AD8436-EVALZ

低成本、低功耗真 RMS-TO-DC转换器 AD8436 特性 功能框图 提供交流波形的真RMS或平均整流值 CAVG CCF 任意输入电平时均能迅速建立 精度：±10 μV读数的± 0.5% 宽动态输入范围 VCC 100kΩ SUM RMS IGND 8kΩ 100kΩ RMS CORE VEE 100 μV rms至3 V rms (8.5 V p-p)满量程输入范围 OGND 16kΩ 采用外部调整时输入值更大 OUT 10pF 宽带宽： −3 dB (300 mV)带宽为1 MHz 1%附加误差带宽为65 kHz 零转换器直流输出失调 IBUFGN 10kΩ 10kΩ IBUFIN– – IBUFIN+ + FET OP AMP IBUFOUT 无残留开关产物 OBUFIN+ OBUFIN– + 16kΩ DC BUFFER – AD8436 精确转换，波峰因数高达10 低功耗：±2.4 V时典型值为300 µA OBUFOUT 10033-001 额定300 mV rms输入 图1 高阻抗FET单独供电的输入缓冲器 RIN ≥ 1012 Ω，CIN ≤ 2 pF 精密直流输出缓冲器 宽电源电压范围 双电源：±2.4 V至±18 V；单电源：4.8 V至36 V 4 mm × 4 mm LFCSP和8 mm × 6 mm QSOP封装 ESD保护 概述 AD8436是新一代精密跨导线性、低功耗、真RMS-TO-DC 转换器单片系统。它可以精确计算交流波形RMS值的直流 等效值，包括由开关模式电源供电和三端双向可控硅控制 的复杂模式。它能在很宽的输入电平(见图2)和温度范围 提供高精度转换。凭借最新的ADI公司技术，可确保≤ ±0.5%的精度以及≤10 μV的输出失调。CF值介于1到10时， 波峰因数误差小于0.5%。 由于消除了内部偏置电流，驱动低阻抗负载时，精密直流 输出缓冲器可提供极低的失调电压，将误差降至最小。 AD8436提供真RMS结果，成本低于峰值法、均值法或数 字解决方案。无需考虑编程成本或处理器开销，4 mm x 4 mm封装可轻松适合空间紧凑的应用。片上缓冲放大器能 够提供最宽的选择范围，而不受成本影响。成本最低的应 用只需一个外部求平均值电容。内置的高阻抗FET缓冲提 供了一个接口，可用于外部衰减器、频率补偿或驱动低阻 抗负载。它拥有一对匹配的内部电阻，可轻松实现增益为 2或更高增益配置，可用输入范围还能够扩展至更低。 AD8436具有低功耗精密输入缓冲，非常适合便携式万用 表和其他电池供电应用。 GREATER INPUT DYNAMIC RANGE Rev. A Information furnished by Analog Devices is believed to be accurate and reliable. However, no responsibility is assumed by Analog Devices for its use, nor for any infringements of patents or other rights of third parties that may result from its use. Specifications subject to change without notice. No license is granted by implication or otherwise under any patent or patent rights of Analog Devices. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. AD8436不同于数字解决方案，它在高低幅度时性能均不 会受开关电路的限制(见图2)。它能够响应3 V的 输入信号，扩展了动态范围，无需外部调整，并且可以适 应严苛的低电平信号条件，支持很宽的超量程而不会箝位。 AD8436 100µV 1mV 10mV 100mV 1V 3V 10033-002 ΔΣ SOLUTION 图2. AD8436可用动态范围与ΔΣ解决方案的对比 AD8436采用单电源或双电源供电，电压范围为±2.4 V (4.8 V) 至±18 V (36 V)。A级和J级采用紧凑的20引脚4 mm x 4 mm 芯片级封装；A级还提供20引脚QSOP封装。工作温度范 围有两种：A级为−40°C至125°C，J级为0°C至70°C。 One Technology Way, P.O. Box 9106, Norwood, MA 02062-9106, U.S.A. Tel: 781.329.4700 www.analog.com Fax: 781.461.3113 ©2011–2012 Analog Devices, Inc. All rights reserved. ADI中文版数据手册是英文版数据手册的译文，敬请谅解翻译中可能存在的语言组织或翻译错误，ADI不对翻译中存在的差异或由此产生的错误负责。如需确认任何词语的准确性，请参考ADI提供 的最新英文版数据手册。 AD8436 目录 特性.................................................................................................... 1 测试电路 ........................................................................................... 9 功能框图 ........................................................................................... 1 工作原理 ......................................................................................... 10 概述.................................................................................................... 1 概览 ............................................................................................ 10 修订历史 ........................................................................................... 2 应用信息 ......................................................................................... 