Kompletní zapojení, zajišťující oddělení mezi dvěma analogovými stranami (analog-to-analog isolator) s izolací 2 500 Vrms, po dobu jedné minuty dle UL 1577, vidíme na obr. 1. Celé zapojení vychází ze sigma-delta (Σ-Δ) modulátoru druhého řádu od společnosti Analog Devices AD7400A (Isolated Sigma-Delta Modulator) s číslicově odděleným datovým streamem na svém 1bitovém výstupu. Oddělený analogový signál poté rekonstruujeme zpět pomocí aktivního filtru čtvrtého řádu, využívajícího dvojitého nízkošumového operačního zesilovače typu rail-to-rail, AD8646 (24 MHz Rail-to-Rail Dual Op Amp).
Úplnou izolaci obou stran s využitím pouze jediného napájecího napětí zajišťuje obvod ADuM5000 (Isolated DC/DC Converter) na pozici galvanicky odděleného zdroje. Zapojení se může pochlubit linearitou 0,05 % a stranou nezůstane ani způsob nakládání s nežádoucím šumem – rušením z titulu použitého modulátoru AD7400A, následovaného analogovým filtrem. Z hlediska praktického využití se kupříkladu nabízí oblast řízení motorů a monitorování proudu bočníkem. Zapojení bude rovněž vhodnou alternativou k izolačním postupům, které jinak – s většími či menšími obtížemi – využívají optočleny.
Obr. 1: Analogový systém pro galvanické oddělení signálu s využitím obvodu AD7400A – zjednodušené schéma
Analogový vstup je vzorkován na 10 MSPS a to Σ-Δ modulátorem AD7400A. Rozdílový filtr pro potlačení vstupního šumu s mezním kmitočtem 145 kHz tvoří dva rezistory o velikosti 22 Ω spolu s kapacitou 0,1 μF. Výstup obvodu AD7400A bude už pak tvořen odděleným datovým streamem 1 bit. K „formování“ kvantizačního šumu dochází v Σ-Δ modulátoru druhého řádu, který posouvá rušení směrem k vyšším frekvencím (viz také MT-022 Tutorial). Pro zpětnou rekonstrukci signálu analogového vstupu dále následuje spínač datového výstupu ADG849 (3 V/5 V CMOS 0.5 Ω SPDT Switch in SC70), využívající referenci 3 V, integrovaný obvod ADR443 (Ultralow Noise, LDO XFET® 3.0V Voltage Reference w/Current Sink and Source), díky které může stabilizovat špičkový (peak-to-peak) výstup modulátoru MDAT.
V aktivním filtru, jehož řád bude vyšší než je řád modulátoru, poté dochází k filtraci signálu. Pro lepší potlačení šumu byl zvolen Čebyševův filtr čtvrtého řádu, jehož odezva umožní ve srovnání s odezvami filtrů jiných typů, např. Butterworthova či Besselova, vykázat pro daný řád žádanou vyšší strmost. Filtr je řešen s využitím duálního operačního zesilovače AD8646 a jeho rail-to-rail vstupy a výstupy s nízkým šumem a také jednoduchým napájením. Integrovaný obvod ADuM5000 je zase izolovaným DC/DC měničem, vycházejícím z technologie iCoupler® od společnosti Analog Devices. V našem zapojení bude sloužit k napájení oddělené vstupní strany s modulátorem AD7400A. Technologie obvodu ADuM5000, isoPower®, používá pro přenos energie prostřednictvím transformátoru o rozměrech čipu vysokofrekvenční spínací prvky.
Celé zapojení bude nutné postavit na vícevrstvou desku plošného spoje s velkou zemní plochou. Pro dosažení optimálních výsledků se dále očekává náležitý návrh layoutu, zemí a také blokování (viz také MT-031 Tutorial, Grounding Data Converters and Solving the Mystery of "AGND" and "DGND", MT-101 Tutorial, Decoupling Techniques nebo též layout vývojové desky ADuC7060 / ADuC7061). Rovněž bude nutné zajistit, aby návrh – layout desky plošného spoje vyhověl z hlediska požadavků na emise či vzájemnou izolaci mezi oběma oddělenými stranami zapojení (viz také AN-0971 Application Note).
Aby nedocházelo k přebuzení obvodů AD8646, musí být vstupní signál nižší než napájecí napětí – v tomto případě 5 V. Výstup AD7400A je tvořen „tokem jedniček a nul“ s amplitudou rovnou napájecímu napětí VDD2 obvodu AD7400A. Napájení číslicové části, VDD2 o velikosti 3,3 V, zde zajišťuje lineární stabilizátor ADP121 (150 mA, Low Quiescent Current, CMOS Linear Regulator in 5-Lead TSOT or 4-Ball WLCSP ). Bude – li z nějakých důvodů pro napájení VDD2 využito 5 V, musíme signál číslicového výstupu před jeho zavedením do aktivního filtru ztlumit. V obou případech je ale nutné napájecí napětí dostatečně stabilizovat, protože výsledný analogový výstup bude přímo úměrný VDD2. Napájení 5 V pro zapojení na obr. 1 zajišťuje lineární stabilizátor ADP3301 (High Accuracy anyCAP® 100 mA Low Dropout Linear Regulator), pracující se vstupním rozsahem 5,5 V až 12 V.
