模拟信号隔离放大混合集成电路

一种低成本 小体积 高精度 ——模拟信号隔离放大混合集成电路 ISOLATION AMPLIFIER IC 关键词：模拟信号:0-10mA/0-20mA/4-20mA/0-5V/0-10V/0-±5V/1-5V 等 输入与输出之间的隔离及变换。 说明：ISO 系列隔离放大器是一种将模拟信号按比例进行隔离和转换的混合集成 电路（IC），它分为有源（含辅助电源）型和无源型两大类。 无源型 IC 内部包含有电流信号调制解调电路、信号耦合隔离变换电路等， 很小的输入等效电阻，使该 IC 的输入电压达到超宽范围（7.5—32V），以满足 用户无需外接电源而实现信号远距离、无失真传输的需要。内部的陶瓷基板、印 刷电阻工艺及新技术隔离 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 使器件能达到 3KVAC 绝缘电压和工业级宽温度、 潮湿、震动的现场恶劣环境要求。ISO 4-20mA 系列产品使用非常方便无需外接 任何元件即可实现 4-20mA 电流环隔离或信号一进二出、二进二出等变换功能。 有源型 IC 是在同一芯片上集成了一个高隔离的 DC/DC 电源及高性能线性 光电耦合器的混合集成电路。该芯片除了为内部放大电路供电外，还可以向外部 （信号输入与输出端）提供两组隔离的正、负直流电源和两组的 5VDC 稳压基准 源，专供外部电路扩展用，如电桥电路、小信号前置放大电路等用户专用电路。 该系列产品具有宽信号带宽 20KHZ，可对 0~±10VDC 双向直流信号或 0~5VAC 的交流信号进行隔离、调理和变换。该 IC 体积很小，使用非常方便， 只需很少外部元件即可实现模拟信号的（I/I I/V V/I V/V）隔离及变换功能。 本发明主要应用领域： 模拟信号数据采集，隔离传输及供电，工业现场信号 隔离传输及变换，地线干扰抑制，信号远程无失真传输，仪器仪表与 传感器信号的隔离变换。电力设备及医疗仪器安全隔离栅。 本发明所包含的产品体系： ISO 4-20mA 系列———两线无源 4-20mA 信号隔离调理 IC ISO-Ax-Px-Ox 系列———直流电流信号（I/V I/I）隔离放大器 IC ISO-Ux-Px-Ox 系列———直流电压信号（V/I V/V）隔离放大器 IC ISO1001 /1002 系列———直流双向或交流信号隔离放大器 IC 本发明的产品特性： z 精度等级：0.1 级、0.2 级、0.5 级 z 全量程范围内极高的线性度(非线性度<0.2%) z 国标 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 信号: 0-10mA/0-20mA/4-20mA/0-5V/0-10V/0-±5V/1-5V 输入/输出。具有低输入阻抗和输出高负载能力 z 信号输入/输出/辅助电源之间 3KV 三隔离 z 单电源供电,可为用户在信号输入或输出端提供隔离电源 z 低成本,小体积,标准单列 SIP12 和双列 DIP24 脚 IC 封装 z 工业级工作温度范围，符合 UL-94 标准的阻燃材料真空灌封 一、概述 信号隔离技术是使模拟信号在发送时不存在穿越发送和接收端之间屏障的电 流连接。这允许发送和接收端外的地或基准电平之差值可以高达几千伏，并且防 止了可能损害信号的不同地电位之间的环路电流。信号地的噪声可使信号受损。 隔离可将信号分离到一个干净的信号子系统地，使传感器、仪器仪表或控制系统 与电源之间互相隔离，从而保证整个系统装置的工作安全、可靠及稳定。 而在另一种应用中，基准电平之间的电连接可隔离产生一个对于操作人员或 病人不安全的电流通路。 信号隔离器件依赖于无发送器和接收器来跨越隔离屏障，这种器件曾用于数字信 号，但线性化问题迫使模拟信号隔离采用变压器、光电耦合器、电容或光电池等器 件来实现。 模拟信号隔离：在很多系统中，模拟信号必须隔离。模拟信号所考虑的电路参量完 全不同于数字信号。 