12 技术规格 ........................................................................................... 3 使用AD8436.............................................................................. 12 绝对最大额定值.............................................................................. 4 AD8436评估板 ......................................................................... 16 ESD警告....................................................................................... 4 外形尺寸 ......................................................................................... 19 引脚配置和功能描述 ..................................................................... 5 订购指南.................................................................................... 20 典型工作特性 .................................................................................. 6 修订历史 更改图30至图32 ............................................................................ 13 2012年7月—修订版0至修订版A 增加20引脚QSOP .....................................................................通篇 更改特性和概述部分 ..................................................................... 1 更改表1 ............................................................................................. 3 更改表2 ............................................................................................. 4 更改表3，增加图4和表4；重新排序......................................... 5 更改公式1，更改表5第一栏的标题......................................... 10 更改“使用FET输入缓冲器”部分和“使用输出缓冲器”部分 14 更改图38和图41，增加“转换到整流均值”部分 .................... 15 更改图41 ......................................................................................... 16 更改图42至图46 ............................................................................ 17 更改图47和图48 ............................................................................ 18 更新外形尺寸部分 ....................................................................... 19 更改“均值电容考虑—RMS精度”部分和“转换后纹波减小滤 更改订购指南部分 ...................................................................... 20 波器”部分，更改图27标题......................................................... 12 2011年7月—修订版0：初始版 Rev. A | Page 2 of 20 AD8436 技术规格 除非另有说明，eIN = 300 mV (rms)，频率 = 1 kHz正弦波、交流耦合，±VS = ±5 V，TA = 25°C，CAVG = 10 μF。 表1. 参数 RMS内核 转换误差 对温度 对供电轨电压 输入VOS 输出VOS 对温度 直流翻转误差 非线性度 波峰因数误差 1 < CF < 10 峰值输入电压 输入电阻 响应 1%误差 3 dB带宽 建立时间 0.1% 0.01% 输出电阻 电源电流 输入缓冲器 电压摆幅 输入 输出 失调电压 输入偏置电流 输入电阻 响应 0.1 dB 3 dB带宽 电源电流 可选增益电阻 增益误差 输出缓冲器 失调电压 输入电流(IB) 输出摆幅 驱动电流 增益误差 电源电流 电源电压 双电源 单电源 1 条件 最小值 典型值 最大值 单位 默认条件 −40°C < T < 125 C ±2.4 V至±18 V 直流耦合 交流耦合输入 −40C < T < 125°C 直流耦合，VIN= ±300 mV eIN = 2 mV至500 mV ac (附加) CCF = 0.1 μF ±10 − 0.5 ±0 ± 0 0.006 ±0.013 0 0 0.3 0 ±10 + 0.5 +1.5 +0.2 μV/% rdg %/°C ±%/V μV V μV/°C % % +0.5 +VS + 0.7 8.08 % V kΩ −500 −1.5 −0.2 −0.5 −VS − 0.7 7.92 VIN = 300 mV rms (附加) 上升/下降 上升/下降 15.68 无输入 G=1 交流或直流耦合 交流耦合至引脚RMS −VS −VS + 0.2 −1 8 +500 65 1 kHz MHz 148/341 158/350 16 325 ms ms kΩ μA 0 16.32 400 +VS +VS − 0.2 +1 50 1012 V mV mV pA Ω (频率) 100 −9.9 950 2.1 160 +10 G = ×1 RL = ∞ 连接到引脚OUT (电压) −200 0 2 −VS + 50e-6 −0.5 (吸) 0.003 40 ±2.4 4.8 IB最大值在上电时测得。