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隔离放大器发射端电路关键技术研究及设计

日期:2023年11月19日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:199
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202311171125299402 论文字数:52522 所属栏目:工程硕士论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇工程硕士论文,本文采用的采样时钟频率仅为5.12MHz,原因是运放需要驱动的负载电容容值过大导致增益带宽受限,后续可以通过调整时序逻辑、优化系统架构来提高采样频率进而提升调制器性能。

1. 绪论

1.1. 研究背景和意义

自上世纪四十年代美国贝尔实验室发明晶体管以来,半导体技术诞生并不断发展,集成电路产业随之出现和崛起。在集成电路产业崛起过程中,各种新技术不断涌现和迭代,使芯片能够在控制成本不变的同时提高性能。

在消费领域,电子设备越来越追求小体积、小重量、更高的安全性能与稳定性能,在一些特殊场合的系统设计中需要将控制电路与工作电路分开,保证设备的安全可靠;在工业领域,电子设备往往面对非常多的外界干扰比如:噪声、磁场、浪涌电压等,这些干扰会对精密仪器中的敏感电路造成非常大的影响。无论是消费领域还是工业领域,电子设备和信息平台对数据的处理越来越智能,对数据的利用越来越高效,对数据的依赖程度越来越高。从采集信号变为可处理数据的过程追求更加精准、稳定和安全。通过隔离的技术实现上述应用追求的性能或者避免设备因恶劣环境导致的损坏是切实可行的方案。

隔离是指电气上的分隔,让信号通过其他方式而非直接的电气连接传输。信号经隔离系统传输过程如图1-1所示。

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1.2. 国内外研究历史及现状

1.2.1. 隔离放大器国内外研究历史及现状

随着技术不断往前发展、更新,隔离器变得越来越集成、低成本、高速、低功耗,隔离放大器以隔离器为核心模块,配合半导体集成技术,将其他具有信号处理功能的模块单元和隔离器集成到同一个电路系统上的隔离系统[3]。

隔离放大器的电路系统实质上可以看作不同通用电路模块组合实现信号隔离和放大的功能。基本的模拟信号隔离放大器通常会由增益放大器、调制器、隔离器、解调滤波器组成信号传输通路。

国内外许多公司都在对隔离放大器进行持续性的研发投入。相比而言,国外公司起步早,拥有更多类型的产品和更全面的解决方案,国内公司受到现在车规级芯片一片大好的影响,大力推进隔离器的研究和应用,也带动了隔离放大器产品的开发。

1.2.2. 可编程增益放大器国内外研究历史及现状

可编程增益放大器所使用的运放本身需要具备高开环增益性能来抑制系统的非线性、提高系统的鲁棒性。此外,放大器本身也需要控制噪声以达到提高信噪比、提升精度的目的。

集成式运算放大器最早在19世纪60年代问世,相关产业首先在国外出现并兴起。外国公司在模拟电路设计方面起步更早,发展到如今已经具备更加成熟的设计流程和设计理念,具备更加深厚的技术积累。目前高性能可编程增益放大器芯片的市场主要被Texas Instruments(TI)、Analog Devices,Inc(ADI)等国外模拟巨头垄断,设计有上百款低噪声、低失调电压、低1/f噪声等特点的芯片。国内的半导体设计企业如芯海科技、上海贝岭等也在奋起直追并有所成就。

2. 隔离放大器发射端信号处理电路理论基础

2.1. 隔离放大器理论基础

相比于隔离传输数字信号,隔离传输模拟信号更加复杂,这是由二者所考量的电路参数和指标不同决定的。隔离传输数字信号一般只考虑传输速率和误码率的问题,而隔离传输模拟信号需要考虑精度、线性度、频率响应、噪声干扰等更多更复杂的问题。市面上主流的隔离技术有光耦隔离技术、变压隔离技术、电容隔离技术、电感隔离技术等,隔离放大器可以根据不同的隔离技术进行划分。 随着技术的进步,现在市场主流的隔离放大器采用的隔离技术主要是电容隔离技术,电容隔离具有更加可靠的电气隔离性能,受恶劣环境影响小等优势。

负载阻值可调的电阻的实现方式主要是工作在线性区的MOS管和电阻阵列两种。MOS管负载利用了其线性区工作的电流电压特性,电阻负载通常采用R-2R的电阻网络搭配开关[22]。通过控制负载电阻RD的阻值大小,控制放大器的放大倍数,保证了放大倍数与负载阻值的绝对值严格的正比关系。正因为如此,负载可编程放大器对于工艺的稳定性提出非常严格的要求,由于在制造过程中,误差不可避免,负载可编程放大器往往线性度不佳。

