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A CMOS Hall-based fully integrated isolation amplifier for differential voltage sensing is presented in this work. The design is fabricated in a 0.35 µm CMOS process in which the high voltage (HV) side of the amplifier contains a coil driver while the low voltage (LV) side includes a Hall-effect sensor, lownoise amplifier, programmable-gain amplifier, filter, and chopper switches. Another Hall sensor performs the digital isolation using the on-off keying (OOK) technique for clock recovery. The introduced prototype achieves above 120 dB of isolation mode rejection (IMR) at 60 Hz and operates at a continuous isolation working voltage of 0.6 kV. It has also a maximum nonlinearity of 0.64 %, an input-referred offset of 1 mV, a 40 dB full-scale signal-to-noise ratio over a 40 kHz bandwidth, and a spurious-free dynamic range of 64 dB. The silicon area for each of the two separate dices employed for the HV and LV side of the isolation amplifier is 1 mm² with a power consumption of 7.6 mW and 9.9 mW respectively. The achieved miniaturized size of the isolation components, as well as their significantly low-power consumption, ensure the suitability of the proposed isolation amplifier for multi-channel readout circuit applications.

RÉSUMÉ: 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 intégré

A novel galvanic isolated amplifier based on CMOS integrated Hall sensors is presented in this paper. Two serially connected Hall-effect sensors are integrated along with their instrumentation amplifiers using the TSMC 65nm process. A printed-circuit board is employed to validate the proposed isolation amplifier by assembling the chip with chopper modulator, coil driver, miniature coil, variable gain amplifier, and anti-aliasing filter. Because of the miniaturized size of isolation components, this approach can be packaged in chip for industrial applications. This solution replaces the need of bulky/frequency dependent current transformers, complex isolation amplifiers with embedded analog to digital converters, and allows proposed sensors to be used in voltage and current sensing applications. The introduced prototype achieves an input referred offset of 1 mV, 50 dB full-scale signal-to-noise ratio in a 10 kHz bandwidth, and spurious-free dynamic range of 53 dB, while satisfying continuous isolation working voltage of 550 V.