在15秒内建立到典型值。 Rev. A | Page 3 of 20 200 +10.1 0.05 kHz MHz μA kΩ % +200 51 +VS − 1 +15 (源) 0.01 70 μV nA V mA % μA ±18 36 V V AD8436 绝对最大额定值 表2. 参数 电压 电源 输入 差分输入 功耗 CP-20-10 LFCSP(无散热焊盘) CP-20-10 LFCSP(带散热焊盘) RQ封装 输出短路持续时间 温度 工作范围 存储范围 引脚焊接(60秒) θJA CP-20-10 LFCSP(无散热焊盘) CP-20-10 LFCSP(带散热焊盘) RQ-20封装 ESD额定值 注意，超出上述绝对最大额定值可能会导致器件永久性损 额定值 坏。这只是额定最值，并不能以这些条件或者在任何其它 超出本技术规范操作章节中所示规格的条件下，推断器件 ±18 V ±VS +VS和−VS 能否正常工作。长期在绝对最大额定值条件下工作会影响 器件的可靠性。 θJA针对最差条件，即器件焊接在电路板上以实现表贴封 1.2 W 2.1 W 1.1 W 不定 装。 ESD警告 ESD(静电放电)敏感器件。 −40°C至+125°C −65°C至+125°C 300°C 带电器件和电路板可能会在没有察觉的情况下放电。 尽管本产品具有专利或专有保护电路，但在遇到高 能量ESD时，器件可能会损坏。因此，应当采取适当 的ESD防范措施，以避免器件性能下降或功能丧失。 86°C/W 48°C/W 95°C/W 2 kV Rev. A | Page 4 of 20 AD8436 引脚配置和功能描述 SUM CAVG CCF VCC IBUFV+ 16 1 15 DNC OBUFV+ PIN 1 INDICATOR RMS OBUFIN– IBUFIN– OBUFIN+ IBUFIN+ IGND 6 10 18 VCC 17 IBUFV+ 16 OBUFV+ IBUFIN+ 6 15 OBUFOUT IBUFGN 7 14 OBUFIN– DNC 8 13 OBUFIN+ OGND 9 12 IGND OUT 10 11 VEE OUT AD8436 TOP VIEW (Not to Scale) VEE NOTES 1. DNC = DO NOT CONNECT. DO NOT CONNECT TO THIS PIN. 2. THE EXPOSED PAD SHOULD NOT BE CONNECTED. 10033-003 OGND CCF RMS 3 NOTES 1. DNC = DO NOT CONNECT. DO NOT CONNECT TO THIS PIN. 11 5 DNC CAVG 19 IBUFIN– 5 TOP VIEW (Not to Scale) IBUFGN 20 DNC 2 IBUFOUT 4 OBUFOUT AD8436 IBUFOUT SUM 1 图4. 引脚配置(RQ-20) 图3.引脚配置(顶视图，CP-20-10) 表3. 引脚功能描述(CP-20-10) 表4. 引脚功能描述(RQ-20) 引脚编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 EP 引脚编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 引脚名称 DNC RMS IBUFOUT IBUFIN– IBUFIN+ IBUFGN DNC OGND OUT VEE IGND OBUFIN+ OBUFIN− OBUFOUT OBUFV+ IBUFV+ VCC CCF CAVG SUM DNC 10033-104 20 描述 不连接。用于工厂测试。 RMS内核的交流输入。 FET输入缓冲器输出引脚。 FET输入缓冲器反相输入引脚。 FET输入缓冲器同相输入引脚。 可选10 kΩ精密增益电阻。 不连接。用于工厂测试。 内部16 kΩ电流转电压电阻。 RMS内核电压或电流输出。 负电源轨。 半电源节点。 输出缓冲器同相输入引脚。 输出缓冲器反相输入引脚。 输出缓冲器输出引脚。 输出缓冲器电源引脚。 输入缓冲器电源引脚。 RMS内核的正电源轨。 波峰因数电容的连接。 均值电容的连接。 求和放大器输入引脚。 裸露焊盘连接到接地焊盘(可选)。 Rev. A | Page 5 of 20 引脚名称 SUM DNC RMS IBUFOUT IBUFIN– IBUFIN+ IBUFGN DNC OGND OUT VEE IGND OBUFIN+ OBUFIN− OBUFOUT OBUFV+ IBUFV+ VCC CCF CAVG 描述 求和放大器输入引脚。 不连接。用于工厂测试。 RMS内核的交流输入。 FET输入缓冲器输出引脚。 FET输入缓冲器反相输入引脚。 FET输入缓冲器同相输入引脚。 可选10 kΩ精密增益电阻。 不连接。用于工厂测试。 内部16 kΩ电流转电压电阻。 RMS内核电压或电流输出。 负电源轨。 半电源节点。 输出缓冲器同相输入引脚。 输出缓冲器反相输入引脚。 输出缓冲器输出引脚。 输出缓冲器电源引脚。 输入缓冲器电源引脚。 RMS内核的正电源轨。 波峰因数电容的连接。 均值电容的连接。 AD8436 典型工作特性 5V 1V 1V 100mV 10mV −3dB BW 100mV 10mV −3dB BW 1mV 1mV 100µV 100µV 50µV 50 100 1k 10k 100k FREQUENCY (Hz) 1M 5M 50µV 图5. RMS内核频率响应(见图21) VS = 4.8V 50 100 1k 10k 100k FREQUENCY (Hz) 1M 5M 10033-007 INPUT LEVEL (V rms) 5V 10033-004 INPUT LEVEL (V rms) 除非另有说明，TA = 25°C，±VS = ±5 V，CAVG = 10 μF，1 kHz正弦波。 图8. RMS内核频率响应，VS = +4.8 V(见图22) 5V 15 12 1V eIN = 3.5mV rms 6 100mV GAIN (dB) INPUT LEVEL (V rms) 9 10mV −3dB BW 3 0 –3 –6 1mV –9 50 100 1k 10k 100k FREQUENCY (Hz) 1M 5M –15 100 10k 100k 1M 5M FREQUENCY (Hz) 图6. RMS内核频率响应，VS = ±2.4 V(见图21) 图9. 输入缓冲器，0 dB和6 dB增益时的小信号带宽 15 5V 12 1V eIN = 300mV rms 9 6 GAIN (dB) 100mV 10mV −3dB BW 3 0 –3 –6 1mV –9 50µV 50 100 1k 10k 100k FREQUENCY (Hz) 1M 5M –15 100 1k 10k 100k 1M FREQUENCY (Hz) 图10. 