线性隔离放大器及用于其自校准的方法与流程

线性隔离放大器及用于其自校准的方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年3月15日提交的题为“linear isolation amplifier and method for self
‑
califbration thereof”的美国专利申请号16/354,407的优先权，该申请通过引用整体并入本文。
技术领域
3.实施例涉及包括噪声滤波器的电路保护设备领域。


背景技术：

4.线性隔离电路是众所周知的，诸如线性光隔离器，也称为光耦合器。已知的线性光隔离电路系统包括跨电流隔离路径(galvanically
‑
isolated path)生成辐射通量的光发射器。提供了在电隔离屏蔽件上恢复初始模拟信号的接收器。这有助于在电隔离电路上传递模拟感测或控制信号，诸如在电源设计中。光耦合器的应用包括用于线性隔离放大器和相关电路系统。基于光耦合器的线性放大器的一个特征是输入电压vin和输出电压vout之间的由vout＝vin*k3 r2/r1给出的关系，其中r2是输出侧上的电阻器的值，并且r1是输入侧上的电阻器的值。k3是称为传输增益的常数。因为光耦合器电路系统涉及半导体材料，包括发光二极管以及光电检测器，所以使用这种电路系统的线性放大器的特性取决于光耦合器以及其他电路部件的材料的特性。实际上，使用名义上相同制造工艺的不同的基于光耦合器的线性隔离放大器之间的特性方面的变化可能导致传输增益k3值方面的显著变化。例如，k3在不同批次的光耦合器上可能变化10％、20％或30％，使得隔离放大器设计必须适应这种变化。特别地，当客户想要传输增益值为1.0并且k3的值根据光耦合器的批次而变化高于或低于这个值时，需要向隔离放大器电路添加或从隔离放大器电路减去电阻，以获得值1。适应这种变化的一种方式是改变线性放大器电路系统中的r1和r2值，从而需要改变或更换电阻。而且，如果在给定的线性放大器电路内k3由于某种原因而随时间变化，一旦最终确定了放大器电路系统，就没有办法校正这种变化。
5.鉴于以上内容，提供了本实施例。


技术实现要素：

6.在一些实施例中，提供了一种放大器电路，该放大器电路包括隔离放大器电路，该隔离放大器电路设置在放大器电路的高电压侧上并被布置呈生成隔离输出信号。放大器电路可以包括：第一光耦合器电路，该第一光耦合器电路被设置成从隔离放大器电路接收隔离输出信号；以及输出放大器电路，该输出放大器电路被设置在放大器电路的低电压侧并且被耦合成从光耦合器电路接收光输出信号。放大器电路还可以包括：校准电路，该校准电路耦合到输出放大器电路以生成校准启动信号；以及第二光耦合器电路，该第二光耦合器电路被设置成接收校准启动信号并输出开关信号(switch signal)，其中参考电压被输出到隔离放大器电路。
7.在另一实施例中，校准线性隔离放大器的方法可以包括将线性隔离放大器从off状态切换到on状态。该方法可以包括向校准引脚发送信号以在预定间隔内将校准引脚设置处于低电平状态(low state)，其中在设置在线性隔离放大器的低电压侧上的校准发光二极管(led)的阴极上设置低电压，其中校准led生成光信号。该方法还可以包括在设置在线性隔离放大器的高电压侧上的光电检测器处接收光信号，其中由光电检测器生成开关信号。该方法还可以包括在连接到参考电压源的参考开关处接收开关信号，其中参考开关从断开状态变为闭合状态，其中参考电压源电连接到伺服放大器的输入，并且向伺服放大器发送参考电压。
8.在另一实施例中，线性隔离放大器可以包括设置在线性隔离放大器的高电压侧上的伺服放大器、以及设置在线性隔离放大器的低电压侧上的输出放大器。线性隔离放大器可以包括第一光耦合器电路，该第一光耦合器电路电耦合到伺服放大器的输出侧，并且包括光耦合到输出放大器的输入侧的第一led、以及电耦合到输出放大器以生成校准启动信号的校准电路。线性隔离放大器还可以包括第二光耦合器电路，该第二光耦合器电路电耦合到校准电路，并且被设置为接收校准启动信号，并且还包括第二led，该第二led光耦合到高电压侧上的参考开关，其中参考开关被布置为可逆地向伺服放大器提供参考电压。
