阅读说明：本技术 一种基于磁场耦合的高性能隔离放大器结构 (High-performance isolation amplifier structure based on magnetic field coupling ) 是由 黄海滨 蒋赛尖 于 2020-04-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及隔离放大器技术领域,具体为一种基于磁场耦合的高性能隔离放大器结构,其能够在有限的耦合带宽限制下获得更高性能的信号放大功能,其包括发送端模块、接收端模块、磁耦合器件,所述发送端模块包括前置放大/滤波模块,其特征在于,所述前置放大/滤波模块顺次连接N比特Delta-Sigma调制器、电流源开关组,所述接收端模块包括顺次布置的放大整形电路、并行/串行转换器、低通滤波器,所述磁耦合器件对应设置N+1个,N为正整数。(The invention relates to the technical field of isolation amplifiers, in particular to a high-performance isolation amplifier structure based on magnetic field coupling, which can obtain a higher-performance signal amplification function under the limit of limited coupling bandwidth and comprises a sending end module, a receiving end module and a magnetic coupling device, wherein the sending end module comprises a preposed amplification/filtering module, the high-performance isolation amplifier structure is characterized in that the preposed amplification/filtering module is sequentially connected with an N-bit Delta-Sigma modulator and a current source switch group, the receiving end module comprises an amplification shaping circuit, a parallel/serial converter and a low-pass filter which are sequentially arranged, the number of the magnetic coupling devices is correspondingly N +1, and N is a positive integer.)

一种基于磁场耦合的高性能隔离放大器结构

技术领域

本发明涉及隔离放大器技术领域，具体为一种基于磁场耦合的高性能隔离放大器结构。

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/放大，这种传输/放大必须在不同的供电系统中进行，所以被称为隔离放大器。

磁场耦合作为一种非电信号耦合方式，具有空间隔离性好、耦合带宽幅度响应平坦、半导体集成度高等诸多优点。但是芯片上集成的磁传感器（如：霍尔器件、磁阻器件）其响应速度较慢，通常最高响应频率从几百千赫兹到几兆赫兹不等，这就造成可以耦合的放大器信号带宽有限，无法满足宽带信号的放大要求。另一方面，为了降低芯片成本，常用隔离芯片采用普通封装，无法对外部磁场干扰进行屏蔽。为了在干扰条件下对待传输信号进行耦合，通常采用数字信号耦合的方式进行，由于数字信号中天然存在的量化噪声，通过这种方式传输模拟信号无疑会进一步限制待传输信号的带宽。

由于数字信号天然具有比模拟信号更强的抗干扰特性，磁场耦合选择采用数字信号进行耦合，现有的隔离放大器见图1所示，在发送端，主要包括前置放大/滤波模块101、某种形式的数字调制器102，其功能为将待传输模拟信号100转换为数字信号110，数字转换方式可以是脉宽调制，也可以是更加复杂的转换方式；103是将电压信号转换为电流信号的电流源与开关电路。电流信号通过线圈104产生磁场，而磁传感器105感应磁场并输出感应电压。接收端主要由磁传感器感应电压读取电路106、数字信号处理电路107和模拟滤波器和驱动电路108组成，在这种结构中由于采用数字信号耦合，所以首先应获得高性能的模拟数字转换器性能。与普通模拟数字转换器不同的是，转换出来的数字信号应该是位数较少（减少耦合器件数量），频率较高（利用过采样保证信号质量）的信号；其次，耦合到接收端的数字信号应该易于被恢复成为模拟信号，并保证较高的恢复质量。现有的隔离放大器无法满足上述要求。

发明内容

为了解决现有传统的隔离放大器无法在有限的耦合带宽限制下获得高性能的信号放大的问题，本发明提供了一种基于磁场耦合的高性能隔离放大器结构，其能够在有限的耦合带宽限制下获得更高性能的信号放大功能。

其技术方案是这样的：一种基于磁场耦合的高性能隔离放大器结构，其包括发送端模块、接收端模块、磁耦合器件，所述发送端模块包括前置放大/滤波模块，其特征在于，所述前置放大/滤波模块顺次连接N比特Delta-Sigma调制器、电流源开关组，所述接收端模块包括顺次布置的放大整形电路、并行/串行转换器、低通滤波器，所述磁耦合器件对应设置N+1个，N为正整数。

其进一步特征在于，所述N比特Delta-Sigma调制器包括至少两个积分器和一个多比特量化器。

采用本发明后，与传统的1比特数字调制信号不同，本发明的数字调制信号为多比特，就意味着它能够携带更多的待传输模拟信号的信息，同时也意味着在相同的数字调制信号频率（该频率低于可以被磁传感器感应的频率上限）条件下，多比特数字调制信息代表更高的待传输模拟信号带宽与更好的信号质量，满足了有限的耦合带宽限制下获得更高性能的信号放大的要求。

附图说明

图1为现有技术原理图；

图2为本发明原理图；

图3为N比特Delta-Sigma调制器原理图；

图4为3比特转1比特示意图。

具体实施方式

见图2所示，一种基于磁场耦合的高性能隔离放大器结构，其包括发送端模块、接收端模块、磁耦合器件，发送端模块包括前置放大/滤波模块201，前置放大/滤波模块201顺次连接N比特Delta-Sigma调制器202、电流源开关组203，接收端模块包括顺次布置的放大整形电路206、并行/串行转换器207、低通滤波器208，磁耦合器件对应设置N+1个，其中N个磁耦器件传输信号，1个磁耦器件传输时钟，N为正整数。

待传输的信号200经过前置放大/滤波模块201后进入N比特Delta-Sigma调制器202，模拟信号被调制成多比特高频脉冲宽度调制离散信号210；该信号通过电流源开关组203，将电压信号分别转换为电流形式的信号组（N组二进制信号）；同时需要将时钟信号同样转换为电流信号；以上电流信号组（含时钟信号）流经N+1个特定形状的线圈204，形成分别对应的磁场信号；以上模块完成了待传输信号向磁场信号的转换；

接收端模块中，通过芯片上集成的磁传感器205，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206之后恢复为脉冲宽度调制信号。这些脉冲宽度调制信号经过并行/串行转换器电路207形成频率更高，但是信号幅度仅1比特的数字波形，该数字波形经过低通滤波器208滤除不必要的高频信号和量化噪声后，最终还原出低频的待传输信号220，并输出到芯片管脚。

本发明中给出一种N比特Delta-Sigma调制器202的结构，见图3所示；待传输模拟信号300经过由积分器301、302和多比特量化器303组成的系统后，输出多比特数字调制信号，其中310为频域图，311为时域图。由310、311可见，与传统的1比特数字调制信号不同，该数字调制信号为多比特，就意味着它能够携带更多的待传输模拟信号的信息，同时也意味着在相同的数字调制信号频率（该频率低于可以被磁传感器感应的频率上限）条件下，多比特数字调制信息代表更高的待传输模拟信号带宽与更好的信号质量。

见图4所示，3比特转1比特（实际电路可以是任意比特转1比特）；这样的转换虽然增加了部分数字电路，但省去了对高性能数字模拟转换器的需求，可以有效简化设计和芯片复杂度，同时保证在经过低通滤波器后输出高质量的模拟信号。