输入缓冲器，0 dB和6 dB增益时的大信号带宽 图7. RMS内核频率响应，VS = ±15 V(见图21) Rev. A | Page 6 of 20 5M 10033-009 –12 VS = ±15V 100µV 10033-006 INPUT LEVEL (V rms) 1k 10033-008 –12 VS = ±2.4V 10033-005 100µV 50µV AD8436 10 eIN = 3.5mV rms ADDITIONAL ERROR (% OF READING) 12 9 3 0 –3 –6 –9 –12 1k 10k 100k 1M 5M FREQUENCY (Hz) CAVG = 10µF CCF = 0.1µF 0 CAVG = 10µF −5 −10 10033-010 –15 100 5 0 10 0.3 0.2 0.1 0 –0.1 –0.2 –0.3 –0.4 2 4 6 8 10 12 14 SUPPLY VOLTAGE (±V) 16 18 20 0.50 0.25 0 −0.25 −0.50 −0.75 −1.00 –50 10033-011 0 0.75 –25 0 50 25 TEMPERATURE (°C) 75 100 125 10033-014 NORMALIZED ERROR (%) ADDITIONAL ERROR (% OF READING) CAVG = 10µF 8 SAMPLES 0.4 图15. 附加转换误差与温度的关系 图12. 附加误差与电源电压的关系 2.5 1.6 2.0 SUPPLY CURRENT (mA) 2.0 1.2 0.8 VS = ±15V 1.5 VS = ±5V VS = ±2.4V 1.0 0.5 0.4 0 2 4 12 6 8 10 SUPPLY VOLTAGE (±V) 14 16 图13. 内核输入电压(1%误差)与电源电压的关系 18 0 10033-012 INPUT LEVEL (V rms) 8 1.00 0.5 0 4 6 CREST FACTOR RATIO 图14. 波峰因数误差与波峰因数的关系 (CAVG以及CAVG与CCF电容组合) 图11. 输出缓冲器，小信号带宽 –0.5 2 0 0.5 1.0 1.5 INPUT VOLTAGE (V rms) 2.0 10033-015 GAIN (dB) 6 PW = 100µs 10033-013 15 图16. RMS内核电源电流与输入的关系，VS = ±2.4 V、±5 V、±15 V Rev. A | Page 7 of 20 90 250 80 200 70 150 INPUT OFFSET VOLTAGE (µV) 60 50 40 30 20 10 100 50 0 −50 −100 −150 −200 −10 −50 −25 0 50 25 TEMPERATURE (°C) 75 100 125 10033-016 0 图17. FET输入缓冲器偏置电流与温度的关系 −250 −50 −25 0 25 50 TEMPERATURE (°C) 75 100 125 10033-019 BIAS CURRENT (pA) AD8436 图19. 输出缓冲器VOS 与温度的关系 1000 CAVG = 10µF 1kHz 300mV rms BURST INPUT 0V 500 250 0 300mV DC OUT −250 0V −500 1kHz 1mV rms BURST INPUT 0V −750 −25 0 50 75 25 TEMPERATURE (°C) 100 125 1mV DC OUT 0V TIME (50ms/DIV) 图20. 1 kHz突发脉冲、两种输入电平的跃迁时间 (参见工作原理部分) 图18. FET缓冲器的输入失调电压与温度的关系 Rev. A | Page 8 of 20 10033-020 −1000 −50 10033-018 INPUT OFFSET VOLTAGE (µV) 750 AD8436 测试电路 SIGNAL SOURCE +5V 10µF CAV RMS VCC 4.7µF 100kΩ RMS CORE IGND AC-IN MONITOR 100kΩ 16kΩ PRECISION DMM OUT OGND VEE 10033-021 –5V PRECISION DMM 图21. 使用双电源的内核响应测试电路 SIGNAL SOURCE 10µF CAV RMS 4.80V VCC 4.7µF 100kΩ RMS CORE IGND AC-IN MONITOR 4.7µF 100kΩ 16kΩ PRECISION DMM OGND VEE 10033-022 OUT PRECISION DMM 图22. 使用单电源的内核响应测试电路 10µF +5V FUNCTION GENERATOR CAV RMS 4.7µF RMS CORE VCC 100kΩ IGND AC-IN MONITOR 100kΩ 16kΩ PRECISION DMM OGND VEE –5V PRECISION DMM 图23. 波峰因素测试电路 Rev. A | Page 9 of 20 10033-023 OUT AD8436 工作原理 概览 AD8436是一款隐式函数RMS-TO-DC转换器，可依据交流 欲了解更多信息，请参阅“ADI公司RMS-TO-DC应用指南” 电压的rms(热值)提供直流电压。除基本转换器以外，这 第二版的第一部分。 款高度集成的功能电路模块还包括两个完全独立的可选放 RMS内核 大器、一个独立FET输入缓冲放大器和一个精密直流输出 内核由电压电流转换器(精密电阻)、绝对值和跨导线性部 缓冲放大器(见图1)。RMS内核包括一个精密电流响应全波 分组成。跨导线性部分利用双极性晶体管结的属性实现平 整流器和一个对数-反对数晶体管阵列，用于进行电流平 方和开方(见图24)。外部电容(CAVG)用于计算乘积的平均 方和平方根计算，从而实现RMS的传统表达式(见公式1)。 值。图20显示，从直流输出来看，信号输入不影响跃迁时 对于基本应用，转换器只需要一个外部电容用于均值计算 间。虽然RMS内核响应的是输入电压，但转换过程却对电 (见图31)。可选片内放大器可为各种应用带来实用性和灵 流敏感。如RMS输入为交流耦合(推荐配置)，则不存在输 活性，而无需增加电路板面积。为实现最低功耗，放大器 出失调电压，如表1所示。如果RMS为直流耦合，输入失 电源引脚应断开连接。 调电压会反映在输出中，可以像其它固定误差一样通过校 为什么使用RMS? 准消除。 V+ 交流电压波形的RMS值等于在负载上产生相同热功率的直 流电压。常见的交流波形测量技术是利用某种二极管阵列 直截了当地整流信号，从而得到平均值。不同波形(正弦 波、方波、三角波等)的平均值相差很大，唯有真RMS能 – + OUT 够实现所有波形的等效性。表5所示为非RMS响应电路误 5kΩ 差。 AC IN RMS是均方根的缩写形式，定义如下：任何波形的峰值平 ABSOLUTE VALUE CIRCUIT V-TO-I CAVG V+ 16kΩ 方和的平均值的平方根。