CN211908751U - 基于磁场耦合的隔离放大器结构 - Google Patents

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黄海滨
马辉
蒋赛尖
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Hangzhou Sitai Microelectronics Co ltd
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Abstract

本实用新型涉及隔离放大器技术领域，具体为一种基于磁场耦合的隔离放大器结构，其能够实现发送端、接收端、耦合器件集成于一个芯片，其包括发送端模块、接收端模块和耦合器件，其特征在于，所述发送端模块包括顺次连接的前置放大器/滤波器、脉冲宽度调制器、电流源开关组，所述接收端模块包括顺次连接的放大整形电路和低通滤波器，所述耦合器件包括线圈和磁传感器，所述线圈和磁传感器之间设置有绝缘层。

Description

基于磁场耦合的隔离放大器结构
技术领域
本实用新型涉及隔离放大器技术领域，具体为一种基于磁场耦合的隔离放大器结构。
背景技术
在芯片应用领域，经常会出现需要芯片进行两个电压域之间的信号传输，这种传输必须在不同的供电系统中进行，所以被称为隔离放大器。
传统的隔离放大器如图 1所示，在发送端101和接收端102之间采用有别于普通耦合方式的传输途径，通常会采用光耦合103、电场耦合104等方式进行。但这些耦合方式都存在不同程度的问题：如：无法在普通芯片上集成（光耦合）、耦合器件面积较大（电场耦合）等。
实用新型内容
为了解决现有隔离放大器内耦合集成困难的问题，本实用新型提供了一种基于磁场耦合的隔离放大器结构，其能够实现发送端、接收端、耦合器件集成于一个芯片。
其技术方案是这样的：一种基于磁场耦合的隔离放大器结构，其包括发送端模块、接收端模块和耦合器件，其特征在于，所述发送端模块包括顺次连接的前置放大器/滤波器、脉冲宽度调制器、电流源开关组，所述接收端模块包括顺次连接的放大整形电路和低通滤波器，所述耦合器件包括线圈和磁传感器，所述线圈和磁传感器之间设置有绝缘层。
其进一步特征在于，所述电流源开关组包括电流源和四个开关，所述电流源一端连接电源、另一端通过其中两个所述开关分别连接所述线圈两端，所述线圈两端还分别通过剩余的两个所述开关接地；
所述耦合器件包括两个对称布置的所述线圈和两个对称布置的磁传感器，两个所述线圈一端相连，一个所述磁传感器与一个所述线圈之间设置有所述绝缘层。
采用本实用新型后，发送端模块、接收端模块和耦合器件结构简单，线圈和磁传感器之间设置有绝缘层实现电隔离，能够方便的集成于同一个芯片。
附图说明
图1为现有隔离放大器原理图；
图2为本实用新型原理图；
图3为磁耦合器件原理图；
图4为电流源开关组与线圈连接原理图；
图5为两个线圈连接原理图；
图6为展示的霍尔器件外形。
具体实施方式
见图2所示，种基于磁场耦合的隔离放大器结构，其包括发送端模块210、接收端模块211和耦合器件，发送端模块210包括顺次连接的前置放大器/滤波器201、脉冲宽度调制器202、电流源开关组203，接收端模块211包括顺次连接的放大整形电路204和低通滤波器205，耦合器件包括线圈207和磁传感器208。
传输的信号212经过前置放大器/滤波器201后进入脉冲宽度调制器202，模拟信号被调制成脉冲宽度代表信号幅度的高频脉冲宽度调制离散信号206。该信号通过电流源开关组203，将电压信号转换为电流形式的信号；该电流流经特定形状的线圈207，形成对应的磁场信号；上述模块完成了待传输信号向磁场信号的转换，同时这部分归属于同一套电源供电（同一电压域）。这部分可以被称为发送端模块210；
通常，上文中所指“特定形状的线圈207”是根据不同的霍尔器件的形状而确定。如：图6中展示的霍尔器件外形分别为正方形、六边形和八边形时，响应的线圈形状。