模拟信号通常先要考虑： 精度或线性度、频率响应、噪声等。 然后是对电源的要求，电源要求高隔离、高精度、低噪声，特别是对输入级。也 应该关注隔离放大器的基本精度或线性度不能依靠相应的应用电路来改善，但这些 电路可降低噪声和降低输入级电源要求。 对于电源噪声的干扰，可以采用调制载波使模拟信号跨越这个屏障。如 ISO 4-20 的两线无源信号隔离放大器使模拟隔离简化。输入信号被占空度调制并以数字方 式发送跨过屏障。输出部分接收被调制的信号，把它变换回模拟信号并去掉调制 /解调过程中固有的纹波成分。 对信号隔离的另一问题是隔离放大器输入级所需的功耗，而隔离放大器的输 入阻抗及自身的等效电阻是问题的关键所在。而输出级通常以机壳或地为基准， 输入级通常浮动在另一个电位上。因此，输入级的电源也必须隔离。通常用一个 单电源（5V/12V/15V/24V），而不是理想中使用的正、负双电源。 二、本发明原理介绍 通过反复实验验证,本发明达到了预期的目的。 附图说明: 图一、本发明所述隔离放大器原理框图 （图一 . 1.两线无源 4-20mA 隔离放大器原理框图） （图一 . 2. ISO 1001 系列电压输出内置电源隔离放大器原理框图） （图一 . 3. ISO APO 系列电流输出内置电源隔离放大器原理框图） c onve rt er Re ctifiersfilt ers Io+ Io- I in- I in+ Filters conve rt e r Re ctif iers filt ers A1 + - VC+ VCO+ VC- VCO- Vin+ Vin- Comp VCO+ VCO- VC+ VC- VO A2 conve rt er Re ctifi ersfilt ers A1 + - VC+ VCO+ VC- VCO-VC- Vin+ Vin- Comp VCO+ VCO- VC+ VC- Io+ Io- 图二、本发明所述隔离放大器典型电路原理图 （图二 .ISO 系列隔离放大器典型电路图） 1 2 3 4 A B C D 4 3 2 1 DCBA Title Number Revision SizeA4 Date: 1-Apr-2005 Sheet of File: F:\win\PCB\SY-FG0~1\SY-FG0~1.DDB Drawn By: 1 2 R21 47k 1 2 R22 10k VREF1 1 2 C21 104 ADJ VOUT GND2 FB 1 2 C11 101 1 2 R12 200k IN+ 12 R11 22k IN- COM GND2 GND1 VS2 VREF1 VREF2 ADJ FB VD2 VOUT VD2 VS1 GND1 VD1 VREF1 IN- IN+ IN+ IN- COM COM P1 1 P2 2 P3 3 P4 4 P5 5 P6 6 P7 7 TM O 7PIN P1 1 P2 2 P3 3 P4 4 P5 5 P6 6 P7 7 TM I 7PIN ADJ GND1 VREF1 FBVOUT 1 2 R23 33k 0~500mV 5V ISO 系 列 隔 离 放 大 器 典 型 电 路 图 VD1 14 5 23 U11 2K5K 2K 10K 0~5V 13 1297 46 25 10 118 B1TRANS6 1 2 3 Q1 1 2 3 Q2 1 2R11K 1 2 C1104 1 2 C2101 1 2 C7105 1 2 C3105 1 2 C8105 1 2 C5105 VS1 IN1- 1 IN2+ 2 VE1 3 VC1 4 OUT1 5 LED 6 I1+ 7 I1- 8 I2- 9 I2+ 10 NC 11 OUT2 12 VC2 13 VE2 14 IN2+ 15 IN2- 16 A1 A2 U12 VD GND VRF2 VS2 IN 5 OUT 2 3 4 IC1IN 5 OUT 2 3 4 IC2 Vin VREF1 VS1 GND2 1 2 C22 104 1 2 