一種自旋閥GMR隔離放大器的設(shè)計(jì)方案

　　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，有必要在信號傳輸?shù)倪^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)所需傳輸信號的類型，可將隔離器分為模擬信號隔離器和數(shù)字信號隔離器。其中，數(shù)字信號隔離器具有抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單及功耗低等特點(diǎn)，用做二進(jìn)制信號或邏輯電平信號的隔離。模擬信號隔離器是用來隔離隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號。一般地，傳感器的輸出幾乎都是微弱的模擬信號，因此，在模擬信號隔離之前要先對其進(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)生磁場來實(shí)現(xiàn)隔離耦合，但只應(yīng)用于數(shù)字信號隔離領(lǐng)域。國內(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隔離，具有靈敏度高、線性度好及結(jié)構(gòu)簡單等特點(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作用時(shí)較之無外磁場作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。如圖1所示，輸入電壓信號經(jīng)過隔離器前端V/I 放大及轉(zhuǎn)換電路，輸出的電流流過線圈產(chǎn)生與電流大小成正比的磁場，磁場被GMR傳感器感應(yīng)接收，電橋?qū)⑤敵雠c磁場強(qiáng)度成線性的電壓信號，最后通過接收電路進(jìn)行放大與噪聲抑制，提供給后續(xù)電路處理。信號在整個(gè)隔離與傳輸?shù)倪^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、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)部分分別正對應(yīng)下方電橋的兩對角位上的巨磁電阻，線圈產(chǎn)生的磁場透過隔離柵，改變兩對角位上的電阻的電阻態(tài)，使一個(gè)對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（即穿過隔離柵在GMR電橋上產(chǎn)生的磁場強(qiáng)度與流過輸入線圈的電流比值）為1.7 Oe/mA.當(dāng)流過線圈的電流為-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、隔離級和輸出級三部分。本文主要設(shè)計(jì)的是輸入級的V/I 轉(zhuǎn)換電路和輸出級后端接收電路，并對各電路進(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，因此在輸入隔離器線圈之前，需要對其進(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轉(zhuǎn)換成滿足一定關(guān)系的電流信號，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 的電壓信號轉(zhuǎn)換為0~10 mA 的電流信號。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 無關(guān)，因此，當(dāng)輸入不同頻率的的信號時(shí)，輸出電流不會(huì)因?yàn)榫€圈阻抗的變化而發(fā)生改變，在保證信號傳輸線性度的同時(shí)，也為后端接收電路恢復(fù)原信號的設(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，即要求其具有無窮大的開環(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單兩級放大電路，如圖3所示。

　　簡單兩級運(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，并實(shí)現(xiàn)對隔離器輸出信號進(jìn)行放大，儀表放大器是最佳選擇。它是一種經(jīng)過優(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。