在另外一套电源供电的电路结构中，通过芯片上集成的磁传感器208，如霍尔器件，将发送端生成的磁场信号转换为电信号，该电信号经过放大整形电路放大和整形之后恢复为脉冲宽度调制信号，该信号经过低通滤波器205滤除不必要的高频信号，最终还原出低频的待传输信号213，并输出到芯片管脚。该部分可以被称之为接收端模块211。
现有技术中待传输模拟信号可以直接由磁场耦合到接收端，但是由于磁场耦合及相关电路处理均容易受到外界信号干扰（磁干扰及电信号噪声干扰），所以本实用新型采用脉冲宽度调制器202将模拟信号调制为高频离散特性的脉冲宽度调制信号206，以便于进行磁耦合及抗外部干扰信号。
见图3所示，耦合器件包括线圈301，磁传感器302。左边为俯视图，右边为芯片结构的剖面图，从中可以看出，由于线圈301与磁传感器302（如：霍尔器件）之间存在绝缘层303，所以以上两块不同电源供电的电路结构（即发送端模块210和接收端模块211）之间实现了电隔离。
见图4所示，由于线圈301中流过的电流不可能很大，所以其产生的磁场相对较为微弱，为了能够提供更容易检测的磁场，电流源开关组包括电流源和四个开关，电流源一端连接电源、另一端通过其中两个开关分别连接线圈两端，线圈两端还分别通过剩余的两个开关接地，电流源401产生的电流分别通过4个不同的开关导入线圈402。这种配置可以看出，当开关控制信号分别为高（“1”）、低（“0”）的时候，线圈401中通过的电流信号大小相等、方向相反，从而可以产生方向完全相反的磁场，更加容易被接收端检测。
为了保持较低的成本，通常芯片会采用无磁隔离的普通封装，这就导致片上的磁传感器会被芯片外部的磁场所干扰，产生与待传输信号完全无关的信号。为了降低这种干扰，本实用新型采用如图5所示的两个磁传感器结构502、503，它们尽量以工艺允许的最小间距摆放，并且将磁传感器结构502、503所产生的感应电压由后续电路做相减的处理。
由于线圈绕线方式的不同，其电流在两个磁传感器上分别产生方向相反的磁场，其磁场强度信号用HS502和HS503表示，由于在芯片中进行相减处理，可以得出由同一个电流在两个磁传感器位置产生的磁场强度信号被处理后为：
Ys = HS502 – HS503 （1）
因为两个传感器大小相同，上面的线圈几何结构相同，但环绕方向相反，可以认为线圈上电流在两个传感器位置形成的磁场强度相同，方向相反：
HS502 = - HS503 = HS （2）
综合式（1）、（2）可以得到：
YS = 2 * HS （3）
可以看到待传输信号通过这种结构得到了增强。
而外部磁场的干扰信号可以用HN502、HN503表示，由于两个磁传感器距离非常近（几十个微米），所以可以认为外部磁场干扰在两个磁传感器位置的磁场强度相同，方向也相同，由于芯片将感应电压相减，则外部磁场的干扰信号：
YN = HN502 - HN503 = 0 (5)
由式（5）可以看出，通过以上配置，可以较为完美的去除外部磁场对于芯片上磁耦合的干扰，从而可以获得更好的信号耦合特性；
上述两个磁传感器形成差分配置的方法也可以扩展为多个磁传感器，消除外部磁场干扰的效果更好，当然相应的处理电路也更加复杂。

Claims (3)

1.一种基于磁场耦合的隔离放大器结构，其包括发送端模块、接收端模块和耦合器件，其特征在于，所述发送端模块包括顺次连接的前置放大器/滤波器、脉冲宽度调制器、电流源开关组，所述接收端模块包括顺次连接的放大整形电路和低通滤波器，所述耦合器件包括线圈和磁传感器，所述线圈和磁传感器之间设置有绝缘层。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁场耦合的隔离放大器结构，其特征在于，所述电流源开关组包括电流源和四个开关，所述电流源一端连接电源、另一端通过其中两个所述开关分别连接所述线圈两端，所述线圈两端还分别通过剩余的两个所述开关接地。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁场耦合的隔离放大器结构，其特征在于，所述耦合器件包括两个对称布置的所述线圈和两个对称布置的磁传感器，两个所述线圈一端相连，一个所述磁传感器与一个所述线圈之间设置有所述绝缘层。
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