CN220693111U - 一种毫米波隔离放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种毫米波隔离放大器，包括第一被隔离电路、第二被隔离电路和毫米波传输电路；第一被隔离电路包括依次连接在第一被隔离电路设置模拟信号输入接口与毫米波发射模块的输入端连接之间的求和器模块、积分器模块、第一开关电路、比较器模块；第二被隔离电路包括依次连接在毫米波接收模块的输出端与第二被隔离电路的模拟信号输出接口之间的第二开关电路、低通滤波器模块以及运算放大器模块。通过本实用新型，突破传统数字隔离器对信号带宽限制的同时实现了信号的超高还原度，增加了其隔离耐压能力并降低信号延时。

Description

一种毫米波隔离放大器

技术领域

本实用新型涉及集成电路设计技术领域，尤其涉及一种毫米波隔离放大器。

背景技术

隔离放大器(Isolation Amplifier)，用于将输入信号隔离地传输到输出端，同时提供放大功能，主要作用是在不共享地接地的两个电路之间提供电气隔离，以防止信号的相互干扰和保护系统的电气安全。

现有的隔离放大器，通常由输入侧和输出侧的电感器、光耦合器、变压器或电容器等组成。输入端将电源和地线与输出端隔离开，使输入信号与输出信号之间无直接的电气连接，从而实现电气隔离。现有的隔离放大器一般采用PWM调试，将模拟信号转换成PWM信号，并通过数字隔离器将信号传递到另一侧，然后采用低通滤波器将PWM信号恢复为模拟信号，并进行放大操作。

但是，现有隔离放大器具有如下技术缺陷：

(1)电路复杂性，需要同时使用PWM调制电路、数字隔离器、低通滤波器和放大器等组件，使电路复杂化；特别是在轨对轨的PWM调制上，实现高精度的三角波可能会面临许多技术挑战，如温度稳定性、线性度和功耗等问题；

(2)PWM信号失真：实现轨对轨的PWM信号较为困难，电压的限制可能导致PWM信号的失真，从而影响到恢复的模拟信号的精确性和准确性；

(3)数字隔离器带宽限制：现有的容耦或磁耦数字隔离器的传输速率一般较低，不能实现高速的数据传输，这将限制PWM调制和恢复的精度和信号的带宽。传输速率低可能导致信号延迟和数据丢失的风险。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种毫米波隔离放大器，提高隔离放大器的耐压能力和降低信号失真率。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：一种毫米波隔离放大器，包括第一被隔离电路和第二被隔离电路，还包括毫米波传输电路；所述第一被隔离电路、第二被隔离电路和毫米波传输电路集成在同一块芯片上；所述第一被隔离电路的输出端与所述毫米波传输电路的输入端连接，所述毫米波传输电路的输出端与所述第二被隔离电路的输入端连接；其中，所述毫米波传输电路包括毫米波发射模块和毫米波接收模块；所述第一被隔离电路的输出端与所述毫米波发射模块的输入端连接，所述毫米波接收模块的输出端与所述第二被隔离电路的输入端连接；所述毫米波发射模块与所述毫米波接收模块之间设置隔离带；所述第一被隔离电路包括：求和器模块、积分器模块、第一开关电路、比较器模块；所述求和器模块的第一输入端与所述第一被隔离电路设置的模拟信号输入接口连接，第二输入端与所述第一开关电路的输出端连接，输出端与所述积分器模块的输入端连接；所述积分器模块的输出端与所述比较器模块的非反向输入端连接，所述比较器模块的反向输入端接地，所述比较器模块的输出端与所述毫米波发射模块的输入端连接；所述第一开关电路的输入端连接在所述比较器模块的输出端与所述毫米波发射模块的输入端之间；所述第二被隔离电路包括：第二开关电路、低通滤波器模块以及运算放大器模块；所述第二开关电路的输入端与所述毫米波接收模块的输出端连接，所述第二开关电路的输出端与所述低通滤波器模块的输入端连接，所述低通滤波器模块的输出端与所述运算放大器模块连接，所述运算放大器的输出端与所述第二被隔离电路的模拟信号输出接口连接。

