AD737：低成本、低功耗真有效值轉直流轉換器的深度剖析

在電子工程師的日常設計工作中，真有效值轉直流（RMS-to-DC）轉換器是一個關鍵的元件，它能幫助我們準確測量各種復雜波形的有效值，為電路設計和信號處理提供可靠的數據支持。今天，我們就來深入探討一款性能出色的RMS-to-DC轉換器——AD737。

文件下載：AD737.pdf

一、AD737的核心特性

1. 強大的計算能力

AD737能夠精確計算信號的真有效值、平均整流值和絕對值，無論信號的波形如何復雜，都能提供準確的測量結果。這使得它在多種應用場景中都能發揮重要作用，比如在電力監測、音頻處理等領域。

2. 寬輸入范圍與高兼容性

它具有200 mV的滿量程輸入范圍，還可以通過輸入縮放來處理更大的輸入信號。同時，能夠直接與3? 位CMOS模數轉換器（ADC）接口，方便工程師進行系統集成。

3. 優異的電氣性能

• 高輸入阻抗達到 (10^{12} Omega)，低輸入偏置電流最大僅為25 pA，這意味著它對輸入信號的影響極小，能夠準確地采集信號。
• 高精度測量，誤差僅為±0.2 mV ± 0.3%的讀數，并且在信號波峰因數高達5的情況下仍能進行準確的RMS轉換。

  4. 寬電源范圍與低功耗

  電源電壓范圍為±2.5 V至±16.5 V，適應不同的電源環境。典型待機電流僅為25 μA，非常適合電池供電的便攜式設備。而且，在指定精度下無需外部微調，簡化了設計流程。

二、AD737的工作原理

AD737主要由四個功能子部分組成：輸入放大器、全波整流器、RMS核心和偏置部分。

1. 輸入放大器

提供高阻抗和低阻抗兩種輸入選項。高阻抗輸入（Pin 2）具有低輸入偏置電流，適合與高阻抗輸入衰減器配合使用；低阻抗輸入（Pin 1）則具有較寬的動態范圍，能接受高達0.9 V的RMS電壓。輸入信號可以是直流耦合或交流耦合，這種靈活性使得它能適應不同的信號類型。

2. 全波整流器

輸入放大器的輸出驅動全波精密整流器，將輸入信號進行整流處理，為后續的RMS計算做準備。

3. RMS核心

這是AD737的核心部分，通過外部平均電容 (C{AV}) 實現平方、平均和開方等RMS運算，從而得到信號的真有效值。如果沒有 (C{AV})，整流后的輸入信號將直接通過核心，實現平均響應連接。

4. 偏置部分

提供電源關斷功能，將AD737的空閑電流從160 μA降低到30 μA，節省功耗。通過將Pin 3連接到Pin 7（+VS）即可啟用該功能。

三、AD737的性能參數

1. 精度指標

在不同的溫度、電源電壓和輸入信號條件下，AD737都能保持較高的精度。例如，在 (T{A}=25^{circ} C)，(pm V{S}= pm 5 ~V) 的條件下，總誤差僅為±0.2/0.3 mV/±POR（POR為讀數的百分比）。

2. 頻率響應

高阻抗輸入（Pin 2）在不同輸入幅度下，1%附加誤差的帶寬表現出色。例如，當 (V{IN}=100 mV rms) 時，帶寬可達170 kHz。低阻抗輸入（Pin 1）在 (V{IN}=200 mV rms) 時，1%附加誤差帶寬為190 kHz。

3. 電源特性

工作電壓范圍為+2.8/ -3.2 V至±16.5 V，無輸入時電流為120 - 160 μA，額定輸入時為170 - 210 μA，電源關斷時僅為25 - 40 μA。

四、應用要點與注意事項

1. 電容選擇

• 平均電容 (C_{AV})：其值直接影響RMS測量的精度，尤其是在低頻情況下。較小的輸入信號會減小非理想平均帶來的誤差，但會增加接近計算出的直流值的建立時間。因此，在選擇 (C_{AV}) 時需要在計算精度和建立時間之間進行權衡。
• 輸入耦合電容 (C_{C})：與8 kΩ內部輸入縮放電阻共同決定 -3 dB低頻滾降頻率 (F{L})。為了將幅度誤差降低到0.5%的讀數，應選擇合適的 (C{C}) 值，使 (F_{L}) 為最低測量頻率的十分之一。

  2. 交流測量精度與波峰因數

  輸入波形的波峰因數（定義為峰值信號幅度與RMS幅度之比）在確定交流測量精度時常常被忽視。一些常見波形如正弦波和三角波的波峰因數較低，而低占空比脈沖序列和SCR波形的波峰因數較高，這些波形需要較長的平均時間常數來平均脈沖之間的長時間間隔。

  3. 建立時間計算

  當輸入電平幅度減小時，可以通過參考相關圖表來近似計算AD737的建立時間。需要注意的是，由于電容/二極管組合的衰減特性具有固有的平滑性，這是達到最終值的總建立時間，而不是達到最終值的1%、0.1%等的建立時間。而且，輸入電平增加時，AD737的建立速度會更快。

五、應用電路示例

1. 平均響應電路

通過不使用平均電容，其建立時間僅由 (C_{F}) 和內部8 kΩ輸出縮放電阻的RC時間常數決定，不受輸入信號電平的影響。

2. 可選擇平均或RMS轉換電路

通過CMOS開關，其柵極由邏輯電平控制，可以在RMS值轉直流轉換和平均值轉直流轉換之間進行選擇。當 (C_{AV}) 從均方根核心斷開時，AD737全波整流器成為一個高精度的絕對值電路。

3. 輸入輸出電壓縮放電路

• 擴展輸入范圍：在低電源電壓應用中，將輸入電壓施加到Pin 1跨內部8 kΩ輸入電阻上，可以擴展設備的最大峰值電壓。
• 輸出電壓縮放：可以根據具體應用需求，通過調整反饋電阻值來縮放輸出電壓，使其與輸入RMS電壓匹配。

六、封裝與訂購信息

AD737有兩種低成本的8引腳封裝：PDIP和SOIC_N。提供不同的性能等級和溫度范圍供選擇，如AD737A適用于 -40°C至 +85°C的工業溫度范圍，AD737J和AD737K適用于0°C至70°C的商業溫度范圍。同時，還有相應的評估板AD737-EVALZ可供實驗和熟悉RMS-to-DC轉換器使用。

AD737以其出色的性能、靈活的應用和低功耗特性，成為電子工程師在RMS測量和信號處理領域的理想選擇。在實際設計中，我們需要根據具體的應用需求，合理選擇參數和電路配置，以充分發揮AD737的優勢。你在使用AD737或其他RMS-to-DC轉換器的過程中，遇到過哪些有趣的問題或挑戰呢？歡迎在評論區分享交流。