CN113364447A - 一种模拟隔离器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种模拟隔离器，包括发送端模块、隔离模块、接收端模块；发送端模块包含输入buffer、Σ‑Δ调制电路和输出驱动级，调制输入信号生成调制信号，并将调制信号传输至隔离模块；隔离模块一端连接发送端模块，另一端连接接收端模块，作为发送端模块与接收端模块之间唯一信号传输通道，将调制信号传输至接收端模块；接收端模块包含前置放大器、比较器、滤波器以及输出驱动级，用于解调调制信号并提供输出驱动能力，输出信号；调制信号的占空比与输入信号幅值呈线性关系。本发明采用无外接时钟一位数字信号输出的模拟连续时间Σ‑Δ调制，对比传统开关电容结构的Σ‑Δ调制电路，结构简单，降低功耗，降低成本。

Description

一种模拟隔离器
技术领域
本发明属于信号隔离技术领域，具体涉及一种模拟隔离器。
背景技术
隔离器是一种传输信号的器件；在信号隔离技术领域，不同电压域之间信号传输时，需要电隔离，隔离器发送端和接收端的两供电系统相互隔离，可以在保证信号隔离的情况下完成信号安全传输。隔离器又名信号隔离器，是工业控制系统中重要组成部分，主要应用在模拟信号数据采集、隔离传输及供电、工业现场信号隔离传输、仪器仪表与传感器信号的隔离传输等方面。
最原始的隔离传输模拟信号的解决方案是光耦(Optocoupler)，线性光耦的输出电流与输入电流呈正相关；虽然随着技术发展，光耦的速度有一定的发展，但是受器件本身特性限制，精度较低，器件功耗大，而且它的传输特性随着温度以及老化等因素会发生明显变化，有明显需要改进的缺陷。
现在一种比较流行模拟信号传输调制是采用常规的Σ-ΔADC结构，其中带时钟产生电路且在系统中使用开关电容结构。东芝的隔离放大器TLP7820使用Σ-ΔADC将输入模拟信号转换为数字信号，将调制的数字信号传输通过隔离耐压部分，然后在输出端使用高阶开关电容滤波器将其恢复成模拟信号；但一般的Σ-ΔADC结构比较复杂，整体功耗高，其中Σ-ΔADC中核心模块为Σ-Δ调制器，图1所示了一位Σ-Δ调制器的结构，可以看出电路结构用到较多开关，结构复杂，且需要额外的时钟产生电路。
文献[陈铖颖,陈黎明,黄新栋等.基于共源共栅反相器的极低功耗Sigma-Delta调制器设计[J].浙江大学学报(工学版),2018,52(6):1068-1072]提出了一种低功耗Σ-Δ调制器设计方法，具有比较高的精度，但其电路仍采用开关电容结构，较为复杂，带宽受限，且需要额外振荡器等电路面积，成本高。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种模拟隔离器，其采用无外接时钟一位数字信号输出的模拟连续时间Σ-Δ调制，电路结构上构成环形振荡器，电路结构简单，降低电路功耗。
一种模拟隔离器，包括：
发送端模块，其由输入缓冲器、Σ-Δ调制电路以及输出驱动级依次连接组成，用于对输入信号进行调制，生成调制信号并将其传输至隔离模块；
隔离模块，其一侧与发送端模块连接，另一侧与接收端模块连接，作为发送端模块与接收端模块之间唯一信号传输通道，将从发送端模块接收到的调制信号传输至接收端模块；
接收端模块，其由前置放大器、比较器、滤波器以及输出驱动级依次连接组成，用于对调制信号进行解调并提供输出驱动能力，从而输出信号。
进一步地，所述Σ-Δ调制电路基于无外接时钟结构对输入信号采用模拟连续时间Σ-Δ调制后输出一位数字信号，发送端模块的输出驱动级对单端的数字信号进行驱动并将其转换为差分输出的调制信号，减小对后级共模影响，提高系统噪声性能，所述调制信号的占空比与输入信号的幅值变化呈线性关系。