Návrh aktivního filtru
Mezní kmitočet dolnopropustného filtru většinou závisí na požadované šířce pásma daného zapojení. Vývojář zde bude stát před kompromisem v podobě mezní frekvence a šumových vlastností, kdy s rostoucím mezním kmitočtem filtru vzroste i míra nežádoucího rušení, a pocítí to zejména v návrzích tohoto typu, protože modulátor Σ-Δ pracuje s rušením svým specifickým způsobem a posouvá jeho značnou část do oblasti vyšších kmitočtů. Mezní frekvence byla v našem návrhu stanovena na 100 kHz.
Pro daný mezní kmitočet bude menší přechodová oblast, definovaná mezi pásmem propustnosti filtru a pásmem útlumu, znamenat též méně šumu, který se dostane na výstup filtru. Ze všech odezev filtrů (Butterworth, Čebyšev, Bessel atd.) byla zvolena právě aproximace dle Čebyševa, pro svou menší přechodovou oblast v kontextu daného řádu filtru. Cenou, kterou za to platíme, je však o něco málo horší přechodová odezva.
Filtr čtvrtého řádu dostáváme ze dvou filtrů druhého řádu se strukturou Sallen-Key. K jeho návrhu posloužily nástroje Analog Filter Wizard a Multisim od NI. Použité parametry zahrnují následující:
- Typ filtru: dolní propust, aproximace dle Čebyševa, zvlnění 0,01 dB (low-pass, Chebyshev, 0.01 dB ripple)
- Řád (Order): 4
- Mezní kmitočet: fC = 100 kHz, Sallen-Key
Použity byly doporučené hodnoty, generované programem, s výjimkou zpětnovazebních rezistorů, jejichž velikost byla snížena na 22 Ω.
Naměřené údaje
Zapojení pracuje se ziskem 4,6875 a napěťovým offsetem výstupu 1,5 V. Rozdílový signál 0 V je pak reprezentován bitovým streamem složeným z jedniček a nul, kde se každá z nich vyskytuje poloviční dobu. Výstup ADR443 je roven 3,0 V, takže po filtraci dostáváme stejnosměrný (DC) offset 1,5 V. Rozdílový vstup 320 mV pak bude v ideálním případě znamenat „tok“ samých jedniček, což převedeno na výstup po filtraci znamená 3,0 VDC. Skutečný zisk v našem zapojení tedy stanovíme jako
GAIN = (3,0 − 1,5) / 0,32 = 4,6875
Z naměřených údajů následně dostáváme aktuální offset 1,504 V spolu se ziskem 4,69. Stejnosměrnou přenosovou funkci systému vidíme na obr. 2. Naměřená linearita činila 0,0465 %.
Obr. 2: Přenosová funkce systému (DC)
Obr. 3 konečně zachycuje výstupní napětí bez stejnosměrného offsetu v závislosti na vstupujícím kmitočtu. Napětí vstupního signálu je 40 mV špička – špička, takže na výstupu dostáváme 40 x 4,6875 = 190 mVp-p. Na průběhu frekvenční charakteristiky pozorujeme v nárůstu špičku o velikosti cca 10 mV, odpovídající přibližně 0,42 dB. Systém se může pochlubit dobrými šumovými vlatnostmi s hustotou šumu 2,50 μV/√Hz na 1 kHz a 1,52 μV/√Hz na 10 kHz.
Obr. 3: Odezva zapojení v závislosti na kmitočtu. Na vstup je přiveden signál s amplitudou 40 mV špička – špička
Zapojení lze použít k monitorování napětí s galvanickým oddělením a také pro aplikace ve kterých snímáme velikost protékajícího proudu, tj. sledujeme napětí na rezistoru – bočníku. Požadavky, kladené na vstupní signál, podrobněji rozebírá datasheet obvodu AD7400A. Použijeme – li místo obvodu ADuM5000 provedení s označením ADuM6000, můžeme se v zapojení „dostat“ na 5 kV. V případě potřeby lze IO ADP3301 nahradit lineárními stabilizátory ADP1720 či ADP7102.
Podrobnější informace naleznete na stránkách výrobce, společnosti Analog Devices, zde: http://www.analog.com/en/circuits-from-the-lab/CN0185/vc.html (A Novel Analog-to-Analog Isolator Using an Isolated Sigma-Delta Modulator, Isolated DC-to-DC Converter, and Active Filter); zdroj
