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)計方案，本方案所設(shè)計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軟件對電路進行編輯、仿真與驗證，隔離器具有靈敏度高、線性度好及結(jié)構(gòu)簡單等特點，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、結(jié)構(gòu)簡單及功耗低等特點，用做二進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)展還處于起步時期，基于GMR技術(shù)的隔離器研究尚未成熟。在此，本文設(shè)計了一種自旋閥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。

　　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較之無外磁場作用時存在巨大變化的現(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磁場強度成線性的電壓信號，最后通過接收電路進行放大與噪聲抑制，提供給后續(xù)電路處理。信號在整個隔離與傳輸?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)，使一個對角位上的兩電阻同時為高阻態(tài)（低阻態(tài)），而另一個對角位上的兩電阻同時為低阻態(tài)（高阻態(tài)）。

　　根據(jù)以往經(jīng)驗線圈的設(shè)計尺寸，線圈效率（即穿過隔離柵在GMR電橋上產(chǎn)生的磁場強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，電橋輸出電壓的線性誤差小于0.05%，靈敏度達到1.27 mV/V·mA.

　　2 電路設(shè)計與分析

　　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，并對各電路進行各種參數(shù)仿真及驗證。

　　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，在一定的負載變化范圍內(nèi)輸出電流能夠保持穩(wěn)定（與負載無關(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)，與負載RL 無關(guān)，因此，當(dāng)輸入不同頻率的的信號時，輸出電流不會因為線圈阻抗的變化而發(fā)生改變，在保證信號傳輸線性度的同時，也為后端接收電路恢復(fù)原信號的設(shè)計提供了條件。

　　滿足式（3）的前提條件是A 必須為理想運算放大器，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)計每個管子的尺寸，得到設(shè)計要求的增益、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)換電路中運算放大器因為負反饋作用，使得同相端和反相端的輸入電阻不相等或不匹配，導(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，并實現(xiàn)對隔離器輸出信號進行放大，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。它與一般運算放大器不同的是，運算放大器閉環(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)這個特點，本文設(shè)計了一種放大倍數(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中三個運算放大器采用前端V/I 轉(zhuǎn)換電路中的運放A 來設(shè)計，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，由運放的特性得兩運放的輸出電壓差：

　　由式（6）可知，只要確定R，R3 和R4 的值，就可以通過調(diào)節(jié)RG 的阻值來改變電壓增益。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)計是基于CSMC 0.5 μm混合信號工藝，利用Tanner集成電路設(shè)計軟件進行電路編輯和仿真及驗證，各項參數(shù)仿真結(jié)果基本達到設(shè)計要求。

　　3.1 運算放大器A仿真

　　設(shè)計產(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中運算放大器反相端電壓被鉗位在電阻RW 的上端，又由于運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，所以運算放大器反相端電壓不能完全跟隨輸入電壓。要實現(xiàn)把0~5 V范圍的電壓變?yōu)?~10 mA范圍的電流，實際上是將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、運放反相端電壓和流過負載的電流。

　　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，增益為11，其輸入/輸出曲線如圖7所示。

　　當(dāng)RG→∞時，即放大倍數(shù)為1 時，其共模抑制比為73 dB;當(dāng)RG=200 Ω時，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，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.對整個電路進行瞬態(tài)仿真，輸入信號頻率為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)計方案， 方案中設(shè)計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軟件對電路進行編輯、仿真與驗證，隔離器具有靈敏度高、線性度好及抗干擾能力強等特點能滿足惡劣環(huán)境條件下應(yīng)用的各項指標(biāo)要求。（作者：楊榮文，錢正洪，朱華辰，白茹）