2.2. 可编程增益放大器理论基础

2.2.1. 可编程增益放大器简介

对于不同的应用场景,隔离放大器接收的输入信号的信号幅度会在一个较大的区间内波动,为了提升隔离放大器芯片的通用性,可以将可控增益的功能加入到隔离放大器当中。根据增益控制的方式不同可以将可调增益放大器分为VGA和PGA两种。相比而言,PGA电路设计简单可靠,更加线性,因此PGA更加适合应用在隔离放大器当中。

在隔离放大器当中,可编程增益放大器是整个电路系统内最前端的模块,决定了整个隔离放大器的性能下限。一般来说,可编程增益放大器会包含增益控制模块、放大模块、降噪模块等,可编程增益放大器通过增益控制模块输出放大倍数控制信号,改变放大器的反馈系数,将输入信号进行合适比例的放大提高后置调制器的效率并提高信噪比。

根据运放的工作方式和调节放大倍数的实现方式,对可编程增益放大器进行分类。当运放开环工作时,常见的可编程增益放大器有:吉尔伯特单元实现乘法器、跨导可编程的增益放大器、运放内部负载可编程的增益放大器等;当运放闭环工作时,常见的可编程增益放大器是反馈网络可编程的增益放大器。

吉尔伯特单元使用了差动运算放大器结构。差动放大器接收一对相对于某一固定电位(共模电平)大小相等、相位相反的差分信号作为输入信号,在电路中可以利用多对输入对管控制尾电流的大小,进而控制小信号的放大倍数。

3. 高精度低噪声的PGA设计与验证 ...................... 26

3.1. 可编程增益放大器电路架构及工作模式 ..................... 26

3.2. 噪声来源分析 ................................. 29

4. 隔离放大器发射端混合拓扑∑-Δ调制器设计与验证 ................ 56

4.1. ∑-Δ ADC设计及系统仿真 ................................. 56

4.1.1. 二阶混合拓扑反馈结构∑-Δ调制器 ......................... 56

4.1.2. 二阶混合拓扑结构∑-Δ调制器非理想因素建模仿真分析 .......... 60

5. 总结与展望 .................... 80

5.1. 总结 ............................. 80

5.2. 存在的不足与未来研究展望 ............. 80

4. 隔离放大器发射端混合拓扑∑-Δ调制器设计与验证

4.1. ∑-Δ ADC设计及系统仿真

如前文所述,∑-Δ调制器的输出信号质量与∑-Δ调制器的阶数、架构,过采样率的大小,量化器的位数有关。综合考虑隔离放大器的应用场景和∑-Δ调制器本身指标之间的相互折中,确定设计∑-Δ调制器为离散时间型二阶∑-Δ调制器反馈结构,单比特量化。

4.1.1. 二阶混合拓扑反馈结构∑-Δ调制器

在第二章中介绍了反馈结构的基本原理和其中两种常见架构:积分器级联反馈结构CIFB和级联谐振器反馈结构CRFB。其实,反馈结构远不止这两种,还包括加权反馈求和结构[42]、局部反馈结构[43]等。

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5. 总结与展望

5.1. 总结

随着工业技术的发展和提高,工业控制系统中对于信号之间的互相干扰问题越来越重视。此外,在许多应用场景中,需要对信号进行合适比例的放大以便后续对信号进行更好的处理。在这种情况下,隔离放大器就是同时解决这两个问题的不二选择。本文针对隔离放大器发射端电路的关键模块可编程增益放大器和∑-Δ调制器展开研究。首先介绍了隔离放大器的研究背景和意义,进一步对隔离放大器发射端电路中使用到的可编程增益放大器和∑-Δ调制器的研究历史和现状进行分析;其次介绍了三者的理论基础包括基本原理、基本架构、相关性能指标;介绍了不同种类的可编程增益放大器的结构,分析这些结构的特点,给出本文设计的可编程增益放大器的结构和电路并进行分析和系统仿真;介绍了不同种类的∑-Δ调制器的结构,分析这些结构的特点,给出本文设计的混合拓扑二阶∑-Δ调制器结构和电路并进行分析和系统仿真;最后对可编程增益放大器和∑-Δ调制器进行联合仿真,分析结果是否达到设计要求。

本文的主要成果和创新点有以下几点:

研究了同时具有衰减模式和增益模式的可编程增益放大器,对系统整体进行电路设计和仿真,实现了优秀的噪声性能,对PGA中的两个运算放大器展开研究,使用GainBoost增益提高技术、CHOP斩波技术、斩波开关复用技术和浮动栅压控制技术、RFC结构实现了满足要求且留出足够余量的运算放大器;

对模拟∑-Δ调制器进行研究,设计了一种混合拓扑结构的二阶∑-Δ调制器并进行系统仿真和电路设计;对∑-Δ调制器中第一级运放的辅助运放设计了动态自适应偏置电路;对∑-Δ调制器整体进行电路仿真验证其性能达到设计目标;

对可编程增益放大器和∑-Δ调制器组成的隔离放大器发射端电路进行联合仿真,得到结果验证性能达到设计目标。

参考文献(略)