基于巨磁阻效应实现的隔离放大器的应用设计

引言

在工业控制、高压测量及医疗设备等应用中，出于安全性的考虑，有必要在信号传输的过程中引入电气隔离，以达到减小各设备地线之间电气特性的相互影响及干扰噪声的目的。根据所需传输信号的类型，可将隔离器分为模拟信号隔离器和数字信号隔离器。其中，数字信号隔离器具有抗干扰能力强、结构简单及功耗低等特点，用做二进制信号或逻辑电平信号的隔离。模拟信号隔离器是用来隔离随时间连续变化的模拟信号。一般地，传感器的输出几乎都是微弱的模拟信号，因此，在模拟信号隔离之前要先对其进行放大。隔离放大器是一种高共模抑制比的低噪声放大电路，其比较适用于输入模拟信号与数据采集系统之间的隔离。

在隔离器外围设计相应的放大电路，就构成了隔离放大器。常见的隔离放大器有变压器隔离、电容隔离和光电隔离三种类型。其中，变压器隔离放大器有如美国ADI 公司的AD202,电容隔离放大器如BURR BROWN公司的ISO122,它们都需要外加调制解调电路模块，使其结构变得复杂，而光电隔离放大器线性度较差及传输速率较低。

美国NVE 公司在1998 年最先推出单片式GMR 隔离器,采用的是线圈产生磁场来实现隔离耦合，但只应用于数字信号隔离领域。国内GMR技术发展还处于起步时期，基于GMR技术的隔离器研究尚未成熟。在此，本文设计了一种自旋阀GMR 隔离放大器，适用于微弱的模拟信号隔离，具有灵敏度高、线性度好及结构简单等特点。

1 巨磁阻隔离放大器基本原理

巨磁阻隔离器是基于巨磁阻（GMR）效应的一种隔离器，所谓的巨磁阻效应，即指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象[3].如图1所示，输入电压信号经过隔离器前端V/I 放大及转换电路，输出的电流流过线圈产生与电流大小成正比的磁场，磁场被GMR传感器感应接收，电桥将输出与磁场强度成线性的电压信号，最后通过接收电路进行放大与噪声抑制，提供给后续电路处理。信号在整个隔离与传输的过程中，始终保持着完整的线性。

在图1 的GMR 隔离器结构中，位于底端的惠斯通电桥采用的是自旋阀GMR传感器，它具有较大的GMR效应、较低的饱和场、较高的灵敏度及较好的线性度[4];隔离栅为数十微米厚的聚合物或氮化硅高绝缘介电薄膜，可耐压3 000~6 000 V;处在隔离栅上面的螺旋矩形平面线圈，其电流方向相反的两个部分分别正对应下方电桥的两对角位上的巨磁电阻，线圈产生的磁场透过隔离栅，改变两对角位上的电阻的电阻态，使一个对角位上的两电阻同时为高阻态（低阻态），而另一个对角位上的两电阻同时为低阻态（高阻态）[5].

根据以往经验线圈的设计尺寸，线圈效率（即穿过隔离栅在GMR电桥上产生的磁场强度与流过输入线圈的电流比值[7]）为1.7 Oe/mA.当流过线圈的电流为-10~10 mA 时，电桥输出电压的线性误差小于0.05%,灵敏度达到[7]1.27 mV/V·mA.

2 电路设计与分析

图1中自旋阀GMR隔离放大器整体结构包括输入级、隔离级和输出级三部分。本文主要设计的是输入级的V/I 转换电路和输出级后端接收电路，并对各电路进行各种参数仿真及验证。

2.1 V/I 转换放大电路由于传感器输出的大多是微弱的模拟电压信号，因此在输入隔离器线圈之前，需要对其进行放大和V/I 转换，其转换电路如图2所示。它是将输入的电压信号转换成满足一定关系的电流信号，在一定的负载变化范围内输出电流能够保持稳定（与负载无关），即具有恒流源特性。

为了降低功耗和保证输出良好的线性度，本电路将输入幅值为0~5 V 的电压信号转换为0~10 mA 的电流信号。设放大器A的同相端电压为V+,反相端电压为V-,晶体管Q1的基极电流为Ib,流过负载RL 的电流为Io,根据晶体管Q1三端电流关系得到：

式中VCM为输入偏置电压。从式（4）中可以看出，输出电流仅与输入电压和电阻RW 有关，与负载RL 无关，因此，当输入不同频率的的信号时，输出电流不会因为线圈阻抗的变化而发生改变，在保证信号传输线性度的同时，也为后端接收电路恢复原信号的设计提供了条件。

满足式（3）的前提条件是A 必须为理想运算放大器，即要求其具有无穷大的开环增益、高输入阻抗、低输出电阻及高共模抑制比等，本运算放大器采用的是简单两级放大电路，如图3所示。

简单两级运算放大器输入共模范围和输出摆幅大及增益高，但频率特性差、增益带宽小和速度慢。给出一定偏置电流，在功耗的要求范围内按照最优比例分配两级之间的电流，合理设计每个管子的尺寸，得到设计要求的增益、单位增益带宽及相位裕度等指标参数。

