差分信号放大电路、数字隔离器和数字接收器的制作方法

本发明属于电耦合装置领域，特别涉及一种差分信号放大电路、数字隔离器和数字接收器。

背景技术：

数字隔离电路用于在数字信号发射电路和接收电路提供一种中间电路。隔离电路使不同电性器件保持通信，例如弱电与强电电路通信，同时防止不同电路之间相互干扰。

图1为传统的数字隔离器的实施方式，采用ook调制解调技术，由发送电路tx和接收电路rx组成，通过发送和不发送高频时钟信号来传输数字信号中的高低电平。

发送电路tx和接收电路rx电路元件按照图1中所示的方式连接。其中发送电路tx包括数字信号输入端tx_data、振荡器osc、隔离电容ciso1、ciso2；接收电路rx包括隔离电容ciso3、ciso4，两级放大电路amp1和amp2、电容c3和c4、比较器cmp，以及对地电阻r1、r2。

所述隔离电容ciso1和cios3以及cios2和cios4之间分别通过打线wire1和wire2连接。

当tx和rx之间出现共模瞬态干扰信号时，会有共模电流i1和i2分别流过隔离电容ciso1～ciso4，在电阻r1和r2上形成直流电压vi1和vi2，当出现共模瞬态干扰信号发生时，vi1和vi2会产生较大的直流失调电压，经过amp1放大后，直流失调电压vo1和vo2相对于vi1和vi2变得更大，导致amp2的增益和输出摆幅减小，信号传输功能异常。

技术实现要素：

本发明目的是为了解决上述放大电路的输入电压因共模干扰导致的直流失调电压进一步导致信号传输功能异常的问题。

为实现上述发明目的，本发明一实施方式中，提供一种差分信号放大电路,其包括多级差分放大器和共模瞬态自适应偏置电路；

所述多级差分放大器的初级差分放大器的正输入端和负输入端与共模瞬态自适应偏置电路的输入端连接；

共模瞬态自适应偏置电路用于检测所述正输入端和负输入端的正向或负向共模瞬态干扰信号，并在检测到所述正向或负向共模瞬态干扰信号时提供第二级以上至少一级差分放大器的偏置电流。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述共模瞬态自适应偏置电路包括共模检测电路和自适应偏置电路；所述共模检测电路分别与所述初级差分放大器的正输入端和负输入端连接；所述共模检测电路检测到所述正输入端和负输入端的正向或负向共模瞬态干扰信号时，导通所述自适应偏置电路，所述自适应偏置电路与所述多级差分放大器形成偏置电流回路。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述共模检测电路用于检测正向共模瞬态干扰信号，其包括并联的nmos管mc1和nmos管mc2，所述nmos管mc1和nmos管mc2的栅极分别连接所述初级差分放大器的正输入端和负输入端；所述nmos管mc1和nmos管mc2的漏极连接多级差分放大器的偏置电流输出端；所述nmos管mc1和nmos管mc2的源极连接所述自适应偏置电路的电流输入端。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述自适应偏置电路包括源极和漏极串联的nmos管mc3和nmos管mc4，其中nmos管mc3的漏极和栅极连接所述共模检测电路的输出端，nmos管mc4的源极接地。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述共模检测电路用于检测负向共模瞬态干扰信号，其包括

漏极串联的pmos管md4和nmos管md3，所述pmos管md4连接电源；

并联的pmos管md1和pmos管md2，pmos管md1和pmos管md2的源极与所述nmos管md3的源极连接；

所述pmos管md1和pmos管md2的栅极分别连接所述初级差分放大器的正输入端和负输入端；

所述pmos管md1和pmos管md2的漏极连接所述自适应偏置电路的信号输入端。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述自适应偏置电路为电流镜结构，所述电流镜的镜像电流输出端连接所述多级差分放大器的偏置电流输出端。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述自适应偏置电路包括栅极连接的nmos管md5和nmos管md6，nmos管md5和nmos管md6源极接地；所述nmos管md5漏极和栅极与所述自适应偏置电路的信号输出端连接；所述nmos管md6的漏极与所述多级差分放大器的偏置电流输出端连接。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述差分放大器为镜像电路，所述镜像电路的一侧包括通过漏极串联的pmos管ma3和nmos管ma1；