其中，所述第一开关电路还包括第一导通端子、第二导通端子；其中，所述第一导通端子连接第一正向参考电压；所述第二导通端子连接第一负向参考电压。

其中，所述第二开关电路还包括第三导通端子、第四导通端子；其中，所述第三导通端子连接第二正向参考电压；所述第四导通端子连接第二负向参考电压。

其中，所述毫米波发射模块包括：毫米波发射电路和发射天线；所述毫米波接收模块包括：毫米波接收电路和接收天线；所述比较器模块与所述毫米波发射电路的输入端连接，所述毫米波发射电路的输出端与所述发射天线连接；所述接收天线与所述毫米波接收电路的输入端连接，所述毫米波接收电路的输出端与所述第二开关电路的输入端连接。

其中，所述毫米波传输电路为毫米波传输芯片。

本实用新型的有益效果在于：在第一被隔离电路与第二被隔离电路之间设置毫米波传输电路以经由毫米波传输电路进行通信，通过毫米波传输电路的隔离度保证了第一被隔离电路与第二被隔离电路之间的安全距离要求，并且隔离层厚度可以达到厘米级，降低了隔离两侧的寄生电容；进一步地，结合了Sigma-Delta调制器和毫米波信号隔离，目前毫米波通讯可以实现最高10Gbps的通讯速率，信号延迟在3nS以内，信号抖动方面更是可以控制在pS级别，可以实现超高速率的Sigma-Delta信号调制，从而在突破传统数字隔离器对信号带宽限制的同时实现了信号的超高还原度；另外通过控制功率，毫米波可以轻松实现厘米级的通讯距离，大大增加了其隔离耐压能力；所述毫米波隔离放大器在信号带宽，信号延时，信号失真率和隔离耐压能力方面均优于现有的隔离放大器。

附图说明

图1为本实用新型实施方式中的一种毫米波隔离放大器的电路结构示意图；

图2为本实用新型实施方式中的一种毫米波隔离放大器中毫米波传输模块的第一种电路的结构示意图；

图3为本实用新型实施方式中的一种毫米波隔离放大器中毫米传输模块的第二种电路的结构示意图。

附图标号说明：

毫米波隔离放大器 10

第一被隔离电路 20

求和器模块 21

积分器模块 22

第一开关电路 23

比较器模块 24

第二被隔离电路 30

第二开关电路 31

低通滤波器模块 32

运算放大器模块 33

毫米波传输电路 40

毫米波发射模块 41

毫米波发射电路 411

发射天线 412

毫米波接收模块 42

毫米波接收电路 421

接收天线 422

具体实施方式

为详细说明本实用新型的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

请参阅图1，一种毫米波隔离放大器10，包括第一被隔离电路20、第二被隔离电路30、毫米波传输电路40。

所述第一被隔离电路20、第二被隔离电路30和毫米波传输电路40集成在同一块芯片上。

所述第一被隔离电路20的输出端与所述毫米波传输电路40的输入端连接，所述毫米波传输电路40的输出端与所述第二被隔离电路30的输入端连接。

具体地，所述第一被隔离电路20设置模拟信号输入接口，即，Analog SignalInput；所述第二被隔离电路30设置模拟信号输出接口，即，Analog Signal Output。

所述毫米波传输电路40包括毫米波发射模块41和毫米波接收模块42。

所述第一被隔离电路20的输出端与所述毫米波发射模块41的输入端连接，所述毫米波接收模块42的输出端与所述第二被隔离电路30的输入端连接。所述毫米波发射模块41和毫米波接收模块42之间设置隔离带。

在本实施方式中，所述第一被隔离电路20为Sigma-Delta型调制器电路；具体地，所述第一被隔离电路20包括：求和器模块21、积分器模块22、第一开关电路23、比较器模块24。

具体地，所述求和器模块21的第一输入端与所述第一被隔离电路20设置模拟信号输入接口，第二输入端与所述第一开关电路23的输出端连接，输出端与所述积分器模块22的输入端连接。

所述积分器模块22的输出端与所述比较器模块24的非反向输入端连接，所述比较器模块24的反向输入端接地，所述比较器模块24的输出端与所述毫米波发射模块41的输入端连接。

所述第一开关电路23的输入端连接在所述比较器模块24的输出端与所述毫米波发射模块41的输入端之间。

进一步地，所述第一开关电路23还包括第一导通端子、第二导通端子；其中，所述第一导通端子连接第一正向参考电压，即，Vref1；所述第二导通端子连接第一负向参考电压，即，-Vref1。

所述第二被隔离电路30包括：第二开关电路31、低通滤波器模块32以及运算放大器模块33。

具体地，所述第二开关电路31的输入端与所述毫米波接收模块42的输出端连接，所述第二开关电路31的输出端与所述低通滤波器模块32的输入端连接，所述低通滤波器模块32的输出端与所述运算放大器模块33连接，所述运算放大器33的输出端与所述第二被隔离电路30的模拟信号输出接口连接。