进一步地，所述隔离模块采用串接的电容作为隔离器件且为两路差分传输结构，两路电容的参数相同，在其他应用中可以为单个高耐压电容。
进一步地，所述前置放大器和比较器一起构成调制信号恢复部分，用于恢复经过隔离模块的调制信号。
进一步地，所述Σ-Δ调制电路包括四个电阻R1～R4、电容C1、两个反相器INV1～INV2以及运算放大器U1，其中R1的一端与缓冲器的输出端相连，R1的另一端与R4的一端、C1的一端以及U1的反相输入端相连，U1的正相输入端接基准电压VREF1，U1的输出端与C1的另一端以及R2的一端相连，R2的另一端与R3的一端以及INV1的输入端相连，INV1的输出端与R3的另一端以及INV2的输入端相连，INV2的输出端与R4的另一端相连并生成一位数字信号。
进一步地，所述Σ-Δ调制电路无外接时钟，利用环形振荡器结构自激振荡产生时钟，同时使用反相器INV2作为量化器，运算放大器U1以及反相器INV1～INV2即构成了环形振荡器结构；整个调制电路中不包含需要外加振荡器的开关电容结构，电路中也就没有离散信号，整个Σ-Δ调制为连续时间的Σ-Δ调制。
进一步地，所述滤波器采用两阶低通巴特沃斯滤波器，包括四个电阻R5～R8、两个电容C2～C3以及运算放大器U2，其中R5的一端接比较器的输出端，R5的另一端与R6的一端以及C3的一端相连，R6的另一端与C2的一端以及U2的正相输入端相连，C2的另一端接地，R7的一端接基准电压VREF2，R7的另一端与R8的一端以及U2的反相输入端相连，U2的输出端与R8的另一端以及C3的另一端相连并作为滤波器的输出端。
本发明相较于常规Σ-ΔADC电路在保证一定信号传输精度的情况下，电路结构简单，功耗低，在保证一定精度的前提下节约了成本，且有源滤波器所用运放与Σ-Δ调制模块所用积分运放相同，可以有效提高精度，便于设计，有效缩短设计周期。
附图说明
图1为传统一位Σ-Δ调制器的结构示意图。
图2为本发明模拟隔离器的结构示意图。
图3为本发明Σ-Δ调制电路的结构示意图。
图4为本发明调制信号随输入信号幅值变化示意图。
图5为本发明两阶低通巴特沃斯滤波器的结构示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图2所示，本发明模拟隔离器包括发送端模块、隔离部分以及接收端模块，其中发送端模块与隔离部分相连，包含输入buffer、Σ-Δ调制模块和输出驱动级；隔离部分一端与发送端模块相连，另一端连接接收端模块，作为发送端模块与接收端模块之间唯一信号传输通道，将从发送端模块接收到的调制信号传输至接收端模块；接收端模块与隔离部分相连，接收端模块包括前置放大器、比较器、滤波器、接收端输出驱动级。
发送端模块的具体连接方式如图2所示，输入buffer的输入端为模拟隔离器的输入端，输出端与Σ-Δ调制模块输入端相连，输入信号从输入buffer输入，经输入buffer进入Σ-Δ调制模块进行调制，输入buffer的作用是隔离外部电路与Σ-Δ调制模块，避免调制的高频信号耦合到外部电路；发送端输出驱动级输入端连接Σ-Δ调制模块输出端，且为差分输出，用于将单端输入信号转为差分输出，减小对后级共模影响，提高系统噪声性能。
接收端模块用于解调调制信号，并提供输出驱动能力，输出信号，其具体连接方式如图2所示，其中前置放大器的输入端与隔离部分相连，比较器输入端与前置放大器输出端相连，前置放大器与比较器一起构成调制信号恢复部分；滤波器输入端与比较器输出端相连，接收端输出驱动级输入端连接在滤波器的输出端，接收端输出驱动级输出端为模拟隔离器的输出端。
