电路笔记 CN-0185 连接/参考器件 Circuits from the Lab™ reference circuits are engineered and tested for quick and easy system integration to help solve today’s analog, mixed-signal, and RF design challenges. For more information and/or support, visit www.analog.com/CN0185. AD7400A 隔离式Σ-Δ型调制器 ADuM5000 隔离式DC-DC转换器 AD8646 双通道、24 MHz轨到轨输入/ 输出运算放大器 ADP121 150 mA、低静态电流、CMOS线性稳压器 ADP3301 高精度、100 mA、低压差线性稳压器 ADG849 3 V/5 V、CMOS、0.5 Ω、单刀双掷开关/ 2:1多路复用器，采用SC70封装 ADR443 超低噪声LDO XFET® 3.0 V基准电压源 采用隔离式Σ-Δ型调制器、隔离式DC-DC转换器和有源滤波器的 新型模拟/模拟隔离器 评估和设计支持 该电路基于AD7400A－一款二阶Σ-Δ型调制器，提供数字 电路评估板 隔离的1位数据流输出。隔离模拟信号利用一个基于双通 CN-0185电路评估板(EVAL-CN0185-EB1Z) 道、低噪声、轨到轨运算放大器AD8646的四阶有源滤波器 设计和集成文件 恢复。ADuM5000用作隔离端的电源，两端完全隔离，系 原理图、布局文件、物料清单 统仅使用一个电源。该电路具有0.05%的线性度，并能获 电路功能与优势 益于调制器AD7400A和模拟滤波器提供的噪声整形。该电 图1所示电路是一种完整的低成本模拟/模拟隔离器解决方 路的应用包括电机控制和电流监控，同时它还能有效替代 案， 它提供2500 V rms的隔离值(1分钟，符合UL 1577标准)。 基于光隔离器的隔离系统。 +5V +5V_ISO VISO GNDISO VSEL VISO GNDISO VDD1 GND1 RCIN RCOUT RCSEL VDD1 GND1 OUT IN GND SD POWER IN +5.5V TO +12V ADP3301-5 +3VREF OUT ADuM5000 IN VOUT VIN GND_ISO GND GND EN ADR443 ADP121-3.3 VIN+ 22Ω 1% 0.1µF VIN– 22Ω 1% VDD1 VDD2 VIN+ MDAT VIN– MCLKOUT GND1 +3VREF ADG849 GND2 AD7400A GND_ISO 24kΩ 1% 24kΩ 1% 100pF 5% 1/2 +5V AD8646 51kΩ 1% 51kΩ 1% 100pF 5% 1/2 AD8646 VOUT 8.2pF 5% 22Ω 1% 22Ω 1% 09499-001 68pF 5% 图1. 采用AD7400A的模拟隔离器(原理示意图： 未显示所有连接和去耦) Rev. B Circuits from the Lab™ circuits from Analog Devices have been designed and built by Analog Devices engineers. Standard engineering practices have been employed in the design and construction of each circuit, and their function and performance have been tested and verified in a lab environment at room temperature. However, you are solely responsible for testing the circuit and determining its suitability and applicability for your use and application. Accordingly, in no event shall Analog Devices be liable for direct, indirect, special, incidental, consequential or punitive damages due to any cause whatsoever connected to the use of any Circuits from the Lab circuits. (Continued on last page) One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2011–2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. CN-0185 电路描述 模拟有源滤波器设计 图 1显 示 的 是 电 路 的 框 图 。 模 拟 输 入 由 Σ-Δ型 调 制 器 低通滤波器的截止频率主要取决于电路所需的带宽。截止 AD7400A以10 MSPS进行采样。22 Ω电阻和0.1 μF电容构成 频率与噪声性能之间存在取舍关系，如果提高滤波器的截 一个截止频率为145 kHz的差分输入降噪滤波器。AD7400A 止频率，则噪声会增加。在本设计中尤其如此，因为Σ-Δ 的输出为隔离的1位数据流。 量化噪声由一个二阶Σ-Δ型调 型调制器对噪声进行整形，将很大一部分移动到较高频 制器整形，将噪声移动到较高频率(参见教程MT-022)。 率。本设计选择100 kHz的截止频率。 为了重构模拟输入信号，数据流之后应连接一个ADG849开 对于给定的截止频率，滤波器的过渡带越小，则滤波器通 关，并将其与3 V ADR443基准电压源相连，以便稳定MDAT 过的噪声越少。在所有滤波器响应中(巴特沃兹、切比雪 的峰峰值输出。 夫、贝塞尔等)，本设计之所以选择切比雪夫响应，是因为 随后，信号通过有源滤波器滤波，该滤波器阶数高于调制 器阶数。为了更好地衰减噪声，使用一个四阶切比雪夫滤 在给定滤波器阶数下，它的过渡带较小， 但代价是瞬态响 应性能略差。 波器。当滤波器阶数相同时，相比于其它滤波器响应(巴特 该滤波器是一个四阶滤波器，由两个采用Sallen-Key结构的 沃兹或贝塞尔)，切比雪夫响应提供最为陡峭的滚降。该滤 二阶滤波器组成。 该滤波器的设计使用了模拟滤波器向导 波器利用双通道、轨到轨输入和输出、低噪声、单电源运 和NI Multisim工具。 参数包括如下内容： 算放大器AD8646来实现。 • 滤波器类型 = 低通、切比雪夫、0.01 dB纹波 ADuM5000是一款基于ADI公司iCoupler®技术的隔离式 • 阶数 = 4 DC-DC转换器。用于为电路的隔离端(包含AD7400A)提供 • fC = 100 kHz、Sallen-Key(为清楚起见更新格式) 电源。ADuM5000的isoPower®技术利用高频开关元件，通 除了反馈电阻降至22 Ω外，全部使用程序生成的推荐值。 过芯片级变压器传输功率。 测量 该电路必须构建在具有较大面积接地层的多层印刷电路板 电路增益为4.6875，输出失调电压为1.5 V。0 V的差分信号 (PCB)上。为实现最佳性能，必须采用适当的布局、接地 产生1和0的数字位流，1和0各占50%的时间。ADR443的输 和去耦技术(参见教程MT-031：实现数据转换器的接地并 出为3.0 V；因此，滤波后会有1.5 V的直流失调。在理想状 解开AGND和DGND的谜团、教程MT-101：去耦技术，以 态下，320 mV的差分输入生成全1的数据流，滤波后产生 及ADuC7060/ADuC7061评估板布局)。确保PCB布局满足 3.0 V直流输出。因此，电路的有效增益为： 辐射标准以及两个隔离端之间的隔离要求(参见应用笔记 增益 = (3.0 − 1.5)/0.32 = 4.6875 AN-0971)。 为了避免过驱AD8646，输入信号应低于电源电压(5 V)。 AD7400A的输出为1和0的数据流，幅度等于AD7400A VDD2 通过测量，实测偏移为1.504V，增益为4.69。系统的直流 传递函数如图2所示。实测线性度为0.0465%。 电源电压。因此，VDD2数字电源为线性稳压器ADP121提供 2.9 的3.3 V电压。或者，如果VDD2使用5 V电源，则数字输出信 电源都应进行适当调节，因为最终的模拟输出与VDD2直接 成正比。 图1所示电路的5 V电源由5 V线性稳压器ADP3301提供，它 接受5.5 V至12 V的输入电压。 2.7 OUTPUT VOLTAGE (V) 号应经过衰减后才能连接到有源滤波器。无论何种情况， 2.5 2.3 2.1 1.9 1.5 0 50 100 150 INPUT VOLTAGE (mV) 图2. 系统直流传递函数 Rev. B | Page 2 of 4 200 250 09499-002 1.7 CN-0185 图3显示无直流失调电压的输出电压与输入频率的关系。 电路评估与测试 输入信号电压为40 mV p-p，因此输出信号为40 × 4.6875= 用6 V电源使电路上电后，可以利用信号发生器和示波器轻 190 mV p-p。注意，频率响应函数中约有10 mV峰化，相当 松评估该电路。 于大约0.42 dB。 该系统具有良好的噪声性能，1 kHz时的噪声密度为2.50 μV/√Hz，10 kHz时为1.52 μV/√Hz。 需要以下设备： • 多功能校准仪(直流源)：Fluke 5700A 有关本电路笔记的完整设计支持包，请参阅 www.analog.com/CN0185-DesignSupport。 • 数字万用表：Agilent 3458A，8.5位 • 频谱分析仪：Agilent 4396B • 函数发生器：Agilent 33250A 240 200 200 160 100 120 0 • 电源：6 V 设置与测试 –100 40 –200 0 100 1k 10k FREQUENCY (Hz) 100k 1M PHASE (Degrees) 80 线性度测量设置的框图如图4所示。6 V电源连接到EVALCN0185-EB1Z电源引脚。 直流输入电压利用Fluke 5700A产生，使用Agilent 3458A DVM 测量输出。Fluke 5700A的直流输出以1 mV步进从1 mV提高 到250 mV，并记录数据。 DC POWER SUPPLY 09499-003 P-P OUTPUT VOLTAGE (mV) 设备要求(可以用同等设备代替) +6V GND 常见变化 DC SOURCE FLUKE 5700A 1mV TO 250mV DIGITAL MULTIMETER AGILENT 3458 EVAL-CN0185-EB1Z 该电路可以用于隔离电压监控，也可用于需要监控分流电 阻两端电压的电流检测应用。系统输入信号的要求参见 09499-004 图3. 40 mV p-p输入信号的电路频率域相位响应 图4. 用于测量线性度的测试设置 AD7400A数据手册。 为了测量频率响应，按照图5所示连接设备。首先将函数发 如果用ADuM6000代替ADuM5000，则整个电路的隔离额 生器33250A设置为0直流偏移的40 mV峰-峰值正弦波输出， 定值为5 kV。 然后利用频谱分析仪4396B扫描100 Hz至500 kHz的信号频 如有需要，ADP1720或ADP7102线性调节器可用作ADP3301 率，并记录数据。 的替代器件。 DC POWER SUPPLY SIGNAL GENERATOR AGILENT 33250A 100Hz TO 500kHz GND EVAL-CN0185-EB1Z SPECTRUM ANALYZER AGILENTY 4396B 图5. 用于测量频率响应的测试设置 Rev. B | Page 3 of 4 09499-005 +6V CN-0185 了解详情 数据手册和评估板 CN0185 Design Support Package: http://www.analog.com/CN0185-DesignSupport AD7400A Data Sheet AD7400A Evaluation Board ADIsimPower™ Design Tool, Analog Devices. ADuM5000 Data Sheet Analog Filter Wizard Design Tool, Analog Devices. ADuM5000 Evaluation Board Cantrell, Mark. Application Note AN-0971, Recommendations for Control of Radiated Emissions with isoPower Devices. Analog Devices. AD8646 Data Sheet Chen, Baoxing, John Wynne, and Ronn Kliger. High Speed Digital Isolators Using Microscale On-Chip Transformers, Analog Devices, 2003. ADP121 Data Sheet ADP3301 Data Sheet ADG849 Data Sheet ADR443 Data Sheet Chen, Baoxing. iCoupler® Products with isoPower™ Technology: Signal and Power Transfer Across Isolation Barrier Using Microtransformers, Analog Devices, 2006. Chen, Baoxing. “Microtransformer Isolation Benefits Digital Control.” Power Electronics Technology. October 2008. 