CN104571246A - 一种应用于霍尔传感器的旋转电流电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于霍尔传感器的旋转电流电路，该电路能够消除旋转电流电路中MOSFET开关管导通电阻和寄生电容对电路的干扰，稳定电路的输出共模电压。该电路的结构简单、可靠性高，可广泛应用于霍尔传感器进行霍尔信号的电流旋转，以消除霍尔失调。本发明的旋转电流电路主要应用于集成2D霍尔传感器。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于霍尔传感器的旋转电流电路，属于电学技术领域。
背景技术
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器,霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。通过它，将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。
然而基于硅工艺的霍尔传感器的磁场灵敏度低，失调很严重，必须采用相应的技术来消除失调,通常采用二相旋转电流法。但由于旋转电流电路MOS开关的非理想性，存在导通电阻，导致共模电压偏离正常的工作点；又由于寄生电容的影响效应，导致在该周期本应关断的器件，仍有信号输出，影响了旋转电流电路的正常工作。
传统的霍尔传感器二相旋转电流电路如图1所示，在进行每一相旋转电流时，4个MOSFET管导通，另外4个MOSFET管开关截止，因此可以用如图2所示的电路来说明。图2中霍尔器件可以等效为一个惠斯通电桥，四个桥臂电阻来模拟霍尔器件的电阻特性，可以用三个相等电阻R和一个不等电阻(R+△R)来模拟霍尔器件的内部失调，而用两个电压源(VH+,VH-)等效两个输出端产生的霍尔电压。在开关导通周期，由于MOSFET开关的非理想性，存在导通电阻(Ronl,Ronr,Ront,Ronb)。由于决定MOSFET导通电阻的栅源电压并不一致，导致MOSFET开关的导通电阻相差较大，使得输出的共模电压并非在VDD/2附近(VDD为电源电压)。此外又由于MOS管存在寄生电容效应，导致该相旋转电流本应关断的MOSFET仍有信号输出，从而对其他工作的旋转电流电路的输出产生干扰，严重影响了后续的失调信号消除和霍尔信号的放大。而本发明能够很好地解决上面的问题。
发明内容
本发明目的在于针对传统旋转电流电路中MOSFET开关失配和寄生电容问题，提出了一种应用于霍尔传感器的旋转电流电路，该电路能够消除旋转电流电路中MOSFET开关管导通电阻和寄生电容干扰，解决了实际应用中MOSFET开关的非理想性因素和稳定旋转电流电路的共模输出电压的问题。同时，该电路还能够应用于集成2D霍尔传感器电路，并能够消除X轴和Y轴霍尔器件在旋转电流时的相互串扰，提高了霍尔传感器的精度，线性度和可靠度。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种应用于霍尔传感器的旋转电流电路，该电路是由9个N沟道MOS管，即：M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9和一个运算放大器A构成；MOS管M1和M2的漏极接偏置电源，MOS管M1的源极接霍尔器件的上端口T和MOS管M4的源极，MOS管M2的源极接霍尔器件的右端口R和MOS管M3的源极；MOS管M3和M4的漏极接电路的输出端口Vout和MOS管M9的漏极；MOS管M5和M6的源极接运算放大器的输出端，MOS管M5的漏极接霍尔器件的下端口B和MOS管M8的漏极，MOS管M6的漏极接霍尔器件的左端口L和MOS管M7的漏极；MOS管M7和M8的源极接运算放大器A的反相输入端，运算放大器A的同相输入端接VDD/2偏置电压；MOS管M9的漏极接电路的输出端Vout，M9的源极接VDD/2偏置电压；MOS管M1、M3、M5和M7管的栅极接时钟信号CLK1，MOS管M2、M4、M6和M8管的栅极接时钟信号CLK2，MOS管M9的栅极接CLK3。