所述pmos管ma3的源极连接电源，pmos管ma3的栅极和源极之间连接电容，pmos管ma3的栅极和漏极之间连接偏置电阻；

所述nmos管ma1的漏极连接差分放大器的负输出端，nmos管ma1的栅极连接差分放大器的正输入端；

所述镜像电路的另一侧包括通过漏极串联的pmos管ma4和nmos管ma2；

所述pmos管ma4的源极连接电源，pmos管的栅极和源极之间连接电容，pmos管ma4的栅极和漏极之间连接偏置电阻；

所述nmos管ma2的漏极连接差分放大器的正输出端，nmos管的栅极连接差分放大器的负输入端；

所述镜像电路两侧的pmos管ma3和pmos管ma4源极并联，所述镜像电路两侧的nmos管ma1和nmos管ma2的源极并联；所述nmos管ma1和nmos管ma2的源极连接对地nmos管的漏极。

作为本发明一实施方式的进一步改进，第二级以上差分放大器中，包含至少一级nmos管的源极与偏置电流输出端连接的差分放大器。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述初级差分放大器的正输入端和负输入端分别连接电阻r3和电阻r4至参考电平。

作为本发明一实施方式的进一步改进，所述初级差分放大器的正输入端和负输入端串联隔离电容ciso3和隔离电容ciso4。

为实现上述发明目的，本发明一实施方式中，提供一种数字隔离器接收器，基于同样的技术改进本发明提供包括差分信号放大电路的数字隔离器接收器，差分信号放大器的正输入端和负输入端连接数字隔离器的正输入端和负输入端；所述差分信号放大电路的输出端连接比较器的输入端，所述比较器的输出端连接数字隔离器接收端的输出端。

为实现上述发明目的，本发明一实施方式中，提供一种数字隔离器，包括发射器和接收器；

所述发射器包括振荡器以及发射驱动电路，所述发射驱动电路的振荡信号输入端与所述振荡器连接，发射驱动电路的数字输入端与发射器的数字信号输入端连接，发射驱动电路的输出端与发射器输出端连接；

所述接收器包括差分信号放大电路和比较电路，所述差分信号放大电路的输入端与所述接收器的输入端连接，所述差分信号放大电路的输出端与比较电路的输入端连接；所述比较电路的输出端与接收器的数字输出端连接；

其特征在于，所述差分信号放大电路包括多级差分放大器和共模瞬态自适应偏置电路；

所述多级差分放大器的初级差分放大器的正输入端和负输入端与共模瞬态自适应偏置电路的输入端连接；

所述共模瞬态自适应偏置电路用于检测所述正输入端和负输入端的正向或负向共模瞬态干扰信号,并在检测到所述正向或负向共模瞬态干扰信号时提供第二级以上至少一级差分放大器的偏置电流。

与现有技术相比，本发明技术方案能够抑制共模干扰信号导致的信号传输异常。

附图说明

图1是数字隔离器现有技术示意图。

图2是差分信号放大电路框架结构示意图。

图3是多级差分放大器连接结构示意图。

图4是初级差分放大电路结构示意图。

图5是第二级以上带有偏置电流输出端的差分放大电路结构示意图。

图6是共模瞬态自适应偏置电路示意图。

图7是共模瞬态自适应偏置另一实施方式电路示意图。

图8是数字接收器隔离端结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明技术方案优选的实施方式进行详细描述，以帮助本领域技术人员理解本发明技术方案。

图2所示的差分信号放大电路架构图，包括多级差分放大器100和用于提供多级差分放大器100偏置电流的共模瞬态自适应偏置电路(cmti)200。

多级差分放大器100包括至少两级差分放大器,共模瞬态自适应偏置电路200的输入端与所述多级差分放大器的正输入端inp和负输入端inn连接，在该输入端上产生的正向或负向的共模干扰信号被输入到所述共模瞬态自适应偏置电路200。该共模瞬态自适应偏置电路200检测所述正输入端inp和负输入端inn的正向或负向的共模瞬态干扰信号，所述共模瞬态干扰信号达到所述共模瞬态自适应偏置电路200启动电压后认为检测到有效的所述检测到所述正向或负向的共模瞬态干扰信号，并在检测到所述正向或负向的共模瞬态干扰信号时提供第二级以上至少一级差分放大器的偏置电流。