附图说明
9.图1a示出了根据本公开的各种实施例的隔离放大器电路；
10.图1b示出了图1a的隔离放大器电路的校准部分的实施方式；
11.图1c示出了根据本公开实施例的校准程序的信号的定时；
12.图2示出了根据本公开的一些实施例的另一隔离放大器电路；
13.图3示出了根据本公开的实施例的用于微调放大器的输出的数模转换器的一种实施方式。
14.图4a和图4b描绘了根据本公开的另外的实施例的另一隔离放大器电路；以及
15.图5描绘了根据本公开的实施例的工艺流程。
具体实施方式
16.现在将在下文中参考附图更全面地描述本实施例，在附图中示出了示例性实施例。实施例不应被解释为局限于本文阐述的实施例。相反，这些实施例被提供为使得本公开将是彻底和完整，并将它们的范围完全传达给本领域技术人员。在附图中，相同的附图标记始终指代相同的元件。
17.在下面的描述和/或权利要求中，术语“在
……
上”、“覆盖
……”
、“设置在
……
上”和“在
……
上面”可以在下面的描述和权利要求中使用。“在
……
上”、“覆盖
……”
、“设置在
……
上”和“在
……
上面”可以用来指示两个或更多个元件彼此直接物理接触。此外，术语“在
……
上”、“覆盖
……”
、“设置在
……
上”和“在
……
上面”可以表示两个或更多个元件彼此不直接接触。例如，“在
……
上面”可能意味着一个元素在另一元素上方，而不与另一元素接触，并且可能在两个元素之间有另一个或多个元素。另外，术语“和/或”可以表示“和”、它可以表示“或”、它可以表示“异或”、它可以表示“一个”、它可以表示“一些，但不是全部”、它可以表示“两个都没有”、和/或它可以表示“两者”，尽管所要求保护的主题的范围不限于
此。
18.在各种实施例中，提供了用于自动校准隔离放大器(诸如用于传输增益方面的统一)的系统、设备和技术。根据一些实施例，如下文所述，公开了电路系统以提供用于实施隔离放大器的自校准的功能等同物的图示，其中，如本领域普通技术人员将理解的那样，用于实施校准的实际部件和电路布置的细节可以变化。
19.转向图1a，示出了根据本公开的各种实施例的放大器电路100。根据各种实施例，放大器电路100可以作为单极线性放大器起作用。放大器电路100被布置为具有高电压侧102和低电压侧104的线性隔离放大器。为了便于描述，放大器电路100的各个部分可以被分组为如图所示链接在一起的各种电路，而其他分组也可以描述相同的放大器电路。如图1a中进一步示出的那样，放大器电路100包括隔离放大器电路106，该隔离放大器电路设置在放大器电路100的高电压侧102上并被设置成生成隔离输出信号。放大器电路100还包括：第一光耦合器电路108，该第一光耦合器电路被设置成从隔离放大器电路106接收隔离输出信号；以及输出放大器电路110，该输出放大器电路被设置在放大器电路100的低电压侧104并且被耦合成从光耦合器电路108接收光输出信号。
20.放大器电路100还包括：校准电路112，该校准电路耦合到输出放大器电路110以生成校准启动信号；以及第二光耦合器电路114，该第二光耦合器电路被设置成接收校准启动信号并输出开关信号，使得参考电压被输出到隔离放大器电路106。由此，放大器电路100可以被布置成自动执行校准(或自校准)，例如在系统启动时、或根据需要，其中传输增益可以被校准到固定值，诸如“1”。
21.在图1a具体描绘的实施例中，隔离放大器电路106还包括具有差分放大器输出节点的差分放大器122，以及具有伺服输出以生成隔离输出信号的伺服放大器124。如下所述，这个隔离输出信号可以导致第一光耦合器电路108生成将被低电压侧104接收的光信号。
22.隔离放大器电路106可以包括：第一开关126，该第一开关可以充当设置在差分放大器输出节点和伺服放大器124的输入之间的主开关；和第二开关128，该第二开关在第一侧上耦合到第二光耦合器电路114并且在第二侧上耦合到伺服放大器的输入。隔离放大器电路106还可以包括具有耦合到开关的输出的第一参考电压源130。