3 B C E SOT23 1 2 3 IN- V- V+ SOT23-5 IN+ 4 5 OUT 3 21 DD1 DD1 3 21 DD3 3 21 DD2 1 3 21 DD4 2 3 NC Vss Vout SOT23 VD1VD2 1 2 C6105 CE VS2 4 5 Vin VS1 1 2 C4105 VREF2 1 2 3DD1 SOT23 1 3DD2 SOT23 2 VD1 VS1 VREF1 GND1 VD2 VS2 GND P1P2 C?2TM VDGND A区B区 B区 C区 具体实施方式： 参考（图二、ISO 系列隔离放大器典型电路图）。 1、辅助电源部分： 输入的直流电源 Vin 经过 C1 滤波后，由 C2、R1、Q1、Q2 及变压器初级线圈形 成的高频振荡电路（振荡频率 80～120KHZ），经 B1 电磁耦合后可产生两组隔离变 换电压，其中一组电压经 DD1—DD2 整流，C6、C7 滤波电路后形成一个比较稳定的 与原电源充分隔离的直流正电源 VD1 和负电源 VS1，用来给输入放大器运放提供正 负双电源。该电源经 IC1 稳压和电容 C8 滤波后输出具有过载和短路保护功能的基 准电源 VREF1。 同样原理经 B1 电磁耦合后产生的另一组隔离变换电压，经 DD3—DD4 整流，C3、 C4 滤波电路后形成一个比较稳定的与原电源充分隔离的直流正电源 VD2 和负电源 VS2，用来给输出放大器运放提供正负双电源。该电源经 IC2 稳压和电容 C5 滤波后 输出具有过载和短路保护功能的基准电源 VREF2。 2、信号隔离放大部分： 输入信号经过运算放大器 U11 以后，进入光电耦合器 U12，经光电耦合器隔离 变换后输出。由于信号的输入、输出电路是完全隔离的，而辅助电路、放大电路的 电源和地线也是隔离的，这样就实现了信号的输入端与输出端、辅助电源 3000V 三隔离的功能。 3、典型电性能指标： 参 数 测 试 条 件 最小 典型值 最大 单 位 隔离耐压 10s 1mA 3000 VAC 增益 21 和 23，13 和 14 短接 10 V/V 增益温漂 ±50 ppm/℃ 非线性度 ±0.1 ±0.3 %FSR 输入失调电压 ±1 ±5 mV 信号输入 0.01 0.5 1000 V 信号输出 5 V 频率响应 Vin<500mV 20 kHz 负载能力 VOUT=5V 2 kΩ 信号输出纹波 不滤波 5 mV 信号电压温漂 2.5 mV/℃ 参考电压源 输出电流<0.5mA 5 V VD1,2 和 VS1,2 电源输出 输出电流<20mA ±12 V 电源输出纹波 不滤波 10 mV 工作电流 VD=12V 15 mA 三、本发明的典型应用技术 图三、为 ISO 系列隔离放大器典型应用接线原理图，其中输入和输出放大器 都为跟随方式。 此时隔离放大器的整体放大倍数为 20 倍，R1，R2 和 W1 为调零 电路，R1=5.1K R2=2K W1=2K（多圈电位器）。 辅助电源为 +12VDC R3 和 W3 为增益调节电路，R3=39K W3=10K（多圈电位器） （图三. ISO 系列隔离放大器典型应用接线原理图） 信号输入放大器设计： 图四 为输入放大器电路， 当输入放大器输出（21 脚 COM 端）为 0.5V 时， 输出即为 5V（13 和 14 脚短接时）。 输入反相放大电路： 图五 为输入反相放大电路接线图， 其中放大倍数为：Kin = - R11/R12 R3 = R11//R12 例如：当输入 Vin 为 0~-100mV，输出为 0~5V 时， 可以取：R11=50K R12=10K R13=8.3K 放大倍数：Kin=-50/10=-5 输入同相放大电路： 图六 为输入同相放大电路接线图，其放大倍数为：Kin=1+R2/R1 （图四 输入放大器） （图五 反相放大器接线图） （图六 同相放大器接线图） 信号输出放大器设计： ISO1001 为用户设计了一个输出放大器，其原理如图七 所示，FB 为放大器 的反相输入端，当 13 和 14 脚短接时，输出放大倍数 Kout=1+33/10=4.3，由于隔 离放大器部分已有 2.35 倍的放大倍数，所以，总放大倍数 K=4.3*2.35=10.1。 