一種自旋閥GMR隔離放大器的設計方案

在工業(yè)控制、高壓測量及醫療設備等應用中，出于安全性的考慮，有必要在信號傳輸的過(guò)程中引入電氣隔離，以達到減小各設備地線(xiàn)之間電氣特性的相互影響及干擾噪聲的目的。根據所需傳輸信號的類(lèi)型，可將隔離器分為模擬信號隔離器和數字信號隔離器[1].其中，數字信號隔離器具有抗干擾能力強、結構簡(jiǎn)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(lái)隔離隨時(shí)間連續變化的模擬信號。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據采集系統之間的隔離。

在隔離器外圍設計相應的放大電路，就構成了隔離放大器。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(lèi)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,它們都需要外加調制解調電路模塊，使其結構變得復雜，而光電隔離放大器線(xiàn)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(xiàn)圈產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現隔離耦合，但只應用于數字信號隔離領(lǐng)域。國內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(xiàn)性度好及結構簡(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)效應的一種隔離器，所謂的巨磁阻效應，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)存在巨大變化的現象[3].如圖1所示，輸入電壓信號經(jīng)過(guò)隔離器前端V/I 放大及轉換電路，輸出的電流流過(guò)線(xiàn)圈產(chǎn)生與電流大小成正比的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)被GMR傳感器感應接收，電橋將輸出與磁場(chǎng)強度成線(xiàn)性的電壓信號，最后通過(guò)接收電路進(jìn)行放大與噪聲抑制，提供給后續電路處理。信號在整個(gè)隔離與傳輸的過(guò)程中，始終保持著(zhù)完整的線(xiàn)性。

在圖1 的GMR 隔離器結構中，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、較低的飽和場(chǎng)、較高的靈敏度及較好的線(xiàn)性度[4];隔離柵為數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(xiàn)圈，其電流方向相反的兩個(gè)部分分別正對應下方電橋的兩對角位上的巨磁電阻，線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)透過(guò)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))[5].

根據以往經(jīng)驗線(xiàn)圈的設計尺寸，線(xiàn)圈效率(即穿過(guò)隔離柵在GMR電橋上產(chǎn)生的磁場(chǎng)強度與流過(guò)輸入線(xiàn)圈的電流比值[7])為1.7 Oe/mA.當流過(guò)線(xiàn)圈的電流為-10~10 mA 時(shí)，電橋輸出電壓的線(xiàn)性誤差小于0.05%,靈敏度達到[7]1.27 mV/V·mA.

2 電路設計與分析

圖1中自旋閥GMR隔離放大器整體結構包括輸入級、隔離級和輸出級三部分。本文主要設計的是輸入級的V/I 轉換電路和輸出級后端接收電路，并對各電路進(jìn)行各種參數仿真及驗證。

2.1 V/I 轉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(xiàn)圈之前，需要對其進(jìn)行放大和V/I 轉換，其轉換電路如圖2所示。它是將輸入的電壓信號轉換成滿(mǎn)足一定關(guān)系的電流信號，在一定的負載變化范圍內輸出電流能夠保持穩定(與負載無(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(xiàn)性度，本電路將輸入幅值為0~5 V 的電壓信號轉換為0~10 mA 的電流信號。設放大器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)負載RL 的電流為Io,根據晶體管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(wú)關(guān)，因此，當輸入不同頻率的的信號時(shí)，輸出電流不會(huì )因為線(xiàn)圈阻抗的變化而發(fā)生改變，在保證信號傳輸線(xiàn)性度的同時(shí)，也為后端接收電路恢復原信號的設計提供了條件。

滿(mǎn)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(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，本運算放大器采用的是簡(jiǎn)單兩級放大電路，如圖3所示。

簡(jiǎn)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。