一种自旋阀GMR隔离放大器的设计方案

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 0.5μm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10μA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355Ω，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200Ω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=200Ω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。