23.如图1a所描绘那样，第一光耦合器电路108可以类似于已知的光耦合器来布置，包括：第一发光二极管(led)132，该第一发光二极管(led)耦合在电压源线(vcc1)和伺服放大器124之间；第一光电检测器134，该第一光电检测器设置在高电压侧102上、被耦合以接收来自第一led 132的led输出、并还耦合到伺服放大器124的输入。第一光耦合器电路108可以包括第二光电检测器136，该第二光电检测器设置在低电压侧104上、被耦合以接收来自第一led 132的led输出、并且进一步被耦合到输出放大器电路110。
24.关于输出放大器电路110，该电路可以包括：输出放大器140，其具有耦合到第二光电检测器136的输入；以及乘法数模转换器(mdac)142，其耦合到输出放大器140并且耦合到校准电路112。
25.根据本公开的实施例，在操作中，放大器电路100可以被布置为例如在启动时、或者在用户要求时执行校准程序。有利的是，放大器电路100可以被布置成自动将传输增益校准到值1，如下面的描述中详细描述的那样。为了便于启动时的校准，校准电路112可以包括控制器150，其中控制器150可以被布置为微控制器，以执行控制放大器电路100的各种已知
的操作。对于校准程序，控制器150可以被布置为输出控制信号，其中校准电路112还包括校准引脚152，用于接收控制信号并在接收到控制信号时向第二光耦合器电路114输出低电平信号。例如，当放大器电路100被通电时，控制器150可以启动一组操作，包括向校准引脚152发送控制信号以保持线路为低电平。
26.根据一些实施例，第二光耦合器电路114可以包括第二led 154，该第二led充当校准led并且被耦合以从校准引脚152接收低电平信号，以便输出第二led信号。图1b示出了图1a的隔离放大器电路的校准部分的实施方式。如图1b所示，控制器150可以包括上电复位(power on reset，por)电路151。图1c示出了例如使用por电路151的根据本公开实施例的校准程序的信号的定时。y轴指示电压，以及x轴指示时间。如图1c所示，当电力施加在低侧时，在时间t1和时间t2之间，led2c和mdac输入保持低电平，从而生成由第二led 154接收的低电平信号，以使电流流过第二led 154。led2c上的低电平信号持续到mdac指示校准完成。在这时候(t2)，led2c变高，所以led2c关闭。
27.第二光耦合器电路114还可以包括第三光电检测器156，该第三光电检测器被耦合以接收第二led信号并输出发送到隔离放大器电路106的开关信号。
28.在正常操作中，放大器电路100可以作为隔离放大器工作，其中放大器电路100被制造成根据所需的精度生成所设计的传输增益，诸如1或1.0或1.00的值。除了其他因素之外，由于用于形成各种部件的工艺变化导致的电路系统的特性方面的变化，隔离放大器100在没有校正的情况下可能产生不同于目标值的传输增益。因此，在一些实施方式中，控制器150可以被配置为自动地或在用户输入时执行校准操作，以自动地将转移增益调节到目标值，诸如1.0。
29.在一个具体实施方式中，在断电状态期间，第一开关126被设置到闭合位置，并且第二开关128被设置到断开位置。同时，mdac被设置了默认电阻值。上电时，控制器150可以生成被发送到校准引脚152的信号以将校准引脚保持为低电平，这意味着校准引脚152和校准led的阴极(意味着第二led 154)之间的线(led2c)上的电压保持为低电平。同时，第二led 154的阳极通过线led2a耦合到vcc2电压源(设置在低电压侧104上)，其中电压差可以导致第二led 154生成第二led信号，该第二led信号可以被设置在高电压侧102上的检测器(诸如第三光电检测器156)接收。控制器150可以被编程为在预定间隔内将校准引脚152设置处于低电平状态，使得第二led 154上的阴极电压保持低电平并且电流流过第二led。当电流流过第二led 154的p/n结时，由第二led 154在预定间隔期间生成光信号。