发生共模瞬态干扰时，所述多级放大电路的输入直流失调电压，并且经过初级放大器放大后，所述失调电压进一步变大，从而导致失调电压沿着多级放大电路传递最终导致信号传输以上。在本方案中，共模瞬态自适应偏置电路200能够对出现的正向或负向共模瞬态干扰信号造成的放大器输出损失进行补偿。所述初级失调电压出现时，初级放大电路的正向或负向输入电压和反向输入电压增加，该电压变化值超过共模瞬态自适应偏置电路的开启电压时，共模瞬态自适应偏置电路200即通过提供偏置电流的方式提供第二级以上的差分放大器中的电流，该差分电流补偿了因电压失调导致的差分放大器减小的输出摆幅和增益损失，避免了所述共模信号造成的直流输入电压失配继续在第二级或第二级以上差分放大器之间传递。因此也就抑制了所述共模信号对信号传输的干扰。通过该方法所述共模瞬态自适应偏置200电路可对第二级放大电路以上的每一级或不特定的几级差分放大器进行补偿。

参照3所述多级放大电路100包括多个输入输出串联的差分放大器amp1至ampn。初级差分放大器amp1的正输入端inp、负输入端inn作为多级放大电路的输入端。可选地，所述amp2至ampn中任意数量的放大器偏置电流输出端与所述共模瞬态自适应偏置200电路连接。所述共模瞬态自适应偏置电路可同时对多个差分放大器的偏置电流调整。在连接顺序上可按照amp2、amp3、amp4、amp5……ampn顺序与所述共模瞬态自适应偏置电路连接。亦可按照amp2、amp4、amp6、amp8……amp2n每隔一级与所述共模瞬态自适应偏置电路连接，或其他任意本领域技术人员已知的电学连接方式。所述共模瞬态自适应偏置电路200的数量不限于图3中所示的一个，其可以为多个，此时共模瞬态自适应偏置电路200与多级差分放大器amp1至ampn的连接关系为一对一连接或一对多连接或多对一连接或多对多连接。采用此种连接方案所述共模瞬态自适应偏置电路可同时提供一级或多级差分放大器的偏置电流补偿。

图4为所述多级放大电路中初级差分放大器amp1结构示意图，图5在图4的基础上增加偏置电流输出端ibcmti。在差分放大器amp1至ampn中，至少包含一级差分放大器设置图5所示的偏置电流输出端ibcmti。

参照图5，差分放大电路由多个镜像连接的基本元件构成。所述镜像电路的左侧包括通过漏极串联的pmos管ma3和nmos管ma1；所述pmos管ma3的源极连接电源vcc，pmos管ma3的栅极和源极之间连接电容ca1，pmos管的栅极和漏极之间连接偏置电阻ra1；所述nmos管ma1的漏极连接差分放大器的outn负输出端，nmos管ma1的栅极连接差分放大器的正输入端inp；镜像结构右侧包括通过漏极串联的pmos管ma4和nmos管ma2；所述pmos管ma4的源极连接电源vcc，pmos管ma4的栅极和源极之间连接电容ca2，pmos管ma4的栅极和漏极之间连接偏置电阻ra2；所述nmos管ma2的漏极连接差分放大器的正输出端outp，nmos管ma2的栅极连接差分放大器的负输入端inn。

所述镜像电路两侧的pmos管ma3和pmos管ma4源极并联，所述镜像电路两侧的nmos管ma1和nmos管ma2的源极并联；所述nmos管ma1和nmos管ma2的源极连接对地nmos管ma5的漏极。所述对地nmos管ma5的栅极连接参考电平vbn，提供放大器正常工作所需的偏置电流。

所述nmos管ma1/ma2源极连接偏置电流输出端ibcmti，输出偏置电流时所述差分电路两侧的镜像电流增大，所述差分放大电路的正输出端outp和负输出端outn的输出电势差变大，即对应输出信号波形摆幅变大。多级差分放大器amp2至ampn中至少有一级放大器设置所述偏置电流输出端ibcmti。不同级的偏置电流输出端ibcmti与所述共模瞬态自适应偏置电路200连接形成多级输出增益和摆幅补偿。