修订历史 2013年9月—修订版A至修订版B 增加ADR443 .................................... 通篇更改“连接/参考器件”部 分和图1 ...............................................................................................1 Ghiorse, Rich. Application Note AN-825, Power Supply Considerations in iCoupler® Isolation Products, Analog Devices. 更改“电路描述”部分、“测量”部分和图2....................................2 Krakauer, David. “Digital Isolation Offers Compact, LowCost Solutions to Challenging Design Problems.” Analog Dialogue. Volume 40, December 2006. 2013年4月—修订版0至修订版A 更改图3 ...............................................................................................3 更改“数据手册和评估板”部分 ......................................................4 更改图1 ...............................................................................................1 MT-022 Tutorial, ADC Architectures III: Sigma-Delta ADC Basics, Analog Devices. 更改图3和常见变化部分.................................................................3 2011年4月—修订版0：初始版 MT-023 Tutorial, ADC Architectures IV: Sigma-Delta ADC Advanced Concepts and Applications, Analog Devices. MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND," Analog Devices. MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques, Analog Devices. USB 2.0 Specifications, USB Implementers Forum, Inc. Wayne, Scott. “iCoupler® Digital Isolators Protect RS-232, RS-485, and CAN Buses in Industrial, Instrumentation, and Computer Applications.” Analog Dialogue. Volume 39, October 2005. Zumbahlen, Hank. Application Note AN-649, Using the Analog Devices Active Filter Design Tool, Analog Devices. (Continued from first page) Circuits from the Lab circuits are intended only for use with Analog Devices products and are the intellectual property of Analog Devices or its licensors. While you may use the Circuits from the Lab circuits in the design of your product, no other license is granted by implication or otherwise under any patents or other intellectual property by application or use of the Circuits from the Lab circuits. Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, Circuits from the Lab circuits are supplied "as is" and without warranties of any kind, express, implied, or statutory including, but not limited to, any implied warranty of merchantability, noninfringement or fitness for a particular purpose and no responsibility is assumed by Analog Devices for their use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from their use. Analog Devices reserves the right to change any Circuits from the Lab circuits at any time without notice but is under no obligation to do so. ©2011–2013 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. CN09499sc-0-9/13(B) Rev. B | Page 4 of 4