如何使用隔离ADC

来看看在低噪声下运行的混合信号系统，特别是那些用于仪器测量和敏感测量的系统。它们似乎能够仔细解析低水平信号而不屈服于过多的噪声。在某些频率和某些电压范围内，为了获取信号的准确表示，可能需要打破围绕混合信号系统接地的一些公认规则。

ADC是混合信号系统中主要的组件，数字世界和模拟世界在这里相遇，使用这些组件的最佳实践规定了使用单一接地网来支持PCB上任何地方的数字和模拟布线。但是，当我们需要在系统中实现隔离，无论是为了控制噪声还是为了用户安全时，会发生什么呢？

在这种情况下，我们可以使用隔离ADC来强制实现电隔离。另一个选项是使用一些组件在系统中提供电隔离区域之间的耦合，然后与标准ADC接口。这两个选项都提供了控制噪声和防止危险电击的机会。在这个设计指南中，我们将展示如何使用这些选项来提供隔离，从隔离ADC组件选项开始。

什么是隔离ADC？

隔离ADC包括数字I/O部分和输入模拟接口之间的两个电隔离区域。这些组件是通过遵循一个简单的概念构建的：在需要电隔离的系统中，系统的两侧将在不同的接地区域上构建。在隔离ADC中，模拟侧和数字侧之间强制执行电隔离。通过这种方式，只要数字信号限制在数字接地平面上，它们就不会干扰模拟侧的模拟信号。

这些组件可能被使用的一些情况包括：

• 具有数字部分的高电压系统，其中系统需要进行一些测量

• 涉及测量非常低信噪比（SNR）模拟信号的专业仪器

• 电机系统或开关系统，其中快速脉冲产生的电力冲击可能会损坏组件

根据信号在PCB中的路由位置，使用隔离ADC可能比使用光耦合器或变压器进行隔离更有意义。

方框图

下面展示了一个隔离ADC的示例方框图。在这个例子中，组件中的两个GND网（AGND和DGND）通过构建在组件中的一些间隙彼此隔离。这意味着在PCB上，AGND和DGND连接到物理上分开的铜片。

当我写“物理上分开的铜片”时，我指的是分配给不同网的不同铜片区域。只有模拟接口上的输入通道（A_IN_1…A_IN_N）将其信号电平参考到AGND网。数字I/O块将具有一些电隔离等级，该等级延伸到某个最大电压和某个最大频率。

在区块图中的这种分离必须在PCB上实现。最好的做法是在PCB上放置两个相邻的独立区域来实现电隔离，并且只通过隔离的ADC在它们之间建立桥接。这将确保成功实现电隔离，但不会因尝试交错分离的接地平面而产生多极天线的问题。

选择一个隔离ADC

隔离ADC有一些重要的规格必须考虑，以确保在具有电隔离的混合信号系统中控制噪声和安全。

• 通道数量 - 将有多个输入模拟通道可用于采样传入信号

• 隔离电压 - 在高电压系统中，采样信号可能源于模拟侧，因此电隔离将具有一些高电压等级，达到kV值

• 输出总线 - 这通常是一个低采样率的SPI总线，或者在高采样率时（达到GHz）可能是一个JESD204总线

• 内部与外部参考和调节 - 一些隔离ADC具有内部DC/DC转换和精确参考

• 动态范围 - 在采样低电平信号时这很重要，一些低电平信号可能需要放大以填满ADC的动态范围

• 分辨率 - 这需要与动态范围和信噪比权衡；对于低信噪比信号，低分辨率将提供更高的噪声免疫能力

使用安全电容器防止EMI和RF噪声

分割平面系统（例如，将与隔离ADC一起使用的PCB）的一个大问题是一个或两个接地是浮动的。换句话说，系统两侧之间的接地电位可能存在一些差异。通过设计隔离电源来消除这个非平凡问题，并且接地偏移可能是频率的函数。结果是，在某些频率下，这些接地之间的电位差可能会振荡，这将产生辐射EMI。

