121可用于隔离不同通道的信号，防止信号相互干扰，提高系统的可靠性和测量精度。

使用注意事项

信号和电源连接

• 每个电源引脚都应使用1µF钽电容进行旁路，且电容应尽可能靠近放大器。
• 所有接地连接应独立连接到公共点，输入和输出部分的信号公共端为高阻抗点，用于在嘈杂环境中检测信号接地，但必须有接地路径以返回偏置电流，并保持在Gnd的±1V范围内。
• 输出检测引脚可直接连接到 (V_{out}) 或远程负载，以消除IR降引起的误差。
• (C{1 H}) 和 (C{2 H}) 引脚连接到积分器求和节点，对外部拾取非常敏感，建议对这些引脚进行屏蔽，避免使用长走线或大电容。

可选增益和偏移调整

虽然无需外部调整即可实现额定增益精度和偏移性能，但可使用特定电路进行增益微调（±0.5%）和偏移调整。不过，调整时需注意输入偏移误差会随增益增加而放大，小信号带宽会随增益增加而减小。

载波频率选择

当 (C{1}=0) 时，载波频率标称值为500kHz，放大器的 -3dB点为60kHz。若输入信号包含高于250kHz的显著分量，可能会在输出端产生杂散信号。可通过降低载波频率来衰减干扰信号分量，但需注意 (C{2}) 必须连接且其值应等于或大于 (C_{1})，以确保稳定性。

隔离模式电压

隔离模式电压（IMV）是指隔离接地Gnd 1和Gnd 2之间的电压，若IMV频率超过 (f_{c} / 2)，输出会出现杂散输出，放大器响应与信号响应 vs 载波频率性能曲线一致。为保证典型IMV性能，隔离模式电压的dV/dT应低于1000V/µs。当dV/dT超过1000V/µs但低于20kV/µs时，性能可能会下降；超过20kV/µs时，放大器可能损坏，但隔离屏障仍能保持完整。

隔离电压测试

为适应不明确的瞬态情况，在100%生产测试中，被测器件需承受1.6倍连续额定电压，且局部放电水平 ≤5pC。通过局部放电测试能更准确地评估隔离屏障的完整性。

ISO120和ISO121隔离放大器以其卓越的性能、丰富的功能和广泛的应用场景，为电子工程师在信号隔离和处理方面提供了可靠的解决方案。在实际应用中，工程师们需根据具体需求合理选择和使用这两款放大器，并注意相关的使用事项，以充分发挥其优势。大家在使用过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区交流分享。