30.结果，由第二led 154生成的光信号在预定时间间隔内被高电压侧102上的第三光电检测器156接收。在不同的实施方式中，第三光电检测器156可以被布置为光电二极管或晶体管，如图2中更详细示出的那样。耦合到第一开关126和第二开关128的第三光电检测器156然后可以生成信号，以将第一开关126从闭合状态改变为断开状态，并将第二开关128(参考开关)从断开状态改变为闭合状态。
31.如图1a进一步所示，当第二开关128处于闭合状态时，第一参考电压源130通过电阻r1电连接到伺服放大器124的输入。例如，在一个实施例中，第一参考电压源130可以生成通过电阻器r1施加的1.2v的电压。
32.值得注意的是，在参考电压被施加到伺服放大器124的输入端之后，伺服放大器124又被布置成向设置在高电压侧102上的第一led 132的阴极输出信号、电压。反过来，基
于耦合到第一led 132的阳极的vcc1的电压，电流将流过第一led 132，其中生成校准光信号，例如由设置在高电压侧102上的第一光电检测器134以及由设置在低电压侧104上的第二光电检测器136检测。
33.如图1a进一步所示，mdac 142耦合到校准引脚152，并且因此可以检测到放大器电路100在预定间隔期间处于校准模式，其中第一开关126断开并且第二开关128闭合。在知道参考电压(例如，1.2v)正被施加到伺服放大器124并且校准模式当前激活的情况下，mdac 142可以调节输出放大器140的输出以匹配高电压侧102上的电压，即与来自第一参考电压源130的参考电压值(诸如1.2v)进行匹配。因此，将建立1(＝1.2v/1.2v)的传输增益值。
34.回到图1a，在预定的时间间隔过去之后，控制器150可以发送第二信号以将校准引脚152拉高(到高电平状态(high state))，从而关闭第二led 154。一旦第二led 154关闭，第三光电检测器156不再接收光信号，并且第一开关126返回到闭合位置，而第二开关128返回到断开位置。放大器电路100现在已经被校准以生成例如1的传输增益，如准备使用那样。
35.在本公开的其他实施例中，模数转换(adc)器可以被添加到如上所公开的隔离放大器电路。转向图2，示出了根据本公开的进一步实施例的放大器电路200。在这个实施例中，提供了低电压侧104上的电路202，包括耦合到mdac142和输出放大器140的adc 204。集成式adc允许用户以数字方式解析该值。这种配置卸下了用户的工作，给出了简单的数字接口。
36.现在转到图3，示出了根据本公开的一些实施例的用于在mdac中执行自动增益设置的一个电路布置。在这个示例中，示出了mdac布置160，并且其可以包括比较器162，该比较器具有接收参考电压(在图3中被示为vref 1.200v)的第一输入。比较器162包括接收反相输入信号的第二输入，该信号在输出放大器140的输出处生成，如图3所示。比较器162的输出耦合到计数器164(递增/递减计数器)，因此被耦合以接收来自比较器162的输出信号。例如，计数器164可以被布置为当来自比较器162的输出信号为高电平时递增计数。
37.mdac布置160还可以包括耦合到计数器164的第一fet组件166和第二fet组件168。第一fet组件166和第二fet组件168中的每个可以包括一个或多个场效应晶体管，该一个或多个场效应晶体管耦合到给定的电阻器(被示出为r45和r46)，这取决于要设置的传输增益的期望分辨率。换句话说，对于8位计数器的实施例，mdac装置160中有8个场效应晶体管。更一般地，n位计数器将设置有n个场效应晶体管。
38.此外，mdac布置160还包括时钟170，其中时钟170被布置为从校准引脚152接收校准启动信号(cal)，并且向计数器164发送时钟信号。