这里最简单的解决方案是使用安全电容器连接AGND和DGND接地区域。安全电容器（例如，陶瓷或金属化纸）可以为由接地电位偏移产生的电流提供低阻抗路径，因此它们将通过低电感回路返回到系统电源，而不是辐射到自由空间中。下面显示的放置与在隔离电源中的变压器旁边使用的放置相同。

如果要在接地之间使用安全电容器，则应检查三个规格：

• 中等偏高的电容

• 低直流漏电流

• 高直流/交流电压极限

这样做的原因是为了将漏电流最小化，避免用户在与设备互动时可能会接触到的区域，从而可能会收到轻微的电击。电容只需超过电隔离区域之间的寄生电容和隔离ADC内部隔离间隙的电容。典型的安全电容值不超过约1 uF，电压等级在数百伏范围内。

隔离ADC的示例

德州仪器 AMC1333M10

来自德州仪器的AMC1333M10提供高隔离性能，峰值电压可达到8 kV。该组件内置时钟，为单通道提供高达39 kSps的采样率（87 dB动态范围），采用delta-sigma调制。输出接口是一个简单的串行输出，与时钟输出并行路由，以简化MCU中的定时。对于可能面临大电压暴露风险但不需要复杂数字子系统来采样和同步数据的系统，这个组件是一个极好的选择。

Maxim Integrated MAX14001/MAX14002

Maxim Integrated的MAX14001和相关的MAX14002采用10位SAR架构，标称采样率为10 kSps。配置、过滤数据和未过滤数据通过SPI接口输入/输出。这个组件的电隔离保证达到3.75 kV RMS电压，因此也适用于高电压环境。在这两个组件中，只有MAX14001可以限制重复的涌入脉冲，以防止来自异常输入信号的连续涌入脉冲引起的过热。

隔离ADC的替代品

隔离ADC是非常有用的组件，但它们不是实现混合信号系统中隔离的唯一类型的组件。还有两种传统用于隔离的组件：光耦和变压器。这两种组件都可以作为隔离策略的一部分，但这可以在不需要隔离ADC的情况下完成。相反，这些组件是将模拟信号从两个隔离区域之间耦合，或者它们是将数字数据从ADC输出耦合。

下表总结了在模拟或数字信号中使用不同类型耦合机制的情况。简而言之，变压器不应用于在电隔离区域之间耦合数字数据。原因是变压器将数字信号转换为脉冲，因为变压器仅在输入信号切换时耦合电磁能量。因此，如果您必须使用耦合机制与数字数据而不是隔离的ADC，那么光耦合器将是更好的选择。

光耦合器

在隔离电源中，光耦合器IC经常用于将反馈线从输出端路由到输入端，同时确保系统两侧之间的电隔离。光耦合器可以用于数字或模拟信号，但可以说最佳用例是将模拟信号跨越间隙耦合到非隔离的ADC中。

光耦合器可以用来耦合数字总线输出跨越电隔离区域，而不是模拟信号。然而，这可能不是耦合信号的最佳选择，因为它可能会改变边缘速率和时序，因此在接收组件上违反建立和保持时间的风险略有增加。因此，最佳用途可能是仅将光耦合器与要采样的模拟信号一起使用。

变压器

只要遵循安全电容指南，变压器适用于连接电隔离的混合信号系统的模拟和数字两侧。例如，在高压环境中需要采样模拟信号时会使用此方法。另一个选项是提高低电平信号的电压，然后将其输入到非隔离的ADC中。

变压器仅与模拟信号一起使用的原因是它只在信号切换时才在电隔离两侧之间耦合信号。如果变压器用于数字侧以跨隔离间隙耦合数字输出，变压器会因为将数字边缘速率转换为脉冲而丢失数据。因此，它只能与模拟信号一起使用。

混合信号系统的重要组件

实现隔离并且必须提供准确的低电平信号测量的混合信号系统，需要许多其他组件，除了隔离的ADC。这些组件跨越处理器、放大器、滤波器等等。尽管隔离的DAC比隔离的ADC不那么常见，但在这些系统中DAC也很有用。设计师可能需要包括的一些其他组件包括：

• 用于RF系统接收电路的低噪声放大器

• 用于模拟电路的运算放大器

• 控制系统和处理数据的处理器

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