RMS用如下公式来表示： 1 T T (1) ∫0V(t)2dt 10033-024 erms = V– 图24. RMS内核框图 表5. 通用交流参数 波形类型(1 V峰值) 正弦波 方波 三角波 噪声 长方形波 脉冲 SCR DC = 50% DC = 25% 波峰因数 1.414 1.00 1.73 3 2 10 RMS值 0.707 1.00 0.577 0.333 0.5 0.1 依据一个RMS正弦波校准的 均值电路的读数 0.707 1.11 0.555 0.295 0.278 0.011 2 4.7 0.495 0.212 0.354 0.150 Rev. A | Page 10 of 20 误差(%) 0 11.0 −3.8 −11.4 −44 −89 −28 −30 AD8436 输出端的16 kΩ电阻将输出电流转换为直流电压，可以将该 利用“应用信息”部分所示的电路，可以将输出缓冲器配置 电压连接到输出缓冲器或其后的电路。输出表现为一个串 为单极或双极低通滤波器。它可以降低残留输出纹波，但 联16 kΩ电阻的电压源。如果需要电流输出，则该电阻的接 不影响转换的直流输出。当响应接近带宽的低频下限时， 地连接断开，输出电流应用于后续电路，如电流求和放大 纹波会上升，具体取决于均值电容的值。图27显示了均值 器的求和节点等。因此，根据配置不同，内核可提供电流 和滤波电容四种组合的影响。滤波电容能够降低任意给定 输出或电压输出。对于0 Ω源阻抗的电压输出，应使用输出 频率的纹波，但不会影响直流误差。当然，可以选择容值 缓冲器。该缓冲器的失调电压为25 μV或50 μV，具体取决 较大的均值电容，但成本也更高。使用低通滤波器的好处 于器件等级。 是：容值较小的滤波电容结合16 kΩ输出电阻就能降低纹 波，并且允许使用较小的均值电容，从而节省成本。对于 FET输入缓冲器 参考图1，AD8436的输入电阻为8 kΩ，最好使用电压源输 入。可选输入缓冲器为宽带JFET输入放大器；对于非0 Ω信 40 Hz工作频率，推荐的电容值为：均值电容10 μF，滤波电 容3.3 μF。 号源，如分接电阻衰减器或电压传感器，它增加的负载极 动态范围 小。虽然输入缓冲器的功耗仅150 μA，但电源通过引脚输 AD8436是一款具有出色动态范围的跨导线性RMS-TO-DC 出并断开，以便在需要时降低功耗。 转换器。虽然在极端输入值时，精度变化略大，但器件仍 片内配有可选的匹配10 kΩ输入和反馈电阻。关于如何使用 能执行转换，不会有杂散噪声或丢失信号。图25所示为零 rms输入下的3 dB带宽为2.7 MHz，在1 V rms输入下为1.5 MHz。对于需要中等增益或数百千赫兹(kHz)的响应增强 电压附近的rms/dc传递函数。不同于处理器或其它解决方 案，对于大多数应用，可以忽略极低输入电平时的残留误 差。 的应用，该放大器增益和带宽是足够的。关于输入缓冲器 精密输出缓冲器 精密输出缓冲器是双极性输入放大器，经过激光调整以消 除输入失调电压误差。像输入缓冲器一样，电源电流非常 低(典型值小于50 μA)，如果不需要缓冲器，可以断开电源 以省电。如果断开缓冲器电源引脚，务必同时将同相输入 30 OUTPUT VOLTAGE (mV DC) 配置的讨论，参见“应用信息”部分。 ΔΣ OR OTHER DIGITAL SOLUTIONS CANNOT WORK AT ZERO VOLTS 20 10 端与内核输出端(OUT)断开。虽然缓冲器的输入电流非常 低，但反相输入端串联的激光调整16 kΩ电阻会影响自偏置 失调电压。 Rev. A | Page 11 of 20 AD8436 SOLUTION 0 –30 –20 –10 0 10 INPUT VOLTAGE (mV DC) 图25. 零电压附近的直流传递函数 20 30 10033-025 这些电阻，请参阅“应用信息”部分。输入缓冲器在10 mV AD8436 应用信息 使用AD8436 纹波可通过提高均值电容的值或转换后滤波来降低。转换 本部分说明电源和特性部分，以及均值和滤波电容值的选 后降低纹波更为有效，因为纹波均值已被转换为RMS值。 择。均值和滤波选项以图形显示，适用于所有电路配置。 将纹波降低相同水平时，转换后滤波的电容值明显小于相 应的均值电容值。这种方法只需要将一个电容连接到OUT AD8436典型应用只需要将一个外部电容(CAVG)连接到 CAVG引脚(见图31)。均值电容的作用是计算平方和的平 引脚(见图26)。电容值与简单的频率关系½ π R-C相关，其 中R为固定值16 kΩ。 均值。均值(即积分)之前是RMS内核，它求取输入电流的 OUT CORE 平方值。平均值是多个输入波形周期的输入电压平方的平 DC OUTPUT 9 CLPF 16kΩ 均值。RMS误差受求平均的周期数直接影响，相应的峰峰 OGND 值纹波也一样。 8 10033-026 均值电容考虑—RMS精度 转换过程的结果为一个直流分量和一个纹波分量，其频率 图26. 简单的单极转换后滤波器 是输入的两倍。RMS转换精度取决于CAVG的值，因此， 如图27所示，CAVG单独决定RMS误差，CLPF专门用于降 所需的容值只需满足以下条件即可：能以最低的目标频率 低纹波。CLPF值为0.33 μF和3.3 μF时，图27显示RMS误差 对足够多的周期进行平均，从而获得所需的RMS精度。图 保持不变，仅纹波受到影响。 28显示了不同均值电容值的RMS误差与频率的关系。对于 1 图28，使用10 μF金属化聚酯电容时，40 Hz时的附加误差为 0 0.001%。电容值更大时，由于建立时间延长，效益会递 –1 减，RMS精度的改善可忽略不计。 –2 电容值为1 μF。 转换后纹波减小滤波器 –4 –5 –6 CAVG = 1µF CLPF = 0.33µF OR 3.3µF –7 AD8436内置的输入整流电路会引入残留纹波分量，它取 –8 决于CAVG的值；对于对称输入波形，其频率是输入信号 –9 频率的两倍。对于高分辨率ADC等采样应用，纹波分量可 –10 能会导致一个或多个LSB循环，以及低值显示器数字闪 10 100 FREQUENCY (Hz) 图27. 两个CAVG和CLPF值的RMS误差与频率的关系 (注意：仅CAVG值影响RMS误差，CLPF无影响) 烁。 0 22µF 47µF –0.5 –1.0 4.7µF 0.47µF CAVG = 0.22µF 2.2µF –1.5 –2.0 10 1µF 100 FREQUENCY (Hz) 图28. 不同CAVG值的转换误差与频率的关系 Rev. A | Page 12 of 20 1k 10033-028 CONVERSION ERROR (%) 10µF 1k 10033-027 上找出建议的电容值。