一種自旋閥GMR隔離放大器的設(shè)計(jì)方案

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(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)過反復(fù)的仿真與調(diào)試，得到運(yùn)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(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(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。