如图2所示，隔离部分为隔离电容，在集成电路应用中，考虑耐压问题可以为相互串联的第一隔离电容和第二隔离电容，第一隔离电容和第二隔离电容的电容参数相同，隔离部分采用差分传输的方式，减小噪声及共模变化影响。
在本实施方式中，Σ-Δ调制模块采用无外接时钟一位数字信号输出的模拟连续时间Σ-Δ调制，其结构如图3所示，Σ-Δ调制模块7包含积分电阻R1、积分电容C1、积分运放3、第一放大电阻R2、第二放大电阻R3、放大反相器4、量化反相器5、第一反馈电阻R4；积分运放3的反相输入端通过积分电阻R1连接到Σ-Δ调制模块输入端1与输入buffer输出端相连，通过积分电容C1与积分运放3输出端相连，通过第一反馈电阻R4与Σ-Δ调制模块输出端6相连；积分运放3的正相输入端与第一基准电压2(VREF1)相连；放大反相器4输入端通过第一放大电阻R2与积分运放3的输出端相连，通过第二放大电阻R3与放大反相器4输出端相连；量化反相器5输入端与放大反相器4输出端相连，与第一反馈电阻R4连接的输出端作为Σ-Δ调制模块的输出端6。
在本实施例中，积分运放3、放大反相器4、量化反相器5构成环路振荡器结构，因为反相器引入的延时很小，环路振荡器的频率主要由积分运放3的速度决定，积分运放3可以根据需求自由设计。经典的Σ-Δ调制包含积分器、量化器及DAC，本实施例中的量化反相器5作为一位量化器，第一反馈电阻R4作为一位DAC，整个系统构成Σ-Δ调制。整个调制模块中，不包含需要外加振荡器的开关电容结构，没有开关电容的采样结构，电路中没有离散信号，整体为连续时间Σ-Δ调制。
调制信号波形如图4所示，调制信号的占空比随模拟隔离器的输入信号幅值的变化而变化；调制信号虽然为高频不同占空比的方波信号，但其平均值仍与输入信号幅值有关，其信号平均值与输入信号的关系可以利用图3中个结构得出其关系式如下(均考虑各点信号平均值进行计算)：
Figure BDA0003143171190000051
式中：V1、V6分别表示图3中输入端1信号的平均值和输出端6信号的平均值；合理选择Σ-Δ调制模块中各参数的值，可以得到合适的转换比例。
在实际电路中，电压VREF1由带隙基准(BG，Bandgap Reference)乘以比例系数生成，而电路中电阻虽工艺中难做精准，但其比例在实际工艺中可以做到很精准，所以传递函数的表达式只与BG电压相关；而BG电压基本不随温度等外部因素变化而变化，所以系统的传递函数也基本不随外部因素变化而变化，因此与传统光耦相比，具有很大的优点。
本实施例中接收端经前置放大器和比较器恢复后，经过隔离电容的调制信号恢复为不同占空比的方波信号，因Σ-Δ调制的特点，信频域上看信号能量在其输入频率，而其他噪声等被搬移到高频，仅需滤波器便可还原出输入信号；本实施例中以两阶低通巴特沃斯滤波器作为所用的低通滤波器。
在本实施方式中，两阶低通巴特沃斯滤波器结构如图5所示，两阶低通巴特沃斯滤波器12包括滤波运放10、第一滤波电阻R5、第二滤波电阻R6、第二反馈电阻R7、第三反馈电阻R8、滤波电容C2、反馈电容C3；滤波运放10的反相输入端通过第二反馈电阻R7连接到第二基准电压9(VREF2)，通过第三反馈电阻R8连接到滤波运放10的输出端；滤波运放的正相输入端通过第二滤波电阻R6和第一滤波电阻R5连接到滤波器的输入端8，与比较器输出端相连，并且通过滤波电容C2连接到地；反馈电容C3一端连接在滤波运放10的输出并作为滤波器的输出端11，另一端连接在第一滤波电阻R5和第二滤波电阻R6之间。
滤波器的带宽