例如，针对–0.5% rms和100 Hz频率， –3 RMS ERROR (%) 要使用图28，应确定最低工作频率和应用精度，然后在图 CAVG = 10µF CLPF = 0.33µF OR 3.3µF AD8436 为简明起见，图29显示了CAVG和CLPF四种组合的纹波与 对于信号源，引脚RMS上存在8 kΩ的电压转电流输入电阻； 频率的关系。 因此，理想源阻抗是一个电压源(0 Ω源阻抗)。如果无法避 免非零信号源阻抗，则应考虑所有串联压降。 1 AC INPUT = 300mV rms CAVG = 1µF, CLPF = 0.33µF CAVG = 1µF, CLPF = 3.3µF CAVG = 10µF, CLPF = 0.33µF CAVG = 10µF, CLPF = 3.3µF RIPPLE ERROR (V p-p) 0.1 为实现AD8436的近似零输出失调电压特性，必须使用一 个输入耦合电容。所选耦合电容值应支持预期的最低工作 频率。根据经验，输入耦合电容可以等于均值电容或其值 0.01 的一半，因为时间常数相似。对于10 μF均值电容，4.7 μF或 10 μF钽电容是不错的选择(见图31)。 0.001 +5V 10 100 INPUT FREQUENCY (Hz) 1k 10µF 19 4.7µF OR 10µF +* 图29. 不同滤波器配置的残留纹波电压 图30显示了均值和转换后滤波电容对跃迁和建立时间的影 2 响，测试使用10循环、50 Hz、周期1秒的突发脉冲信号输入 来演示时域行为。本例中，均值电容值为10 μF，产生6 mV RMS VCC AD8436 OUT 9 IGND VEE OGND 11 10 8 –5V rms的纹波值。0.68 μF的转换后滤波电容(CLPF)将纹波降至 *FOR POLARIZED CAPACITOR STYLES. 1 mV rms。82 μF的均值电容可将纹波降至1 mV，但会显著 延长跃迁时间(并提高成本)。 17 CAVG 10033-131 0.0001 10033-029 CAVG +* 图31. 基本应用电路 使用电容以支持高波峰因数应用 AD8436内置一个独特的特性可降低大波峰因数误差。考 虑RMS-TO-DC转换器的要求时，常常会忽视波峰因数， INPUT 50Hz 10 CYCLE BURST 400mv/DIV 但处理具有尖峰或高峰值的信号时，波峰因数非常重要。 波峰因数定义为峰值电压与RMS之比。表5给出了一些常 CAVG = 10µF FOR BOTH PLOTS, BUT RED PLOT HAS NO LOW-PASS FILTER, GREEN PLOT HAS CLPF = 0.68µF 10mV/DIV 见波形的波峰因数。 +5V CAVG +* 10µF CAVG = 82µF CCF 0.1µF 图30. 不同滤波器方案对跃迁时间的影响 电容结构 虽然兼容大多数形式的电容，但RMS转换精度可能会受所 当，则金属化聚酯或类似薄膜型电容最佳。 17 CAVG CCF VCC RMS AD8436 OUT 9 IGND VEE OGND 11 10 8 –5V *FOR POLARIZED CAPACITOR STYLES. 选电容类型的影响。使用低直流漏电流的电容可获得最佳 的总体性能，许多厂商提供此类电容。只要温度范围适 2 18 10033-132 10033-130 TIME (100ms/DIV) 4.7µF OR 10µF +* 19 图32. 实现更高波峰因数性能的连接 波峰因数性能主要针对意料之外的波形，如开关模式电源 中的开关瞬变等。此类应用中，虽然平均直流值可能相当 对于DMM中的RMS-TO-DC函数或电源监控电路等实际应 低，但大多数能量位于这些尖峰中，可能会损坏相关电 用，表贴钽电容是最佳选择。 路。 内核基本连接 图14显示增加一个0.1 μF的波峰因数电容和10 μF的均值电 许多应用只需要一个外部电容进行均值计算。在线路频率 容的影响。较大的电容用于将能量平均分散在脉冲之间的 及更低的频率，10 μF电容即足以实现合理的RMS精度。 长空间中，CCF电容则进行充电并将能量保存在相对较窄 的脉冲内。 Rev. A | Page 13 of 20 AD8436 带宽以10倍/20 dB增益的典型速率降低，输出电压范围也有 使用FET输入缓冲器 片内FET输入缓冲器是一个非专用FET输入运算放大器， 限制。图9所示的小信号响应可以作为应用指南。例如， 用于驱动RMS内核的8 kΩ电流转电压输入电阻。引脚 假设有人想要检测电力线频率的小输入信号。IBUFIN−与 IBUFOUT、IBUFIN−和IBUFIN+是I/O，引脚IBUFINGN是 地之间的外部10 Ω电阻将增益设为101，3 dB带宽约为30 输入缓冲器增益的可选连接，引脚IBUFV+将电源连接到 kHz，足以放大电力线频率。 缓冲器。将引脚IBUFV+连接到正电源轨是唯一需要的电 源连接，因为负电源轨是在内部连接。由于输入级是 FET，输入阻抗必须非常高以防止向信号源提供负载，因 此在引脚IGND(中间电源电压)与引脚IBUFIN+之间连接一 个大值(10 MΩ)电阻，以防输入级浮空为高电平。 使用输出缓冲器 AD8436输出缓冲器是一个精密运算放大器，具有高直流 精度。图34显示了基本放大器和I/O引脚的框图。该放大 器常常配置为单位增益跟随器，但很容易配置为其它增 益，用作Sallen-Key低通滤波器(配合内置的16 kΩ I-V电阻)。 对于单位增益，应将IBUFOUT引脚连接到IBUFIN−引脚。 注意，放大器反相输入端串联的附加16 kΩ片内精密电阻用 对于2倍增益，应将IBUFGN引脚接地。使用这两个内置增 于平衡同相放大器偏置电流导致的输出失调电压。输出缓 益选项时的大信号和小信号响应参见图9和图10。 冲器与引脚OUT断开连接以实现精确的内核测量。 输入缓冲器的失调电压小于等于500 μV，具体取决于器件 像输入FET缓冲器一样，不需要放大器时，应断开其正电 等级。建议在缓冲器输出引脚(IBUFOUT)与RMS引脚之间 源。正常情况下，缓冲器与内核连接到同一电源。图35给 连接一个电容，以便消除输入缓冲器失调电压对总误差的 出了输出缓冲器的信号连接图。注意，偏置电流对输入失调 贡献。根据最低工作频率时的最小误差选择电容值。图33 电压的贡献被同值串联电阻平衡，因而失调电压几乎为0。 为内部元件和引脚连接的原理图。 2 RMS OBUFIN+ IBUFV+ 10µF 3 0.47µF 4 5 + OBUFOUT 16kΩ OBUFIN– IBUFOUT – 10033-034 OUTPUT BUFFER 16 图34. 输出缓冲器框图 IBUFIN– – IBUFIN+ + 10kΩ OUT CORE 16kΩ 6 IBUFGN 10033-033 10kΩ OGND 图33. 连接FET输入缓冲器 IBIAS 9 12 13 OBUFIN+ 16kΩ + OBUFOUT 14 – OBUFIN– 8 10033-035 10pF 11 IGND IBIAS 10MΩ 图35. 输出缓冲器基本连接 建议在FET缓冲器的输入端和输出端进行电容耦合，以免 针对不仅需要上述单极输出滤波器，而且需要抑制纹波的 缓冲器失调电压传递到输出。