39.假设对于放大器电路(诸如放大器电路100)传输增益被设置为处于1并且假设高电压侧上的参考电压被设置为处于1.2v，那么包含mdac布置160的低电压侧上的输出也被设置为处于1.2v。参考图3，其中在比较器162(u23)的第一输入处接收vref 1.200v，mdac布置160可以如下操作。如果从输出放大器140接收的反相输入(反相电压)低于vref(在这个特定示例中是指低于1.2v)，则比较器的输出将变高(输出高电平信号)，并且计数器将递增计数。在另一方面，如果从输出放大器140接收的反相输入高于vref(即>1.2v)，则比较器162将变低，并且该低电平输出将导致计数器164递减计数。如图3所示，根据所需的增益分辨率，m1和m2代表n个fet。在计数器164递增计数时，fet关闭，直到增益被设置为使得输出放大器140的输出等于1.200v为止。特别地，计数器164然后可以以二进制方式计数，开启和
关闭不同的场效应晶体管，直到组合的并联电阻生成与到比较器162的参考电压匹配的输出放大器140的输出为止。在某个点，诸如在预定间隔之后，控制器150将向校准引脚152发送信号，使得校准启动信号被无效(de
‑
asserted)，并且时钟170关闭。当时钟170关闭时，计数器164被布置为保持冻结在代表在时钟170关闭的时刻的经微调的计数的最后状态(当前计数状态)。
40.而且，根据本公开的实施例，在退出校准模式时，除了根据图3执行的微调程序已经设置传输增益k3＝1之外，诸如放大器电路100的放大器可以自配置为标准loc线性放大器。
41.图4a和图4b描绘了根据本公开的另外的实施例的另一放大器电路(被示为放大器电路400)。在这个实施例中，被示为管芯(die)402和管芯404的同一半导体管芯可以用于放大器电路400的高电压侧102b和低电压侧104b两者上。这种布置可以采用外合(bond out)选项来实现隔离放大器功能。在表i中描述了在屏蔽件的左侧和右侧上使用时的功能引脚。虽然在这种“对称管芯”配置中，不是所有的功能用在管芯402和管芯404的每个管芯上，但是使用相同的片(dice)对于制造隔离放大器具有显著的优势，包括允许规模经济。这种方法允许一种类型的半导体晶圆而不是两种不同类型的半导体晶圆用于制作放大器产品。由于用于同一放大器的管芯可以在同一晶圆上制造，因此这种方法还提供了管芯间变化非常小的益处。
[0042][0043]
[0044]
表i
[0045]
图5描绘了根据本公开的实施例的过程流程500。在框502，线性隔离放大器从off状态切换到on状态。接通可以触发微控制器或其他设备在on状态期间的预定时间间隔内发送校准启动信号。例如，微控制器可以驻留在线性隔离放大器的低电压侧上，并且可以发送信号以将校准引脚触发到低电平状态。
[0046]
在框504，信号从线性隔离放大器的低电压侧发送到高电压侧，以向伺服放大器提供第一参考电压。例如，第一参考电压可以代表校准电压。在一些实施方式中，信号可以通过低电压侧和高电压侧之间的光耦合器发送，使得开关将参考电压源耦合到伺服放大器。
[0047]
在框506，分别在设置在高电压侧上的第一主光电检测器和设置在低电压侧上的第二主光电检测器中生成第一光电流和第二光电流。当伺服放大器接收第一参考电压时，这个光电流可以由光耦合器自动生成。
[0048]
在框508，在设置在低电压侧上的输出放大器的第一输入处接收第二光电流。在框510，输出放大器生成输出电压。在框512，在比较器的第一输入处接收输出电压。
[0049]
在判定框514，将输出电压与在比较器的第二输入处接收的第二参考电压进行比较。第二参考电压可以被设置为等于高电压侧上的第一参考电压。如果输出电压与第二参考电压相同，则流程进行到方框516，在该框，校准模式结束。
[0050]
如果在判定框514，输出电压大于第二参考电压，则流程进行到框518，在该框，耦合到输出放大器的计数器被递减计数。这种递减计数相应地对到输出放大器的输入电压进行调节。流程然后返回到框512。
[0051]
如果在判定框514，输出电压小于第二参考电压，则流程进行到框520，在该框520，耦合到输出放大器的计数器被递增计数。这种递增计数相应地对到输出放大器的输入电压进行调节。流程然后返回到框512。
[0052]
虽然已经参照某些实施例公开了本实施例，但是在不脱离如所附权利要求中限定的本公开的范畴和范围的情况下，对所描述的实施例的许多修改、变更和改变是可能的。因此，本实施例不限于所描述的实施例，并且可以具有由所附权利要求及其等同物的语言定义的全部范围。