本发明所述电路当旋转电流电路进行第一相旋转电流时，时钟信号CLK1为高电平，MOS管M1、M3、M5、M7导通，MOS管M2、M4、M6、M8截止，偏置电流由霍尔器的上端口T流至下端口B，再通过MOS管M5连接至运算放大器A的输出端，形成一个闭环回路；霍尔器件的左端口L通过MOS管M7连接运放A的反相输入端，运算放大器的同相输入端连接VDD/2偏置电压；霍尔器件的右端口R通过MOS管M3连接至旋转电流电路的输出端Vout；
当旋转电流电路进行第二相旋转电流时，时钟信号CLK2为高电平，MOS管M2、M4、M6、M8导通，MOS管M1、M3、M5、M7关断，偏置电流由霍尔器件的右端口R流至左端口L，再通过MOS管M6连接至运算放大器A的输出端，形成一个闭环回路；霍尔器件的下端口B通过MOS管M8连接至运算放大器的反相输入端，霍尔器件的上端口T通过MOS管M4连接至旋转电流电路的输出端Vout；在进行电流旋转时，由于运算放大器的开环增益较大，具有虚短路和虚断特性，当运算放大器的反相输入端接VDD/2偏置电压，则霍尔器件的一个端口电压为VDD/2偏置电压，霍尔器件另一个端口的输出共模电压能钳制在VDD/2，使该电路输出端的共模电压不受开关导通电阻的影响；
当不进行旋转电流时，时钟CLK3为高电平，旋转电流电路中MOS管M1—M8开关均关断，MOS管M9闭合，通过MOS管M9将旋转电流电路输出信号共模电压钳制在VDD/2，能避免该电路不工作时产生干扰信号输出到后级的放大电路。
本发明所述电路的2D霍尔传感器中包含X轴和Y轴两个相同的电流旋转电路，X轴旋转电流电路中的9个NMOS管受信号CLK1x、CLK2x、CLK3x控制，Y轴旋转电流电路中的9个NMOS管受信号CLK1y、CLK2y、CLK3y所控制。
本发明稳定了旋转电流电路的共模输出电压。本发明在传统旋转电流电路增加了一个运算放大器，利用运算放大器虚短路和虚断特性，使旋转电流电路的共模输出电压稳定VDD/2，消除了MOS管导通电阻不一致而导致共模输出电压变化的问题，使后级放大电路的工作点稳定，保证了后级电路对霍尔信号的放大以及对失调信号的消除，提高了整个霍尔传感器的性能。
本发明应用范围广，不仅能够应用在2D霍尔传感器二相旋转电流法中，亦可拓展到四相旋转电流法中，在3D霍尔传感器同样可以应用。
本发明消除了旋转电流电路电容寄生效应的影响。在霍尔传感器中存在多个旋转电流电路(比如：2D和3D霍尔传感器)，它们的输出都要输入到后级的放大电路，本发明提出的旋转电流电路可消除旋转电流电路不工作时产生的寄生干扰信号，保证多个旋转电流电路之间信号相互不影响，提高了整个霍尔传感器的可靠性。
有益效果：
1、本发明稳定了旋转电流电路的共模输出电压，保证了后级电路对霍尔信号的放大以及对失调信号的消除，提高了整个霍尔传感器的性能。
2、本发明消除了旋转电流电路电容寄生效应的影响，保证了多个旋转电流电路之间信号相互不影响，提高了整个霍尔传感器的可靠性。
3、本发明结构简单、能广泛应用于霍尔传感器进行霍尔信号的电流旋转，以消除霍尔失调。。
附图说明
图1为传统霍尔传感器旋转电流电路图。
图2为传统霍尔传感器旋转电流电路的等效电路图。
图3为本发明提出的霍尔传感器旋转电流电路的原理示意图。
图4为本发明提出的霍尔传感器旋转电流电路的时序控制图。
图5为本发明提出的霍尔传感器旋转电流电路图。
图6为本发明提出的2D霍尔传感器旋转电流电路图。
图7为本发明提出的2D霍尔传感器旋转电流电路的时序控制图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明创造做进一步说明。
如图3所示和图5所示，本发明的旋转电流电路是由9个N沟道MOS管(即：M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9)和一个运算放大器A构成。该电路的结构如下：MOS管M1和M2的漏极接偏置电源，MOS管M1的源极接霍尔器件的上端口(T)和MOS管M4的源极，MOS管M2的源极接霍尔器件的右端口(R)和MOS管M3的源极；MOS管M3和M4的漏极接电路的输出端口(Vout)和MOS管M9的漏极；MOS管M5和M6的源极接运算放大器的输出端，MOS管M5的漏极接霍尔器件的下端口(B)和MOS管M8的漏极，MOS管M6的漏极接霍尔器件的左端口(L)和MOS管M7的漏极；MOS管M7和M8的源极接运算放大器A的反相输入端，运算放大器A的同相输入端接VDD/2偏置电压；MOS管M9的漏极接电路的输出端(Vout)，M9的源极接VDD/2偏置电压。MOS管M1、M3、M5和M7管的栅极接时钟信号CLK1，MOS管M2、M4、M6和M8管的栅极接时钟信号CLK2，MOS管M9的栅极接CLK3。时钟CLK1、CLK2、CLK3的时序图如图4所示。该旋转电流电路的工作过程如下：