图6和图7为共模瞬态自适应偏置电路的两种实施方式，图6所示的共模瞬态自适应偏置电路用于检测和抑制正向共模瞬态干扰信号。图7所示共模瞬态自适应偏置电路用于检测和抑制负向共模瞬态干扰信号。正向和负向的共模瞬态自适应偏置电路可以单独使用其中一个与所述多级差分放大器100连接，或两个并联同时与所述多级差分放大器100连接使用。

参照图6所示的正向共模瞬态自适应偏置电路200，其连接初级放大器的输入端。初级放大器amp1的正输入端inp和负输入端inn通过隔离电容ciso3和ciso4连接下文所述接收器的正输入端rxinp和负输入端rxinn。该初级放大器的正输入端和负输入端通过电阻r3、r4与电平vcm连接，出现共模信号时所述电阻r3、r4上形成直流电压vi1和vi2，所述自适应偏置电路检测所述直流电压vi1和vi2，并根据直流电压vi1和vi2的值确定是否发生共模干扰。

所述共模瞬态自适应偏置200电路包括共模检测电路300和自适应偏置电路400。所述共模检测电路300包括两并联的nmos管mc1和nmos管mc2，两nmos管的栅极，作为共模瞬态自适应偏置电路的输入端，分别连接所述初级差分放大器的正输入端inp和负输入端inn。所述nmos管mc1/mc2的漏极连接差分放大电路的偏置电流输出端ibcmti；所述nmos管mc1和nmos管mc2的源极连接所述自适应偏置电路的电流输入端biasin。

所述自适应偏置电路400包括源极和漏极串联的nmos管mc3和nmos管mc4，其中一个nmos管mc3的漏极和栅极连接所述共模检测电路300的输出端cmtiout，另一nmos管mc4的源极接地。所述对地nmos管mc4栅极连接参考电平vbn，用于产生补偿的偏置电流。

由于所述nmos管mc3栅极连接共模检测电路300的输出端cmtiout，因此所述共模瞬态自适应偏置电路的启动电压为所述nmos管mc1或mc2与nmos管mc3的阈值电压之和。

所述共模干扰信号在对地电阻r3或r4上形成的共模直流电压vi1或vi2大于启动电压时，所述共模检测电路300的nmos管导通，使得所述自适应偏置电路400与所述偏置电流的输出端ibcmti导通。所述共模检测电路300使所述自适应偏置电路400与所述至少一个所述差分放大器amp2……ampn形成偏置电流回路，所述自适应偏置电流回路中形成偏置电流，所述偏置电流输出端ibcmti的电流经过自适应偏置电路400流向地，所述偏置电流增大了差分放大器中镜像电路的电流，使得相应的差分放大器的增益和输出摆幅增加，从而补偿初级差分放大器的输出直流失调的影响。差分信号放大电路输出摆幅变大消除了所述共模信号干扰的影响。

参照图7所示的负向共模瞬态自适应偏置电路，其连接初级放大电路的输入端。其与图6中所示的正向共模瞬态自适应偏置电路200并联。并且与初级差分放大器amp1的正输入端inp或负输入端inn以及电阻r1或r2的连接方式，与图6所示的正向共模瞬态自适应偏置电路的连接方式相同。

图7所示的负向共模瞬态自适应偏置电路，包括所述共模检测电路600和所述自适应偏置电路800。漏极串联的pmos管md4和nmos管md3，所述pmos管md4源极连接电源vcc，pmos管md4和nmos管md3栅极分别连接电平vbp和电平vset；并联的pmos管md1和pmos管md2的源极与所述nmos管md3的源极连接；所述pmos管md1和pmos管md2的栅极分别连接所述初级差分放大器amp1的正输入端inp和负输入端inn；所述pmos管md1和pmos管md2的漏极连接所述自适应偏置电路800的信号输入端biasin'。

所述共模检测电路600可检测的负向的共模瞬态干扰信号并自适应调整偏置电流。pmos管md4根据电平vbp产生偏置电流，pmos管md1和pmos管md2检测共模电压，当vcm小于vset减去md3的阈值电压和md1或md2的阈值电压时(即vcm<vset-|vth_md3|-vth_md1或vcm<vset-|vth_md3|-vth_md2)自适应偏置电流开启。共模检测电路的输出端cmtiout'产生电流信号输出。

