一種自旋閥GMR隔離放大器的設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　摘要：為了解決傳統(tǒng)光電隔離、電容隔離和變壓器隔離存在的線性度及頻率特性等問(wèn)題，本文提出了一種自旋閥巨磁阻（GMR）隔離放大器的設(shè)計(jì)方案，本方案所設(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、線性度好及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，且可以與硅等半導(dǎo)體電路集成。

　　0 引言

　　在工業(yè)控制、高壓測(cè)量及醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用中，出于安全性的考慮，有必要在信號(hào)傳輸?shù)倪^(guò)程中引入電氣隔離，以達(dá)到減小各設(shè)備地線之間電氣特性的相互影響及干擾噪聲的目的。根據(jù)所需傳輸信號(hào)的類型，可將隔離器分為模擬信號(hào)隔離器和數(shù)字信號(hào)隔離器。其中，數(shù)字信號(hào)隔離器具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及功耗低等特點(diǎn)，用做二進(jìn)制信號(hào)或邏輯電平信號(hào)的隔離。模擬信號(hào)隔離器是用來(lái)隔離隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)。一般地，傳感器的輸出幾乎都是微弱的模擬信號(hào)，因此，在模擬信號(hào)隔離之前要先對(duì)其進(jìn)行放大。隔離放大器是一種高共模抑制比的低噪聲放大電路，其比較適用于輸入模擬信號(hào)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間的隔離。

　　在隔離器外圍設(shè)計(jì)相應(yīng)的放大電路，就構(gòu)成了隔離放大器。常見(jiàn)的隔離放大器有變壓器隔離、電容隔離和光電隔離三種類型。其中，變壓器隔離放大器有如美國(guó)ADI 公司的AD202，電容隔離放大器如BURR BROWN公司的ISO122，它們都需要外加調(diào)制解調(diào)電路模塊，使其結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，而光電隔離放大器線性度較差及傳輸速率較低。

　　美國(guó)NVE 公司在1998 年最先推出單片式GMR 隔離器，采用的是線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)隔離耦合，但只應(yīng)用于數(shù)字信號(hào)隔離領(lǐng)域。國(guó)內(nèi)GMR技術(shù)發(fā)展還處于起步時(shí)期，基于GMR技術(shù)的隔離器研究尚未成熟。在此，本文設(shè)計(jì)了一種自旋閥GMR 隔離放大器，適用于微弱的模擬信號(hào)隔離，具有靈敏度高、線性度好及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

　　1 巨磁阻隔離放大器基本原理

　　巨磁阻隔離器是基于巨磁阻（GMR）效應(yīng)的一種隔離器，所謂的巨磁阻效應(yīng)，即指磁性材料的電阻率在有外磁場(chǎng)作用時(shí)較之無(wú)外磁場(chǎng)作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。如圖1所示，輸入電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離器前端V/I 放大及轉(zhuǎn)換電路，輸出的電流流過(guò)線圈產(chǎn)生與電流大小成正比的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)被GMR傳感器感應(yīng)接收，電橋?qū)⑤敵雠c磁場(chǎng)強(qiáng)度成線性的電壓信號(hào)，最后通過(guò)接收電路進(jìn)行放大與噪聲抑制，提供給后續(xù)電路處理。信號(hào)在整個(gè)隔離與傳輸?shù)倪^(guò)程中，始終保持著完整的線性。

　　在圖1 的GMR 隔離器結(jié)構(gòu)中，位于底端的惠斯通電橋采用的是自旋閥GMR傳感器，它具有較大的GMR效應(yīng)、較低的飽和場(chǎng)、較高的靈敏度及較好的線性度；隔離柵為數(shù)十微米厚的聚合物或氮化硅高絕緣介電薄膜，可耐壓3 000~6 000 V;處在隔離柵上面的螺旋矩形平面線圈，其電流方向相反的兩個(gè)部分分別正對(duì)應(yīng)下方電橋的兩對(duì)角位上的巨磁電阻，線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)透過(guò)隔離柵，改變兩對(duì)角位上的電阻的電阻態(tài)，使一個(gè)對(duì)角位上的兩電阻同時(shí)為高阻態(tài)（低阻態(tài)），而另一個(gè)對(duì)角位上的兩電阻同時(shí)為低阻態(tài)（高阻態(tài)）。

　　根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)線圈的設(shè)計(jì)尺寸，線圈效率（即穿過(guò)隔離柵在GMR電橋上產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度與流過(guò)輸入線圈的電流比值）為1.7 Oe/mA.當(dāng)流過(guò)線圈的電流為-10~10 mA 時(shí)，電橋輸出電壓的線性誤差小于0.05%，靈敏度達(dá)到1.27 mV/V·mA.

