A Wide Dynamic Range Programmable Isolation Voltage Amplifier Based on a Hall Effect Sensor

Depuis quelques années, la demande industrielle de circuit d'interface s'est spécialisée vers des architectures capables de tolérer des hautes tensions en mode commun. Les activités de recherche se sont alors orientées vers la conception d'amplificateurs d'isolation aptes à maintenir des caractéristiques performantes en présence de bruit mode commun. En dépit des récentes avancées dans le domaine, ces architectures complexes demeurent encombrantes, consomment beaucoup de puissance et de ce fait ne sont pas adaptées aux circuits d'interface multi-canaux. Cette thèse présente pour la première fois un amplificateur d'isolation dont le principe de base repose sur un couplage par champ magnétique utilisant un capteur à effet Hall. Cette approche a permis de concevoir un amplificateur d'isolation compact et entièrement intégré, qui permet une architecture multi-canaux qui n'utilise que deux puces. L'amplificateur permet une isolation de 0.6 kV (Viso), un taux de rejet en mode isolation de 120 dB pour les fréquences inférieures à 100 Hz et un rapport signal-bruit (SNR) de 86 dB mesuré avec un bande passante de 1 Hz. En comparaison avec les circuits existants, cette approche facilite la mise en boîtier, s'avère plus compacte en surface de silicium et consomme beaucoup moins. Tous les composants des circuits de tansmission et de réception sont intégrés dans une technologie CMOS 0.35 m. De plus, l'ampli présente une erreur de non-linéarité de seulement 0.6 % provenant de la linéarité du capteur à effet Hall pour de faibles champs magnétiques. L'amplificateur permet de mesurer une tension différentielle ou un courant en y ajoutant une résistance shunt. Le système d'isolation consiste en un pilote rail-rail et un modulateur hachoir pour le côté hautetension (HV) de la puce. Le pilote possède un gain ajustable de façon à mesurer soit une tension ou soit un courant via une résistance shunt. Sur le côté basse tension de la puce (LV), on retrouve une bobine spirale intégrée, un capteur à effet Hall cruciforme optimisé, des références de tension et de courant, un amplificateur bas bruit (LNA), le démodulateur hachoir et un filtre anti-alias. Il possède également un amplificateur à gain programmable (PGA) afin d'adapter la sortie de l'amplificateur à un convertisseur analogique à numérique (ADC) ayant différentes gammes de tension à l'entrée. Conséquemment à la méthode de modulation hachoir employée, le système requiert un circuit de recouvrement d'horloge.

Abstract

In response to the industrial need for a reliable, long life, and compact readout circuit capable of tolerating high common-mode voltages, many researchers and corporations have focused on adapting the isolation amplifiers (IA) to maintain robust performance in presence of common-mode noise. Despite all advances, yet they all suffer from being bulky, power-intensive, and complicated designs which makes them non applicable for multi-channel readout circuits. In this thesis, we introduce the first reported isolation voltage amplifier based on magnetic sensors in which data isolation is achieved through the Hall-effect. Using this approach, we demonstrate a miniaturized and fully integrated IA capable of having multi-channel isolated readout circuits using only two dice. The fully integrated approach satisfies 0.6 kV of isolation working voltage (Viso) and 120 dB of isolation mode rejection (IMR) for frequencies lower than 100 Hz, while achieving signal to noise ratio (SNR) of 86 dB in 1 Hz bandwidth. In comparison with similar products, the approach has minimal packaging complexity, consumes less dice area, and significantly reduces power consumption, which makes it suitable for multi-channel readout circuits and dense integration. Also, it has a good nonlinearity error of 0.6 % as a result of the linearity of Hall-effect sensors at low magnetic fields. This is the first demonstration of an approach compatible with multi-channel isolated sensing which stems from the small footprint of miniaturized transmit and receive (Tx/Rx) components as well as reduced power consumption. Finally, the design is capable of both shunt-based current sensing and differential voltage monitoring. The implemented data transmission system consists of a rail-to-rail driver and chopper modulator for the high voltage (HV) side dice. The driver has an adjustable gain to make the design suitable for voltage and current sensing applications. Also, for the low voltage (LV) side's dice, an integrated spiral coil, optimized cross-shaped Hall-effect sensor, voltage/current references, a low noise amplifier (LNA), chopper demodulator, and anti-aliasing filter (AAF) are fabricated. The LV dice is equipped with a programmable gain amplifier (PGA) for versatile interfacing with an analog to digital converter (ADC) with different input ranges. As a result of employed chopper modulator, a fully integrated approaches based on on-off keying (OOK) modulation was fabricated and tested to serve the clock-recovery of the design.