Figure BDA0003143171190000061
选择合适的参数，使输入信号带宽在低通滤波器的通带范围内，可将高频载波信号及噪声信号滤除，保留低频输入信号。滤波器所用滤波运放10可以与Σ-Δ调制模块所用积分运放3相同，可以有效提高精度，便于设计，有效缩短设计周期。
综上可见，本发明使用了一种新型而简单的模拟隔离器结构，无需复杂Σ-ΔADC结构，采用无外接时钟一位数字信号输出的模拟连续时间Σ-Δ调制，结构简单，大幅降低电路功耗，节约芯片设计成本，设计周期短。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种模拟隔离器，其特征在于，包括：
发送端模块，其由输入缓冲器、Σ-Δ调制电路以及输出驱动级依次连接组成，用于对输入信号进行调制，生成调制信号并将其传输至隔离模块；
隔离模块，其一侧与发送端模块连接，另一侧与接收端模块连接，作为发送端模块与接收端模块之间唯一信号传输通道，将从发送端模块接收到的调制信号传输至接收端模块；
接收端模块，其由前置放大器、比较器、滤波器以及输出驱动级依次连接组成，用于对调制信号进行解调并提供输出驱动能力，从而输出信号。
2.根据权利要求1所述的模拟隔离器，其特征在于：所述Σ-Δ调制电路基于无外接时钟结构对输入信号采用模拟连续时间Σ-Δ调制后输出一位数字信号，发送端模块的输出驱动级对单端的数字信号进行驱动并将其转换为差分输出的调制信号，减小对后级共模影响，提高系统噪声性能，所述调制信号的占空比与输入信号的幅值变化呈线性关系。
3.根据权利要求1所述的模拟隔离器，其特征在于：所述隔离模块采用串接的电容作为隔离器件且为两路差分传输结构，两路电容的参数相同。
4.根据权利要求1所述的模拟隔离器，其特征在于：所述前置放大器和比较器一起构成调制信号恢复部分，用于恢复经过隔离模块的调制信号。
5.根据权利要求1所述的模拟隔离器，其特征在于：所述Σ-Δ调制电路包括四个电阻R1～R4、电容C1、两个反相器INV1～INV2以及运算放大器U1，其中R1的一端与缓冲器的输出端相连，R1的另一端与R4的一端、C1的一端以及U1的反相输入端相连，U1的正相输入端接基准电压VREF1，U1的输出端与C1的另一端以及R2的一端相连，R2的另一端与R3的一端以及INV1的输入端相连，INV1的输出端与R3的另一端以及INV2的输入端相连，INV2的输出端与R4的另一端相连并生成一位数字信号。
6.根据权利要求5所述的模拟隔离器，其特征在于：所述Σ-Δ调制电路无外接时钟，利用环形振荡器结构自激振荡产生时钟，同时使用反相器INV2作为量化器，运算放大器U1以及反相器INV1～INV2即构成了环形振荡器结构；整个调制电路中不包含需要外加振荡器的开关电容结构，电路中也就没有离散信号，整个Σ-Δ调制为连续时间的Σ-Δ调制。
7.根据权利要求1所述的模拟隔离器，其特征在于：所述滤波器采用两阶低通巴特沃斯滤波器，包括四个电阻R5～R8、两个电容C2～C3以及运算放大器U2，其中R5的一端接比较器的输出端，R5的另一端与R6的一端以及C3的一端相连，R6的另一端与C2的一端以及U2的正相输入端相连，C2的另一端接地，R7的一端接基准电压VREF2，R7的另一端与R8的一端以及U2的反相输入端相连，U2的输出端与R8的另一端以及C3的另一端相连并作为滤波器的输出端。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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