当输入放大器的 COM 端电压达不到 0.5V 时，可以通过输出放大器调节放大 倍数，如图八 所示，W2 可以取 1~100K（多圈电位器）。 （图七 输出放大器原理图） （图八 输出放大器调节电路） 四、本发明的典型应用实例 应用实例 1：用隔离放大器直接测量高电压信号 输入：0~±100VDC 直流电压信号 输出：0~±10V DC 隔离信号 取 R4=100K R0=390 W1=200（多圈电位器） 取 R3=39K W3=10K（多圈电位器）R1=5.1K R2=2K W2=2K（多圈电位器） 当输入信号较小时可以采用图六 同相放大电路，使输入放大器的输出（即 COM 端电压）为 0.45~0.48V 之间，其余与图九 相同。 （图九 应用实例 1） 应用实例 2：测量电桥输出的差分小信号。接线图见 图十 输入：0~±25mV 电桥差分小信号 输出：0~±10V DC 隔离信号 A1、A2 和输入放大器组成一个数据放大器， 取 R= 100K RG=5K 则数据放大器的放大倍数为 Kin=100/5=20。 电路其它元件选择：取 R1=5.1K R2=2K W2=2K（多圈电位器） 取 R3=39K W3=10K（多圈电位器） （图十 应用实例 2） 四、本发明的成型产品外形尺寸及引脚描述 DIP 24 脚封装的 IC 尺寸图，见图十一 DIP 24 脚封装的 IC 引脚定义图，见图十二 （图十一 DIP 24 脚封装的 IC 尺寸图） （图十二 DIP 24 封装引脚定义图） 32.0 mm (1.26) 2 0. 2 (0 .8 0) 1 0. 2 (0 .4 0) 3 41 2 9 11 1276 10 1 13 11 24 12 7 6 2 3 10 14 15 16232221 SIP 12 脚封装的 IC 尺寸及 IC 引脚定义图，见图十三 （图十三 SIP 12 脚封装的 IC 尺寸及引脚定义图） 结语 随着现代电子技术的高速发展，有很多新器件可供技术人员开发设计选用。 通过新器件的功能扩展可开发出许多实用型的新产品，从而推动电子产品不断更 新换代，并且向低成本、小体积、多功能、智能化方面发展。本发明实用于工业 控制、医疗设备、仪器仪表等系统中地电位有很大差别的电路设计中。整个发明 电路中的每一种器件和工艺都是针对独特系统要求而设计的，新器件性能集成的 高水平使得跨越隔离屏障能实现从前做不到的更复杂的操作。本发明针对国内外 类似技术有着低成本、小体积、高精度、多功能等领先水平，制造出的产品在同 行业中具有很高的竞争优势。 引脚功能描述： 参见 十二 图（ 图 引脚定义 ） 输入 端隔 VS1 1 VS 1 输入 GN D1 2 GND 7 辅助 电源 VD 6 NC 4 ,5 VD1 3 17,18 19,201 6 输出 增益 FB ZA 14 1 5 信号输入 Vin+ 22 输出 端用 离负 电源 VD1 零线 正 极 离正 电源 空 脚 反馈 调节 正 极 +5V 基准 输入端隔 辅助 电源 负 极 NC 8 ,9 空 脚 输出 端隔 VS2 10 VS2 输出 GND2 11 离负 电源 VD2 零线 VD2 12 离正 电源 输入 端隔 信号 隔离 VOUT 1 3 输 出 信号输出 零点 调节 VR2 空 脚 空 脚 NC 输入 端放 C OM 21 大器 输出 NC 信号 输入 Vi n- 23 负 极 24 输入端用 +5V 基准 VR1 32.0 mm (1.26) 1 2 910 14 .2 (0 .56 ) 8 .9 (0 .3 5) 12 信号输入 两线无源 隔离 封装 4-20mA SIP 12 Iin+ 1 信号输入 GN D 2 信号输出 Io+ 1210 Io- 9 信号输出 11 11