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：

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

ISO 4-20mA

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

z 国标标准信号: 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

Iin+

Iin-

converte

r

Rectifiers

filters

Io+Io-

（图一 . 1.两线无源4-20mA隔离放大器原理框图）

Vin+ VVin- Comp VCO+VC+

VC-VCO-

Vin+ Io Io-Vin-

Comp

VCO+VC+ VC-VCO-

（图一 . 3. ISO APO系列电流输出内置电源隔离放大器原理框图）

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）

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

增益和23，13和14短接增益温漂 非线性度 输入失调电压 信号输入 信号输出 频率响应 负载能力 信号输出纹波 信号电压温漂 参考电压源 VD1,2和VS1,2电源输出

电源输出纹波 工作电流

±50 ±0.1 ±1

±0.3 ±5

ppm/℃ %FSR mV

kΩ 不滤波

mV/℃

输出电流

不滤波

±12

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

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

2 3 6 1 7

11 10 12

24232221 14 16 15 13

（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）

引脚功能描述：（参见图十二 引脚定义图）

输入端隔 离负 电源

输入VS1VD1零线输入端隔离正电源

空辅助电源正脚极

辅助空输出输出输入信号输出

端隔VS2端隔隔离增益电源

离负VD2离正输反馈负

极脚电源零线电源出调节

信号输出零点调节

输出端用+5V基准

空空脚脚输入信号信号输入端放输入输入端用大器正负+5V输出极极基准

GND1VS1 FB ZAVR2NCNCCOMVin+Vin-VR1VD1NC VDGNDNCVS2GND2VD2 VOUT

1234,5678,[**************] 17,18 19,2021222324

SIP 12脚封装的IC尺寸及IC引脚定义图，见图十三

Iin+

结语

GND

Io-Io+

2

1112

（图十三 SIP 12脚封装的IC尺寸及引脚定义图）

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。