继续参照图7，所述自适应偏置电路800为电流镜结构，所述电流镜的镜像电流输出端连接所述多级差分放大器100的偏置电流输出端ibcmti。所述自适应偏置电路包括栅极连接的nmos管md5和nmos管(md6)，nmos管(md5)和nmos管(md6)源极接地；所述nmos管md5漏极和栅极与所述自适应偏置电路800的信号输出端cmtiout’连接；所述nmos管md6的漏极与所述多级差分放大器100的偏置电流输出端ibcmti连接。

所述共模检测电路600开启后电流信号经过所述nmos管md5和nmos管md6的栅极并在nmos管md6的漏极形成镜像电流，所述镜像电流增大了多级差分放大器100中镜像电路的电流，使得相应的差分放大器的增益和输出摆幅增加，消除了所述共模信号干扰的影响。

图8为数字隔离器，其包括通过电容隔离的发射器tx和接收器rx。所述数字隔离器包括连接所述发射器正输出端txoutp和负输出端txoutn的隔离电容ciso1和ciso2，以及连接在所述接收器正输入端rxinp和负输入端rxinn的隔离电容ciso3和ciso4。发射器rx正输出端txoutp与接收器正输入端rxinp以及发射器负输出端txoutn与接收器负输入端rxinn通过打线连接。本领域技术人员容易想到所述隔离手段还包括光隔离、电阻隔离、电感隔离。

所述发射器tx包括振荡器osc以及发射驱动电路txdriver，发射驱动电路调制、发射ook调制信号。所述发射驱动电路txdriver的振荡信号输入端与所述振荡器osc连接，发射驱动电路的数字输入端与发射器的数字信号输入端txin连接，发射驱动电路的输出端txdrvp/txdrvn与发射器输出端txoutp/txoutn连接。所述振荡器osc产生载波信号，所述发射驱动电路txdriver内的开关器件被数字信号输入端txin输入的数字信号txdata驱动，所述数字信号为高电平时所述发射驱动电路txdriver的正负输出端输出所述振荡器产生的高频信号，低电平时所述发射驱动电路不输出信号。由此实现二进制信号加载到高频载波上。

所述接收器rx包括多级差分信号放大电路和比较电路cmp，用于接收解调ook调制信号，差分信号放大电路的正负输入端与所述接收器的输入端rxinp连接，所述多级放大电路的输出端与比较电路cmp的输入端连接，比较电路cmp的正负输入端和差分信号放大电路的正负输出端通过耦合电容c3、c4连接，所述比较电路两输入端为高频信号时比较电路输出高电平，两输入端没有信号时比较电路输出低电平，进而完成数字信号rxdata输出；所述比较电路的输出端与接收器的数字输出端rxout连接。

所述多级放大电路包括多级差分放大器amp和共模瞬态自适应偏置电路200。所述多级差分放大器amp的结构如图3所示其包含amp1-ampn，每一级差分放大器包括如图4所示的镜像结构，其中第二级差分放大器amp2以上的放大电路包括如图5所示的偏置电流输出端。初级差分放大器amp1的正输入端和负输入端与共模瞬态自适应偏置电路200的输入端连接。

共模瞬态自适应偏置电路200包括图6正向共模瞬态自适应偏置电路或图7所示的负向共模瞬态自适应偏置电路。正向共模瞬态自适应偏置电路包括正向共模检测电路300和自适应偏置电路400。负向共模瞬态自适应偏置电路包括负向共模检测电路600和自适应偏置电路800。共模瞬态自适应偏置电路200与第二级以上差分放大器amp2……ampn可选的按照一对多、多对一或多对多的方式连接。

数字隔离器可选地，单独使用所述正向共模瞬态自适应偏置电路或负向共模瞬态自适应偏置电路，或将两者并联同时检测并抑制正向或负向共模瞬干扰信号。共模瞬态自适应偏置电路200用于检测所述正输入端rxinp和负输入端rxinn的共模瞬态干扰信号,并在检测到所述共模瞬态干扰信号时提供第二级以上至少一个差分放大器的偏置电流。所述偏置电流补偿共模干扰造成的放大器输出增益损失，使得信号传输正常进行。