所述第二开关电路31还包括第三导通端子、第四导通端子；其中，所述第三导通端子连接第二正向参考电压，即，Vref2；所述第四导通端子连接第二负向参考电压，即，-Vref2。

进一步地，所述毫米波发射模块41包括：毫米波发射电路411和发射天线412；所述毫米波接收模块42包括：毫米波接收电路421和接收天线422。

具体地，所述发射天线412可以实现电平信号到毫米波的转换；所述接收天线422可以实现毫米波信号到电平信号的转换。

所述毫米波发射模块41和毫米波接收模块42完全独立，隔离带宽度可以根据项目需求设计，调整范围达到厘米级；所述毫米波发射模块41和毫米波接收模块42中间区域可以填充低介电常数材料，实现更小的寄生电容和更高的耐压能力。

进一步地，所述比较器模块24与所述毫米波发射电路411的输入端连接，所述毫米波发射电路411的输出端与所述发射天线412连接。

所述接收天线422与所述毫米波接收电路421的输入端连接，所述毫米波接收电路422的输出端与所述第二开关电路31的输入端连接。

所述第一被隔离电路20用于输入第一模拟信号，并对所述第一模拟信号进行处理以输出相应的PWM信号至所述毫米波发射电路411。在本实施方式中，所述第一被隔离电路20为Sigma-Delta型调制器电路，用于通过过采样、反馈环路的处理，对输入的第一模拟信号进行高精度量化，并生成相应的PWM信号。具体地，所述Sigma-Delta型调制器电路对第一模拟信号处理以生成第二模拟信号的工作原理与现有技术相同，在此不加赘述。

所述毫米波发射电路411接收并处理所述第一被隔离电路20输出的PWM信号，以将所述PWM信号转换为相应的毫米波信号，并通过所述发射天线412将所述毫米波信号发送出去。

所述毫米波接收模块42通过所述接收天线422接收所述发射天线412发出的毫米波信号，并通过所述毫米波接收电路421的处理，以将所述毫米波信号转换还原为所述PWM信号。

所述第二开关电路31的第三导通端子与输出端导通连接，以将第二正向参考电压+Vref2接入电路；所述低通滤波器模块32接收所述第二正向参考电压+Vref2和所述毫米波接收电路421生成的所述PWM信号，并进行滤波处理，以输出第二模拟信号。

所述运算放大器模块33通过运算放大所述低通滤波器模块32生成的第二模拟信号，并通过所述模拟信号输出接口输出放大后的第三模拟信号。

本实施方式中，借助于毫米波传输电路实现第一被隔离电路20与第二被隔离电路30之间的信号传输，由于毫米波传输电路40是借助毫米波实现信号传输，在空间上起到了第一被隔离电路20与第二被隔离电路30之间的隔离，大大提高信号传输速度。

在另一个可选的实施方式中，所述毫米波传输电路40为毫米波传输芯片，通过芯片化设计能够进一步减小开关电源的体积，实现设备的轻薄化设计。

如此，通过所述第一被隔离电路20对输入的第一模拟信号进行过采样处理，可以实现对低频信号或噪声进行高精度采样和量化，输出高度还原的模拟信号，并通过毫米波传输电路快速精确传输至第二被隔离电路，从而使得后级电路得到高度还原的原始模拟信号。

