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.