当进行第一相旋转电流时，时钟信号CLK1为高电平，MOS管M1、M3、M5、M7导通，MOS管M2、M4、M6、M8截止，偏置电流由霍尔器的上端口(T)流至下端口(B)，再通过MOS管M5连接至运算放大器A的输出端，形成一个闭环回路；霍尔器件的左端口(L)通过MOS管M7连接运放A的反相输入端，运算放大器的同相输入端连接VDD/2偏置电压；霍尔器件的右端口(R)通过MOS管M3连接至旋转电流电路的输出端(Vout)。
当进行第二相旋转电流时，时钟信号CLK2为高电平，MOS管M2、M4、M6、M8导通，MOS管M1、M3、M5、M7关断，偏置电流由霍尔器件的右端口(R)流至左端口(L)，再通过MOS管M6连接至运算放大器A的输出端，形成一个闭环回路；霍尔器件的下端口(B)通过MOS管M8连接至运算放大器的反相输入端，霍尔器件的上端口(T)通过MOS管M4连接至旋转电流电路的输出端(Vout)。在进行电流旋转时，由于运算放大器的开环增益较大，具有虚短和虚断特性，当运算放大器的同相输入端接VDD/2偏置电压，则霍尔器件的一个端口电压为VDD/2偏置电压，霍尔器件另一个端口的输出共模电压也可以钳制在VDD/2，从而使该电路输出端的共模电压不受开关导通电阻的影响。
当不进行旋转电流时，时钟CLK3为高电平，旋转电流电路中MOS管M1—M8开关均关断，MOS管M9闭合，通过MOS管M9将旋转电流电路输出信号共模电压钳制在VDD/2，而避免了该旋转电流电路不工作时产生干扰信号输出到后级的放大电路。
在2D霍尔传感器中包含处理X轴和Y轴磁场的两个图5所示的旋转电流电路，其电路图如图6所示。X轴旋转电流电路中的9个NMOS管受信号CLK1x、CLK2x、CLK3x控制，Y轴旋转电流电路中的9个NMOS管受信号CLK1y、CLK2y、CLK3y所控制，它们的时序图如图7所示。2D霍尔传感器中旋转X轴和Y轴电流电路具体的工作步骤包括：
步骤1：当时钟CLK1x为高电平时，X轴方向旋转电流电路进行第一相电流旋转。MOS管M1、M3、M5、M7在CLK1x控制下导通，偏置电流通过M1流入霍尔器件的上端口(T)然后从下端口(B)流出，再通过M5接运算放大器A的输出端。霍尔器件的左端口(L)通过M7接入运放的反相输入端，霍尔器件的右端口(R)通过M3输出霍尔电压。由于运算放大器的虚短路和虚断特性，当运算放大器的同相输入端接VDD/2偏置电压，旋转电流电路输出的共模电压始终稳定在VDD/2。此时Y轴方向旋转电流电路中的MOS管全部关断，由CLK3y控制M9导通，输出电压为VDD/2。
步骤2：当时钟CLK2x为高电平时，X轴方向的旋转电流电路进行第二相电流旋转。MOS管M2、M4、M6、M8在CLK1y控制下导通，偏置电流通过M2，流入霍尔器件的右端口(R)然后从左端口(L)流出，再通过M6接运算放大器A的输出端。霍尔器件的下端口(B)通过M8接入运放的反相输入端，霍尔器件的上端口(T)通过M4输出霍尔电压。由于运算放大器的虚短路和虚断特性，当运算放大器的同相输入端接VDD/2偏置电压，旋转电流电路输出的共模电压始终稳定在VDD/2。此时Y轴方向旋转电流电路中的MOS管全部关断，由CLK3y控制M9导通，输出电压为VDD/2。
步骤3：当时钟CLK1y为高电平时，Y轴方向旋转电流电路进行第一相电流旋转。MOS管M1、M3、M5、M7在CLK1y控制下导通，偏置电流通过M1流入霍尔器件的上端口(T)然后从下端口(B)流出，再通过M5接运算放大器A的输出端。霍尔器件的左端口(L)通过M7接入运放的反相输入端，霍尔器件的右端口(R)通过M3输出霍尔电压。由于运算放大器的虚短路和虚断特性，当运算放大器的同相输入端接VDD/2偏置电压，旋转电流电路输出的共模电压始终稳定在VDD/2。此时X轴方向旋转电流电路中的MOS管全部关断，由CLK3x控制M9导通，输出电压为VDD/2。