2.2 接收放大电路

由于V/I 转换电路中运算放大器因为负反馈作用，使得同相端和反相端的输入电阻不相等或不匹配，导致电路的共模抑制能力很差。为了有效抑制前端电路输出的共模信号，并实现对隔离器输出信号进行放大，仪表放大器是最佳选择。它是一种经过优化处理的精密差分电压放大电路，常用在恶劣环境条件下的数据采集系统中。其主要特点有：共模抑制比高、线性误差低、输入阻抗高、噪声低及稳定性好等特点。它与一般运算放大器不同的是，运算放大器闭环增益是由其反相输入端和输出端之间连接的外部电阻决定，而仪表放大器则是由与输入端隔离的内部反馈电阻决定，根据这个特点，本文设计了一种放大倍数可调节的仪表放大器，如图4所示。

为了提高匹配性，图4中三个运算放大器采用前端V/I 转换电路中的运放A 来设计，其中A1和A2均为同相端输入，其具有输入阻抗高且完全匹配，由运放的特性得两运放的输出电压差：

由式（6）可知，只要确定R,R3 和R4 的值，就可以通过调节RG 的阻值来改变电压增益。但是，R3 和R5 与R4和R6尽可能要做到严格的相等和匹配，否则会影响共模抑制比，降低仪表放大器的抗干扰能力。

3 电路仿真及结果分析

本电路的设计是基于CSMC 0.5 μm混合信号工艺，利用Tanner集成电路设计软件进行电路编辑和仿真及验证，各项参数仿真结果基本达到设计要求。

3.1 运算放大器A仿真

设计产生10 μA 电流的偏置电路，在电源电压为5 V条件下，经过反复的仿真与调试，得到运算放大器开环频率响应特性曲线如图5所示。其开环增益87.6 dB,单位增益带宽50 MHz,相位裕度62°，功耗0.945 mW.

3.2 电压电流转换电路仿真

由式（4）可知，V/I 转换电路输出电流与输入电压成正比，与电阻RW成反比。图2中运算放大器反相端电压被钳位在电阻RW 的上端，又由于运算放大器输出摆幅为1.3~4.7 V,晶体管Q1 的基极-射极电压为0.75 V,所以运算放大器反相端电压不能完全跟随输入电压。要实现把0~5 V范围的电压变为0~10 mA范围的电流，实际上是将0.55~3.9 V 的电压转变为1.4~10 mA 的电流。

经过仿真调试，确定电阻RW 为355 Ω，其电压电流转换特性曲线如图6 所示，其中（a）~（c）分别为输入电压、运放反相端电压和流过负载的电流。

3.3 仪表放大器仿真

由式（6）看出，若R3=R4,R 为一确定值，那么仪表放大器的输出电压就只与反馈电阻RG有关，因此，合理调节RG阻值大小，就能改变电压放大倍数。在这里，取R=19.9 kΩ，R3=R4=100 kΩ，Vref=2.5 V,电阻RG 的调节范围为200 Ω至无穷大，因此输出电压增益范围为1~200 倍，当RG=3.98 kΩ时，增益为11,其输入/输出曲线如图7所示。

当RG→∞时，即放大倍数为1 时，其共模抑制比为73 dB;当RG=200 Ω时，放大倍数为200,其共模抑制比为118 dB.

3.4 整体仿真

由图7 可知，当流过线圈的扫描电流为-10~10 mA 时，电桥上的输出电压随电流变化成直线关系，但有约2 mV的失调电压，电桥输出电压与流过线圈中的电流的线性比例系数大约为3.8（V/A）。根据隔离器的电压电流的线性关系，本文利用Tanner软件中的CCVS_H_Element Spice 单元，通过设置输入控制命令Vctrl和输出电压与控制电流的线性比例系数K 值，便可以模拟得到满足要求的自旋阀GMR隔离器。这里将Vctrl控制端口名设置为图2中的Vcc（此Vcc 不能与总电源电压命名相同），比例系数K 设为3.8,CCVS_H_Ele-ment的两输出端接到仪表放大器两输入端，设定仪表放大器的放大倍数为50.对整个电路进行瞬态仿真，输入信号频率为100 kHz,其仿真波形如图8 和图9 所示。由于图2中电阻RW的限幅作用，波形有失真现象。

4 结语

本文所介绍的一种自旋阀GMR隔离放大器的设计方案， 方案中设计的隔离器前端电路可将0~5 V的输入电压转换为1.4~10 mA电流，后端接收电路在增益为1时的共模抑制比为73 dB,增益可调节范围为1~200,工作带宽大于100 kHz, 并采用Tanner软件对电路进行编辑、仿真与验证，隔离器具有灵敏度高、线性度好及抗干扰能力强等特点能满足恶劣环境条件下应用的各项指标要求。（作者：杨荣文，钱正洪，朱华辰，白茹）