電路仿真及結(jié)果分析 - 一種自旋閥GMR隔離放大器的設(shè)計(jì)方案

　　3 電路仿真及結(jié)果分析

　　本電路的設(shè)計(jì)是基于CSMC 0.5 μm混合信號(hào)工藝，利用Tanner集成電路設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行電路編輯和仿真及驗(yàn)證，各項(xiàng)參數(shù)仿真結(jié)果基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　3.1 運(yùn)算放大器A仿真

　　設(shè)計(jì)產(chǎn)生10 μA 電流的偏置電路，在電源電壓為5 V條件下，經(jīng)過反復(fù)的仿真與調(diào)試，得到運(yùn)算放大器開環(huán)頻率響應(yīng)特性曲線如圖5所示。其開環(huán)增益87.6 dB，單位增益帶寬50 MHz，相位裕度62°，功耗0.945 mW.

　　3.2 電壓電流轉(zhuǎn)換電路仿真

　　由式（4）可知，V/I 轉(zhuǎn)換電路輸出電流與輸入電壓成正比，與電阻RW成反比。圖2中運(yùn)算放大器反相端電壓被鉗位在電阻RW 的上端，又由于運(yùn)算放大器輸出擺幅為1.3~4.7 V，晶體管Q1 的基極-射極電壓為0.75 V，所以運(yùn)算放大器反相端電壓不能完全跟隨輸入電壓。要實(shí)現(xiàn)把0~5 V范圍的電壓變?yōu)?~10 mA范圍的電流，實(shí)際上是將0.55~3.9 V 的電壓轉(zhuǎn)變?yōu)?.4~10 mA 的電流。

　　經(jīng)過仿真調(diào)試，確定電阻RW 為355 Ω，其電壓電流轉(zhuǎn)換特性曲線如圖6 所示，其中（a）~（c）分別為輸入電壓、運(yùn)放反相端電壓和流過負(fù)載的電流。

　　3.3 儀表放大器仿真

　　由式（6）看出，若R3=R4，R 為一確定值，那么儀表放大器的輸出電壓就只與反饋電阻RG有關(guān)，因此，合理調(diào)節(jié)RG阻值大小，就能改變電壓放大倍數(shù)。在這里，取R=19.9 kΩ，R3=R4=100 kΩ，Vref=2.5 V，電阻RG 的調(diào)節(jié)范圍為200 Ω至無窮大，因此輸出電壓增益范圍為1~200 倍，當(dāng)RG=3.98 kΩ時(shí)，增益為11，其輸入/輸出曲線如圖7所示。

　　當(dāng)RG→∞時(shí)，即放大倍數(shù)為1 時(shí)，其共模抑制比為73 dB;當(dāng)RG=200 Ω時(shí)，放大倍數(shù)為200，其共模抑制比為118 dB.

　　3.4 整體仿真

　　由圖7 可知，當(dāng)流過線圈的掃描電流為-10~10 mA 時(shí)，電橋上的輸出電壓隨電流變化成直線關(guān)系，但有約2 mV的失調(diào)電壓，電橋輸出電壓與流過線圈中的電流的線性比例系數(shù)大約為3.8（V/A）。根據(jù)隔離器的電壓電流的線性關(guān)系，本文利用Tanner軟件中的 CCVS_H_Element Spice 單元，通過設(shè)置輸入控制命令Vctrl和輸出電壓與控制電流的線性比例系數(shù)K 值，便可以模擬得到滿足要求的自旋閥GMR隔離器。這里將Vctrl控制端口名設(shè)置為圖2中的Vcc（此Vcc 不能與總電源電壓命名相同），比例系數(shù)K 設(shè)為3.8，CCVS_H_Ele-ment的兩輸出端接到儀表放大器兩輸入端，設(shè)定儀表放大器的放大倍數(shù)為50.對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真，輸入信號(hào)頻率為100 kHz，其仿真波形如圖8 和圖9 所示。由于圖2中電阻RW的限幅作用，波形有失真現(xiàn)象。

　　4 結(jié)語

　　本文所介紹的一種自旋閥GMR隔離放大器的設(shè)計(jì)方案， 方案中設(shè)計(jì)的隔離器前端電路可將0~5 V的輸入電壓轉(zhuǎn)換為1.4~10 mA電流，后端接收電路在增益為1時(shí)的共模抑制比為73 dB，增益可調(diào)節(jié)范圍為1~200，工作帶寬大于100 kHz， 并采用Tanner軟件對(duì)電路進(jìn)行編輯、仿真與驗(yàn)證，隔離器具有靈敏度高、線性度好及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)能滿足惡劣環(huán)境條件下應(yīng)用的各項(xiàng)指標(biāo)要求。（作者：楊榮文，錢正洪，朱華辰，白茹）