步骤4：当时钟CLK2y为高电平时，Y轴方向的旋转电流电路进行第二相电流旋转。MOS管M2、M4、M6、M8在CLK2y控制下导通，偏置电流通过M2，流入霍尔器件的右端口(R)然后从左端口(L)流出，再通过M6接运算放大器A的输出端。霍尔器件的下端口(B)通过M8接入运放的反相输入端，霍尔器件的上端口(T)通过M4输出霍尔电压。由于运算放大器的虚短路和虚断特性，当运算放大器的同相输入端接VDD/2偏置电压，旋转电流电路输出的共模电压始终稳定在VDD/2。此时X轴方向旋转电流电路中的MOS管全部关断，由CLK3x控制M9导通，输出电压为VDD/2。
X和Y轴旋转电流电路输出信号同时送到图7所示的差分-差分运算放大器(DDA)的两个差对输入端，由于旋转电流电路在不进行旋转电流时输出电压被钳制在VDD/2，不会发生X和Y轴旋转电流电路之间的干扰，保证了后级电路对失调信号的消除和对霍尔信号的放大。
如图3所示，本发明能够保持输出共模电压稳定以及消除寄生电容效应影响，其电路中的开关受时钟CLK1、CLK2、和CLK3控制，时钟的时序图如图4所示。当时钟信号CLK1为高电平时，开关S1、S3、S5、S7闭合，S2、S4、S6、S8关断，偏置电流由霍尔器的上端口(T)流至下端口B，再通过开关S5连接至运算放大器A的输出端，形成一个闭环回路；霍尔器件的左端口(L)通过开关S7连接运放A的反相输入端，运算放大器的同相输入端连接VDD/2偏置电压；霍尔器件的右端口R通过开关S3连接至旋转电流电路的输出端Vout。同样，当时钟信号CLK2为高电平时，开关S2、S4、S6、S8闭合，S1、S3、S5、S7关断，偏置电流由霍尔器件的右端口R流至左端口(L)，再通过开关S6连接至运算放大器A的输出端，形成一个闭环回路；霍尔器件的下端口(B)通过开关S8连接至运算放大器的反相输入端，霍尔器件的上端口(T)通过开关S4连接至旋转电流电路的输出端(Vout)。在进行电流旋转时，由于运算放大器的开环增益较大，具有虚短和虚断特性，当运算放大器的反相输入端接VDD/2偏置电压，则霍尔器件的一个端口电压为VDD/2偏置电压，霍尔器件另一个端口的输出共模电压也可以钳制在VDD/2，从而使该电路输出端的共模电压不受开关导通电阻的影响。当时钟CLK3为高电平时，旋转电流电路中S1—S8开关均关断，开关管S9闭合，通过开关S9将旋转电流电路输出信号共模电压钳制在VDD/2，而避免了该旋转电流电路不工作时产生干扰信号输出到后级的放大电路。
Claims (5)
1.一种应用于霍尔传感器的旋转电流电路，其特征在于：所述电路是由9个N沟道MOS管，即：M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9和一个运算放大器A构成；MOS管M1和M2的漏极接偏置电源，MOS管M1的源极接霍尔器件的上端口T和MOS管M4的源极，MOS管M2的源极接霍尔器件的右端口R和MOS管M3的源极；MOS管M3和M4的漏极接电路的输出端口Vout和MOS管M9的漏极；MOS管M5和M6的源极接运算放大器的输出端，MOS管M5的漏极接霍尔器件的下端口B和MOS管M8的漏极，MOS管M6的漏极接霍尔器件的左端口L和MOS管M7的漏极；MOS管M7和M8的源极接运算放大器A的反相输入端，运算放大器A的同相输入端接VDD/2偏置电压；MOS管M9的漏极接电路的输出端Vout，M9的源极接VDD/2偏置电压；MOS管M1、M3、M5和M7管的栅极接时钟信号CLK1，MOS管M2、M4、M6和M8管的栅极接时钟信号CLK2，MOS管M9的栅极接CLK3。
2.根据权利要求1所述的一种应用于霍尔传感器的旋转电流电路，其特征在于：所述电路当旋转电流电路进行第一相旋转电流时，时钟信号CLK1为高电平，MOS管M1、M3、M5、M7导通，MOS管M2、M4、M6、M8截止，偏置电流由霍尔器的上端口T流至下端口B，再通过MOS管M5连接至运算放大器A的输出端，形成一个闭环回路；霍尔器件的左端口L通过MOS管M7连接运放A的反相输入端，运算放大器的同相输入端连接VDD/2偏置电压；霍尔器件的右端口R通过MOS管M3连接至旋转电流电路的输出端Vout；
