一种自旋阀GMR隔离放大器的设计方案.doc
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1、一种自旋阀GMR隔离放大器的设计方案摘要:为了解决传统光电隔离、电容隔离和变压器隔离存在的线性度及频率特性等问题,本文提出了一种自旋阀巨磁阻(GMR)隔离放大器的设计方案,本方案所设计的隔离器前端电路可将05 V的输入电压转换为1.410 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1200,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、线性度好及结构简单等特点,且可以与硅等半导体电路集成。0 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
2、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A
3、D202,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
4、之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。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;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 0006 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
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