请参阅图2，所述毫米波发射电路包括数模转换器、第一基带放大器、第一混频器、第一锁相环和第一射频放大器和第一滤波器；

所述第一毫米波接收电路包括第二滤波器、第二射频放大器、第二混频器、第二锁相环、第二基带放大器和模数转换器；

所述第一混频器的第二输入端与所述锁相环的输出端连接，输出端与所述第二射频放大器的输入端连接；

所述第一射频放大器的输出端与所述第一滤波器的输入端连接；

所述第一滤波器的输出端与所述发射天线连接；

所述第二滤波器的输入端与所述接收天线连接，输出端与所述第二混频器的第一输入端连接；

所述第二混频器的第二输入端与所述第二锁相环的输出端连接，输出端与所述第二基带滤波器的输入端连接。

如上所述，本实用新型实施方式中的毫米波发射电路411、毫米波接收电路421均为如上所述的电路结构，在此不一一赘述。

请参阅图3，在另一实施方式中，所述毫米波发射电路包括振荡器、调制器和第三射频放大器；

所述毫米波接收电路包括第四射频放大器和包络检波器；

所述振荡器的输出端与所述调制器的第一输入端连接；

所述调制器的第二输入端与所述数字信号或PWM信号输出接口连接，输出端与所述第三射频放大器的输入端连接；

所述第三射频放大器的输出端与所述发射天线连接；

所述第四射频放大器的输入端与所述接收天线连接，输出端与所述包络检波器的输入端连接；

所述包络检波器的输出端与所述第二开关电路的输入端连接。

如上所述，本实用新型实施方式中的毫米波发射电路411、毫米波接收电路421均为如上所述的电路结构，在此不一一赘述。

综上所述，本实用新型提供的一种毫米波隔离放大器，在第一被隔离电路与第二被隔离电路之间设置毫米波传输电路以经由毫米波传输电路进行通信，通过毫米波传输电路的隔离度保证了第一被隔离电路与第二被隔离电路之间的安全距离要求，并且隔离层厚度可以达到厘米级，降低了隔离两侧的寄生电容；进一步地，第一被隔离电路为Sigma-Delta型调制器电路，由于毫米波通讯可以实现最高10Gbps的通讯速率，信号延迟在3nS以内，信号抖动方面更是可以控制在pS级别，因此在Sigma-Delta型调制器电路后设置毫米波传输电路，能够实现超高速率的Sigma-Delta信号调制，从而在突破传统数字隔离器对信号带宽限制的同时实现了信号的超高还原度；另外通过控制功率，毫米波可以轻松实现厘米级的通讯距离，大大增加了其隔离耐压能力；所述毫米波隔离放大器在信号带宽，信号延时，信号失真率和隔离耐压能力方面均优于现有的隔离放大器。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种毫米波隔离放大器，包括第一被隔离电路和第二被隔离电路，其特征在于，还包括毫米波传输电路；

所述第一被隔离电路、第二被隔离电路和毫米波传输电路集成在同一块芯片上；

所述第一被隔离电路的输出端与所述毫米波传输电路的输入端连接，所述毫米波传输电路的输出端与所述第二被隔离电路的输入端连接；

其中，所述毫米波传输电路包括毫米波发射模块和毫米波接收模块；所述第一被隔离电路的输出端与所述毫米波发射模块的输入端连接，所述毫米波接收模块的输出端与所述第二被隔离电路的输入端连接；所述毫米波发射模块与所述毫米波接收模块之间设置隔离带；

所述第一被隔离电路包括：求和器模块、积分器模块、第一开关电路、比较器模块；所述求和器模块的第一输入端与所述第一被隔离电路设置的模拟信号输入接口连接，第二输入端与所述第一开关电路的输出端连接，输出端与所述积分器模块的输入端连接；所述积分器模块的输出端与所述比较器模块的非反向输入端连接，所述比较器模块的反向输入端接地，所述比较器模块的输出端与所述毫米波发射模块的输入端连接；所述第一开关电路的输入端连接在所述比较器模块的输出端与所述毫米波发射模块的输入端之间；

所述第二被隔离电路包括：第二开关电路、低通滤波器模块以及运算放大器模块；所述第二开关电路的输入端与所述毫米波接收模块的输出端连接，所述第二开关电路的输出端与所述低通滤波器模块的输入端连接，所述低通滤波器模块的输出端与所述运算放大器模块连接，所述运算放大器的输出端与所述第二被隔离电路的模拟信号输出接口连接。

2.根据权利要求1所述的毫米波隔离放大器，其特征在于，所述第一开关电路还包括第一导通端子、第二导通端子；其中，所述第一导通端子连接第一正向参考电压；所述第二导通端子连接第一负向参考电压。

3.根据权利要求1所述的毫米波隔离放大器，其特征在于，所述第二开关电路还包括第三导通端子、第四导通端子；其中，所述第三导通端子连接第二正向参考电压；所述第四导通端子连接第二负向参考电压。

4.根据权利要求1所述的毫米波隔离放大器，其特征在于，所述毫米波发射模块包括：毫米波发射电路和发射天线；

所述毫米波接收模块包括：毫米波接收电路和接收天线；

所述比较器模块与所述毫米波发射电路的输入端连接，所述毫米波发射电路的输出端与所述发射天线连接；

所述接收天线与所述毫米波接收电路的输入端连接，所述毫米波接收电路的输出端与所述第二开关电路的输入端连接。

5.根据权利要求1所述的毫米波隔离放大器，其特征在于，所述毫米波传输电路为毫米波传输芯片。