　　2 電路設(shè)計(jì)與分析

　　圖1中自旋閥GMR隔離放大器整體結(jié)構(gòu)包括輸入級(jí)、隔離級(jí)和輸出級(jí)三部分。本文主要設(shè)計(jì)的是輸入級(jí)的V/I 轉(zhuǎn)換電路和輸出級(jí)后端接收電路，并對(duì)各電路進(jìn)行各種參數(shù)仿真及驗(yàn)證。

　　2.1 V/I 轉(zhuǎn)換放大電路由于傳感器輸出的大多是微弱的模擬電壓信號(hào)，因此在輸入隔離器線圈之前，需要對(duì)其進(jìn)行放大和V/I 轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。它是將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號(hào)，在一定的負(fù)載變化范圍內(nèi)輸出電流能夠保持穩(wěn)定（與負(fù)載無(wú)關(guān)），即具有恒流源特性。

　　為了降低功耗和保證輸出良好的線性度，本電路將輸入幅值為0~5 V 的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為0~10 mA 的電流信號(hào)。設(shè)放大器A的同相端電壓為V+，反相端電壓為V-，晶體管Q1的基極電流為Ib，流過(guò)負(fù)載RL 的電流為Io，根據(jù)晶體管Q1三端電流關(guān)系得到：

　　式中VCM為輸入偏置電壓。從式（4）中可以看出，輸出電流僅與輸入電壓和電阻RW 有關(guān)，與負(fù)載RL 無(wú)關(guān)，因此，當(dāng)輸入不同頻率的的信號(hào)時(shí)，輸出電流不會(huì)因?yàn)榫€圈阻抗的變化而發(fā)生改變，在保證信號(hào)傳輸線性度的同時(shí)，也為后端接收電路恢復(fù)原信號(hào)的設(shè)計(jì)提供了條件。

　　滿足式（3）的前提條件是A 必須為理想運(yùn)算放大器，即要求其具有無(wú)窮大的開(kāi)環(huán)增益、高輸入阻抗、低輸出電阻及高共模抑制比等，本運(yùn)算放大器采用的是簡(jiǎn)單兩級(jí)放大電路，如圖3所示。

　　簡(jiǎn)單兩級(jí)運(yùn)算放大器輸入共模范圍和輸出擺幅大及增益高，但頻率特性差、增益帶寬小和速度慢。給出一定偏置電流，在功耗的要求范圍內(nèi)按照最優(yōu)比例分配兩級(jí)之間的電流，合理設(shè)計(jì)每個(gè)管子的尺寸，得到設(shè)計(jì)要求的增益、單位增益帶寬及相位裕度等指標(biāo)參數(shù)。

　　2.2 接收放大電路

　　由于V/I 轉(zhuǎn)換電路中運(yùn)算放大器因?yàn)樨?fù)反饋?zhàn)饔?，使得同相端和反相端的輸入電阻不相等或不匹配，?dǎo)致電路的共模抑制能力很差。為了有效抑制前端電路輸出的共模信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離器輸出信號(hào)進(jìn)行放大，儀表放大器是最佳選擇。它是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化處理的精密差分電壓放大電路，常用在惡劣環(huán)境條件下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。其主要特點(diǎn)有：共模抑制比高、線性誤差低、輸入阻抗高、噪聲低及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。它與一般運(yùn)算放大器不同的是，運(yùn)算放大器閉環(huán)增益是由其反相輸入端和輸出端之間連接的外部電阻決定，而儀表放大器則是由與輸入端隔離的內(nèi)部反饋電阻決定，根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種放大倍數(shù)可調(diào)節(jié)的儀表放大器，如圖4所示。

　　為了提高匹配性，圖4中三個(gè)運(yùn)算放大器采用前端V/I 轉(zhuǎn)換電路中的運(yùn)放A 來(lái)設(shè)計(jì)，其中A1和A2均為同相端輸入，其具有輸入阻抗高且完全匹配，由運(yùn)放的特性得兩運(yùn)放的輸出電壓差：

　　由式（6）可知，只要確定R，R3 和R4 的值，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)RG 的阻值來(lái)改變電壓增益。但是，R3 和R5 與R4和R6盡可能要做到嚴(yán)格的相等和匹配，否則會(huì)影響共模抑制比，降低儀表放大器的抗干擾能力。

　　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(guò)反復(fù)的仿真與調(diào)試，得到運(yùn)算放大器開(kāi)環(huán)頻率響應(yīng)特性曲線如圖5所示。其開(kāi)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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)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(guò)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(yǔ)

　　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(qián)正洪，朱華辰，白茹）