虽然FET输入阻抗非常高， 应用，可以利用两个外部电阻和两个电容，将输出缓冲器 但选择输入电容值时，仍要考虑连接到IGND的10 MΩ中心 配置为双极Sallen-Key滤波器。在略超过100 kHz的频率时， 电阻。这其实是一个利用最低目标频率的简单阻抗计算， 放大器有足够的带宽来用作电力线纹波等低频信号的有源 根据所需的最小衰减确定电容值。 滤波器。若要适度降低成本和复杂度，可以省去外部16 kΩ 由于10 kΩ电阻严格匹配且已调整到高容差，因此可以利用 反馈电阻，但VOS会略有提高(80 μV)。 连接到引脚IBUFIN−的外部电阻，将输入缓冲器增益提高 到数百倍。 Rev. A | Page 14 of 20 AD8436 10µF 2C 16kΩ 9 OBUFIN+ C 16kΩ + 16kΩ 13 14 – OBUFIN– OBUFOUT 4.7µF 8 10033-036 OGND 12 16kΩ 0.47µF 图36. 输出缓冲放大器配置为双极Sallen-Key低通滤波器 按照图37所示配置输出缓冲器可使直流输出反相。 9 13 16kΩ OGND 12 32.4kΩ 8 16kΩ OBUFIN– OBUFIN+ AD8436 RMS 3 IBUFOUT 4 IBUFIN– 5 IBUFIN+ – OUT 9 IGND 11 OGND VEE 8 10 4.7µF 图39. 单电源操作的连接 14 + 17 VCC 2 10MΩ OBUFOUT 推荐应用 10033-037 OUT CORE 19 CAV 10033-039 OUT CORE 图37. 反相输出配置 图40显示了一个电力线频率及以上的典型应用电路。均值 电容、波峰因数电容和LPF电容的建议值分别为10 μF、0.1 μF 电流输出选项 和3.3 μF。如果需要额外的低通滤波，请参阅“使用输出缓冲 若需要电流输出，应将电流输出OUT连接到目标负载。为 器”部分。 VCC 提高精度，应提供外部校准方式来取代被旁路的内部调整 10µF + 和，或者用于极性转换。 20 0.1µF 19 18 SUM CAVG RMS 2 8kΩ CAVG CCF 19 18 2 9 2kΩ (OPTIONAL) OUT 10µF 4 + DO NOT CONNECT FOR CURRENT OUTPUT – 32.4kΩ INVERTED DC VOLTAGE OUTPUT 0.47µF AC IN 10033-138 8 3 15kΩ 16kΩ OGND 16 VCC IBUFV+ 1 DNC DIRECTION OF DC OUTPUT CURRENT CORE 17 CCF 10MΩ 5 OBUFV+ AD8436 RMS IBUFOUT OBUFIN– IBUFIN– OBUFIN+ IBUFIN+ IGND IBUFGN DNC OGND OUT 6 图38. 显示电压反相的电流输出连接 OBUFOUT 单电源 7 8 9 15 14 DC OUT 13 12 11 VEE 10 3.3µF 单电源操作的连接如图39所示，与器件交流耦合时的双电 VEE 10033-040 电阻。此配置可以方便地将AD8436结果与另一电压求 图40. 典型应用电路 源连接相似。模拟输入全部偏置到半电源电压，但输出仍 然以地为基准，因为AD8436的输出为电流源。IGND端需 转换为平均整流值 要一个额外的旁路连接以抑制环境噪声。 若要配置AD8436来将交流波形转换为整流平均值，参见 图41。如果不连接电容CAVG，输出端将出现一个非常精 确的全波整流波形；如果将一个电容连接到引脚CLPF， 交流输入就会被转换为平均整流值。实际应用中，为使内 部环路保持稳定，引脚CAVG至少应连接一个470 pF的电容。 若要使用两种工作模式，应在电容CAVG与引脚CAVG之 间插入一个开关，如图41所示。 Rev. A | Page 15 of 20 AD8436 DISCONNECTING CAVG DEFAULTS THE COMPUTED RESULT TO AVERAGE-VALUE. A MINIMUM OF 470pF CAPACITANCE IS REQUIRED TO MAINTAIN STABILITY. + 470pF CAVG 10µF 0.1µF 20 19 18 SUM CAVG 16 17 CCF VCC IBUFV+ 1 DNC 2 10µF 3 4 0.47µF AC IN 5 OBUFV+ AD8436 OBUFOUT RMS IBUFOUT OBUFIN– IBUFIN– OBUFIN+ IBUFIN+ IGND IBUFGN DNC OGND OUT 10MΩ 6 7 8 14 DC OUT 13 12 11 VEE 9 CAPACITOR CLPF, IN CONJUNCTION WITH THE INTERNAL 16kΩ OUTPUT RESISTOR FILTERS THE RECTIFIED OUTPUT, YIELDING THE AVERAGE RECTIFIED VALUE. 15 10 VEE CLPF 3.3µF 10033-141 CAPACITOR CAVG COMPUTES THE MEAN IN THE IMPLICIT RMS EXPRESSION. FOR SMALL VALUES OF CAVG, THE AC INPUT WAVEFORM WILL STILL BE FULLY RECITIFIED AND APPEAR AT THE OUTPUT. VCC 图41. 平均整流值的配置 表6. AD8436评估板 AD8436-EVALZ为评估AD8436的性能提供了一个平台。该 评估板配置齐全并经过测试，连接电源和信号源后便可使 用。图47为评估板的照片。信号连接位于原边和副边上， 电源和接地位于内层。图42至图46显示了评估板的各种设 计细节，包括基本布局和铜结构。这些图片可作为应用设 计的参考。 开关 CORE_BUFFER INCOUP SDCOUT IBUF_VCC OBUF_VCC 功能 选择内核或输入作为输入信号 选择交流或直流耦合到内核 选择DCOUT BNC的输出缓冲器 或内核输出 使能或禁用输入缓冲器 使能或禁用输出缓冲器 所有I/O都提供了测试点，以便利用测试设备轻松监控。 使用AD8436评估板注意事项 输入缓冲器的增益默认值为1；若需2倍增益，应在位置R5 AD8436-EVALZ在保持简单易用的同时提供了许多选项。 安装一个0603 0 Ω电阻。若需更高IBUF增益，应删除位置 评估板经过测试，配有10 μF均值电容(CAVG)、3.3 μF低通 RFBH上的0 Ω电阻(OBUF_OUT与IBUFIN−之间有一个内置 滤波电容(C8)和0.1 μF (COPT)电容，用以优化波峰因数性 10 kΩ电阻)，并在位置RFBL安装一个小值电阻。100 Ω电阻 能。若要评估最低成本应用，可删除C8和COPT。5个开 可实现100倍的增益。 