ISO120和ISO121精密低成本隔離放大器：特性、原理與應用

在電子工程領域，隔離放大器是保障信號傳輸安全與穩定的關鍵器件。ISO120和ISO121作為兩款精密低成本隔離放大器，憑借其獨特的性能和廣泛的應用場景，受到了工程師們的廣泛關注。今天就和大家詳細聊聊這兩款放大器。

文件下載：iso121.pdf

特性亮點

電氣性能卓越

隔離電壓高：ISO120額定連續隔離電壓為1500Vrms，ISO121更是高達3500Vrms，且經過100%局部放電測試，能有效保障在高電壓環境下的可靠運行。
隔離模式抑制比高：在60Hz交流和直流條件下，ISO120和ISO121的隔離模式抑制比（IMR）均可達115dB典型值，能出色地抑制共模干擾，確保信號的純凈度。
低非線性度：最大非線性度僅為±0.01%，保證了信號傳輸的高精度，適用于對精度要求極高的應用場景。
寬溫度范圍：ISO120的工作溫度范圍為 -55°C至 +125°C，ISO121也能在 -25°C至 +85°C（BG和G級）或 -55°C至 +125°C（SG級）的寬溫度區間穩定工作，適應各種惡劣環境。

功能特性豐富

載波頻率可控：用戶可對載波頻率進行控制，靈活適應不同的應用需求。
同步能力：具備同步功能，可消除多通道系統中的拍頻干擾，有效抑制交流信號及其諧波。
雙極操作：輸出電壓范圍為 (v_{0}= pm 10V)，支持雙極信號的處理。

工作原理

自由運行模式

在自由運行模式下，輸入放大器A1將輸入電流與開關式±100μA電流源的差值進行積分。當輸入電壓 (V{IN}=0) 時，積分器會朝一個方向斜坡上升，直至超過比較器閾值，此時比較器和檢測放大器會迫使電流源切換，產生一個占空比為50%的三角波。當 (V{IN}) 變化時，積分器的占空比也會相應改變，以保持A1輸出的平均直流值接近零伏，從而將輸入電壓轉換為占空比調制的三角波。這個三角波的頻率由內部150pF電容決定。比較器產生的快速上升沿方波會反饋至A1以保持電荷平衡，同時通過隔離屏障傳輸至具有高共模抑制特性的差分檢測放大器。檢測放大器驅動圍繞A2的開關電流源，輸出級將占空比調制電流與通過200kΩ反饋電阻的反饋電流進行平衡，使得檢測引腳的平均值等于 (V_{IN})。輸出反饋回路中的采樣保持放大器則用于消除解調過程中固有的紋波電壓。

同步模式

ISO120和ISO121的獨特之處在于能夠將調制器與外部信號源同步。使用時，通過在 (C{1}) 和 (C{2}) 連接外部電容來改變自由運行載波頻率，并將外部信號施加到Ext Osc引腳。若 (V{IN}=0) 且外部信號占空比為50%，其工作過程與自由運行模式類似，只是開關頻率變為外部信號的頻率。若外部信號占空比不為50%，其平均值不為零，啟動時電流源不會切換，直到積分器輸出等于外部信號的平均直流值，此時外部信號觸發電流源，在A1輸出產生一個關于新直流值對稱的三角波。當 (V{IN}) 變化時，波形保持直流偏移，但占空比改變以維持A1周圍的電荷平衡。解調過程與自由運行模式相同。

應用場景

工業過程控制

在工業過程控制中，ISO120和ISO121可用于熱電偶、熱電阻（RTD）、壓力電橋和流量計等傳感器的隔離，實現4mA至20mA環路隔離，有效消除接地環路干擾，保障信號傳輸的準確性和穩定性。

醫療測量

在生物醫學測量領域，它們能精準隔離信號，避免高電壓地電位和嚴重接地噪聲對測量結果的影響，同時提供故障保護，確保患者和設備的安全。例如在心電圖（ECG）放大器中，可有效隔離人體信號與測量電路，提高測量精度。

數據采集與測試設備

在數據采集和測試設備中，ISO120和ISO121可用于隔離不同通道的信號，防止信號相互干擾，提高系統的可靠性和測量精度。

使用注意事項

信號和電源連接

每個電源引腳都應使用1μF鉭電容進行旁路，且電容應盡可能靠近放大器。
所有接地連接應獨立連接到公共點，輸入和輸出部分的信號公共端為高阻抗點，用于在嘈雜環境中檢測信號接地，但必須有接地路徑以返回偏置電流，并保持在Gnd的±1V范圍內。
輸出檢測引腳可直接連接到 (V_{out}) 或遠程負載，以消除IR降引起的誤差。
(C{1 H}) 和 (C{2 H}) 引腳連接到積分器求和節點，對外部拾取非常敏感，建議對這些引腳進行屏蔽，避免使用長走線或大電容。

可選增益和偏移調整

雖然無需外部調整即可實現額定增益精度和偏移性能，但可使用特定電路進行增益微調（±0.5%）和偏移調整。不過，調整時需注意輸入偏移誤差會隨增益增加而放大，小信號帶寬會隨增益增加而減小。

載波頻率選擇

當 (C{1}=0) 時，載波頻率標稱值為500kHz，放大器的 -3dB點為60kHz。若輸入信號包含高于250kHz的顯著分量，可能會在輸出端產生雜散信號。可通過降低載波頻率來衰減干擾信號分量，但需注意 (C{2}) 必須連接且其值應等于或大于 (C_{1})，以確保穩定性。

隔離模式電壓

隔離模式電壓（IMV）是指隔離接地Gnd 1和Gnd 2之間的電壓，若IMV頻率超過 (f_{c} / 2)，輸出會出現雜散輸出，放大器響應與信號響應 vs 載波頻率性能曲線一致。為保證典型IMV性能，隔離模式電壓的dV/dT應低于1000V/μs。當dV/dT超過1000V/μs但低于20kV/μs時，性能可能會下降；超過20kV/μs時，放大器可能損壞，但隔離屏障仍能保持完整。