[发明专利]与光电耦合器兼容的高速磁电隔离信号耦合器件

说明书

【技术领域】

本发明涉及一种与光电耦合器兼容的高速磁电隔离信号耦合器件，属于接口数据信号通讯技术领域。

【背景技术】

隔离信号耦合器件广泛应用于计算机网络接口、数据传输、通讯、传感器/测量仪器、移动电子、医疗电子等多个领域。隔离信号耦合器件的基本作用就是在电气隔离的状态下进行数据信号通讯。隔离信号耦合器件能够减小或消除地面回路噪音和共模电压效应以及由此而引起的对接口和附属电路的损坏。现在应用比较广泛的是光电信号隔离耦合器件(以下简称光电耦合器)，其操作原理是基于对光信号的发射和探测。光电耦合器由一层光学透明的绝缘层分开的光信号发射器和探测器密闭封装在一起组成。光电耦合器存在以下几个本质缺点：体积大、速度慢(＜10MHz)、不易集成、不防辐射和容易老化。因此，光电耦合器越来越不适应现代高速电子系统的要求。显然，需要开发新的技术以应对光电耦合器的本质缺点所带来的挑战。光电耦合器依据光作为载体来传递信号，但信号也可通过其它载体如磁场或电场等来传递。近年来，美国ADI公司推出的基于线圈互感原理的iCoupler耦合器件技术和美国NVE公司开发成功的巨磁阻(GMR)磁电耦合器件技术都是通过磁场作为载体来进行信号传递的。ADI公司的iCoupler耦合器件技术(美国专利申请号：09/838,520)是一种线圈线圈绝缘隔离配置的数字信号隔离耦合器件。它需要一个专用的驱动电路将输入电压转化为调制脉冲电流信号来产生调制脉冲磁场，然后通过获取线圈接收到的磁场信号并将信号解调为原始信号。该器件与光电耦合器件有截然区别，它需要先将输入信号转化为脉冲电流信号，这增加了器件电路的复杂性并使器件与大多数光电耦合器件在使用上不能兼容。NVE公司的巨磁阻(GMR)磁电耦合器件(美国专利号：US6,300,617)的中心结构是平面绝缘隔离的线圈-GMR传感器接收单元。这种信号隔离耦合器件需要一个电流驱动电路以使信号电流通过线圈产生信号磁场，然后通过GMR传感器单元探测接收信号磁场并通过读出电路进行重构和读出(如图1所示)。驱动电路首先将输入信号转化为一系列非常短的脉冲电流，该脉冲电流通过平面线圈以产生信号磁场。NVE所设计的线圈是单层平面线圈(如图2所示)，其有两个电流信号输入焊接盘，一个在线圈内，一个在线圈外。为了保证线圈能够产生足够强的磁场以使工作在锁存状态下的磁敏传感器能够正常工作，线圈中的电流需要高达50mA。根据信号电流/磁场的方向，磁敏传感器的输出信号状态将在磁滞回线的两个剩磁状态之间切换，即锁存操作模式。探测到的信号通过输出放大器输出。这种锁存操作模式主要有三个缺点：第一就是器件不能完全与光电耦合器兼容，需要一个专用的驱动器将电压信号转换为电流信号；第二是在意外的电源掉电后，输出信号的状态在重新启动后不确定。第三是自由层的磁化翻转涉及到了磁畴壁运动，这不仅会产生巴克豪森噪音，而且还会限制翻转速度。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是克服现有技术的缺陷，提供一种采用高灵敏度的磁敏传感器作为测量单元来传递磁场信号、磁信号强度好、体积小、速度快、灵敏度高、能耗低的与光电耦合器兼容的高速磁电隔离信号耦合器件，其与光电耦合器件的工作模式类似，在使用上可与其完全兼容。为此，本发明采用如下技术方案：本发明采用如下技术方案：

与光电耦合器兼容的高速磁电隔离信号耦合器件，其特征在于包括由线圈及与线圈隔离并接受磁信号的高灵敏度磁敏传感器和放大比较电路三部分，所述的线圈由相串联的两层金属平面线圈组成。磁电隔离信号耦合器件与光电耦合器件原理相似：光电耦合器件用光来传递信号，而磁电耦合器件用磁场来传递信号。磁电隔离信号耦合器件的具体工作原理是先将电流输入电压信号通过线圈转换成磁场信号，所产生的磁场信号被磁敏传感器接收并传递给放大比较电路后输出。本发明所采用的双层线圈结构具有以下优点：1)相比于现有技术的单层线圈，单位电流通过时能够产生更强的磁场信号，可增大通过线圈的输入信号电流所产生的信号磁场强度，在线圈下相同距离处传感器产生的输出更大；2)线圈的电流焊盘位于同一侧，可减小线圈的尺寸；3)输入信号电流焊盘(Pad)可安排在线圈之外，有利于芯片整体排版和缩小芯片尺寸。线圈配合高灵敏度的磁敏传感器，信号传输效果好。

对于上述技术方案的完善和补充，可以增加如下技术特征或其组合：

所述的磁敏传感器是GMR磁敏电阻或由其组合而成的电桥。

所述的磁敏传感器是MTJ磁敏电阻或由其组合而成的电桥。MTJ磁敏电阻为MTJ(磁隧道结)单元串联而组成。