关的功能如表6所示。 单电源操作要求删除电阻R6，并在同一位置安装一个0.1 μF 电容用于噪声去耦。 Rev. A | Page 16 of 20 10033-142 10033-145 AD8436 10033-143 10033-144 图43. AD8436-EVALZ原边铜结构 图44. AD8436-EVALZ副边铜结构 Rev. A | Page 17 of 20 10033-146 图45. AD8436-EVALZ电源层 图42. AD8436-EVALZ装配图 图46. AD8436-EVALZ接地层 10033-147 AD8436 图47. AD8436-EVALZ照片 +V (RED) GND1 GND2 GND3 GND4 GND5 GND6 CAVG 10µF + TCAVG TSUM 20 SUM INCOUP DC CORE_BUF AC_IN CORE CIN 10µF RFBH 0Ω C5 0.47µF RFBL DNI 17 VCC EN C1 10µF + 50V –40°C TO +125°C C2 + 10µF TIBUFV+ 50V –40°C TO +125°C DIS IBUF_VCC 16 IBUFV+ TOBUFV+ EN OBUFV+ 15 VEE VCC DIS OBUF_VCC TRMSIN 2 TIBUFOUT 3 TACIN 18 CCF 1 DNC + BUF 19 CAVG C4 0.1µF RMS OBUFOUT AD8436 IBUFOUT OBUFIN– TOBFOUT 14 TOBUFIN− 13 R8 0Ω C6* 2.2µF TDCOUT BUF TIBFIN– 4 TIBFIN+ 5 IGND 11 IBUFIN+ BUF GAIN 6 TBUFGN DNC 7 OGND OUT 8 9 VEE TOGND R5 0Ω R2 0Ω R7 0Ω** 10 C3 0.1µF TOUT CORE SDCOUT C7* 1.5µF TIGND R1 10MΩ DC OUT TOBUFIN+ OBUFIN+ 12 IBUFIN– R6 0Ω R3* 8.06kΩ R4* 0Ω VEE CLPF 3.3µF *COMPONENTS IN GRAY ARE SELECTED BY THE USER. ** REMOVE R7 FOR CORE-ONLY TESTS. 图48. 评估板原理图 Rev. A | Page 18 of 20 10033-148 AC TCCF CCF 0.1µF X8R –V (GRN) AD8436 外形尺寸 4.10 4.00 SQ 3.90 PIN 1 INDICATOR 0.30 0.25 0.20 0.50 BSC 20 16 15 PIN 1 INDICATOR 1 EXPOSED PAD 2.65 2.50 SQ 2.35 5 11 BOTTOM VIEW FOR PROPER CONNECTION OF THE EXPOSED PAD, REFER TO THE PIN CONFIGURATION AND FUNCTION DESCRIPTIONS SECTION OF THIS DATA SHEET. 0.05 MAX 0.02 NOM COPLANARITY 0.08 0.20 REF SEATING PLANE 0.25 MIN 061609-B 0.80 0.75 0.70 6 10 0.50 0.40 0.30 TOP VIEW COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MO-220-WGGD. 图49. 20引脚引脚架构芯片级封装[LFCSP_WQ] (CP-20-10) 尺寸单位：inch 0.345 (8.76) 0.341 (8.66) 0.337 (8.55) 11 1 10 0.010 (0.25) 0.006 (0.15) 0.069 (1.75) 0.053 (1.35) 0.065 (1.65) 0.049 (1.25) 0.010 (0.25) 0.004 (0.10) COPLANARITY 0.004 (0.10) 0.158 (4.01) 0.154 (3.91) 0.150 (3.81) 0.244 (6.20) 0.236 (5.99) 0.228 (5.79) 0.025 (0.64) BSC 0.012 (0.30) 0.008 (0.20) SEATING PLANE 8° 0° 0.050 (1.27) 0.016 (0.41) COMPLIANT TO JEDEC STANDARDS MO-137-AD CONTROLLING DIMENSIONS ARE IN INCHES; MILLIMETER DIMENSIONS (IN PARENTHESES) ARE ROUNDED-OFF INCH EQUIVALENTS FOR REFERENCE ONLY AND ARE NOT APPROPRIATE FOR USE IN DESIGN. 图50. 20引脚QSOP封装[RQ_20] (RQ-20) 尺寸单位：inch Rev. A | Page 19 of 20 0.020 (0.51) 0.010 (0.25) 0.041 (1.04) REF 08-19-2008-A 20 AD8436 订购指南 型号1 AD8436ACPZ-R7 AD8436ACPZ-RL AD8436ACPZ-WP AD8436JCPZ-R7 AD8436JCPZ-RL AD8436JCPZ-WP AD8436ARQZ-R7 AD8436ARQZ-RL AD8436ARQZ AD8436-EVALZ 1 温度范围 −40℃至+125℃ −40℃至+125℃ −40℃至+125℃ 0℃至+70℃ 0℃至+70℃ 0℃至+70℃ −40℃至+125℃ −40℃至+125℃ −40℃至+125℃ 封装描述 20引脚引脚架构芯片级[LFCSP_WQ] 20引脚引脚架构芯片级[LFCSP_WQ] 20引脚引脚架构芯片级[LFCSP_WQ] 20引脚引脚架构芯片级[LFCSP_WQ] 20引脚引脚架构芯片级[LFCSP_WQ] 20引脚引脚架构芯片级[LFCSP_WQ] 20引脚 QSOP [RQ_20] 20引脚 QSOP [RQ_20] 20引脚 QSOP [RQ_20] 评估板 Z = 符合RoHS标准的器件。 ©2011–2012 Analog Devices, Inc. All rights reserved. Trademarks and registered trademarks are the property of their respective owners. D10033sc-0-7/12(A) Rev. A | Page 20 of 20 封装选项 CP-20-10 CP-20-10 CP-20-10 CP-20-10 CP-20-10 CP-20-10 RQ-20 RQ-20 RQ-20