当旋转电流电路进行第二相旋转电流时，时钟信号CLK2为高电平，MOS管M2、M4、M6、M8导通，MOS管M1、M3、M5、M7关断，偏置电流由霍尔器件的右端口R流至左端口L，再通过MOS管M6连接至运算放大器A的输出端，形成一个闭环回路；霍尔器件的下端口B通过MOS管M8连接至运算放大器的反相输入端，霍尔器件的上端口T通过MOS管M4连接至旋转电流电路的输出端Vout；在进行电流旋转时，由于运算放大器的开环增益较大，具有虚短和虚断特性，当运算放大器的反相输入端接VDD/2偏置电压，则霍尔器件的一个端口电压为VDD/2偏置电压，霍尔器件另一个端口的输出共模电压能钳制在VDD/2，使该电路输出端的共模电压不受开关导通电阻的影响；
当不进行旋转电流时，时钟CLK3为高电平，旋转电流电路中MOS管M1—M8开关均关断，MOS管M9闭合，通过MOS管M9将旋转电流电路输出信号共模电压钳制在VDD/2，能避免该电路不工作时产生干扰信号输出到后级的放大电路。
3.根据权利要求1一种应用于霍尔传感器的旋转电流电路，：所述电路的2D霍尔传感器中包含X轴和Y轴两个相同的旋转电流电路，X轴旋转电流电路中的9个NMOS管受信号CLK1x、CLK2x、CLK3x控制，Y轴旋转电流电路中的9个NMOS管受信号CLK1y、CLK2y、CLK3y所控制。
4.根据权利要求3一种应用于霍尔传感器的旋转电流电路，所述的两个旋转电流电路的工作步骤包括：
步骤1：当时钟CLK1x为高电平时，X轴方向旋转电流电路进行第一相电流旋转；MOS管M1、M3、M5、M7在CLK1x控制下导通，偏置电流通过M1流入霍尔器件的上端口T，然后从下端口B流出，再通过M5接运算放大器A的输出端；霍尔器件的左端口L通过M7接入运放的反相输入端，霍尔器件的右端口R通过M3输出霍尔电压；由于运算放大器的虚短路和虚断特性，当运算放大器的同相输入端接VDD/2偏置电压，旋转电流电路输出的共模电压始终稳定在VDD/2；此时Y轴方向旋转电流电路中的MOS管全部关断，由CLK3y控制M9导通，输出电压为VDD/2；
步骤2：当时钟CLK2x为高电平时，X轴方向的旋转电流电路进行第二相电流旋转；MOS管M2、M4、M6、M8在CLK1y控制下导通，偏置电流通过M2，流入霍尔器件的右端口R，然后从左端口L流出，再通过M6接运算放大器A的输出端；霍尔器件的下端口B通过M8接入运放的反相输入端，霍尔器件的上端口T通过M4输出霍尔电压；由于运算放大器的虚短路和虚断特性，当运算放大器的同相输入端接VDD/2偏置电压，旋转电流电路输出的共模电压始终稳定在VDD/2；此时Y轴方向旋转电流电路中的MOS管全部关断，由CLK3y控制M9导通，输出电压为VDD/2；
步骤3：当时钟CLK1y为高电平时，Y轴方向旋转电流电路进行第一相电流旋转；MOS管M1、M3、M5、M7在CLK1y控制下导通，偏置电流通过M1流入霍尔器件的上端口T，然后从下端口B流出，再通过M5接运算放大器A的输出端；霍尔器件的左端口L通过M7接入运放的反相输入端，霍尔器件的右端口R通过M3输出霍尔电压；由于运算放大器的虚短路和虚断特性，当运算放大器的同相输入端接VDD/2偏置电压，旋转电流电路输出的共模电压始终稳定在VDD/2；此时X轴方向旋转电流电路中的MOS管全部关断，由CLK3x控制M9导通，输出电压为VDD/2；
步骤4：当时钟CLK2y为高电平时，Y轴方向的旋转电流电路进行第二相电流旋转；MOS管M2、M4、M6、M8在CLK2y控制下导通，偏置电流通过M2，流入霍尔器件的右端口R，然后从左端口L流出，再通过M6接运算放大器A的输出端；霍尔器件的下端口B通过M8接入运放的反相输入端，霍尔器件的上端口T通过M4输出霍尔电压；由于运算放大器的虚短路和虚断特性，当运算放大器的同相输入端接VDD/2偏置电压，旋转电流电路输出的共模电压始终稳定在VDD/2；此时X轴方向旋转电流电路中的MOS管全部关断，由CLK3x控制M9导通，输出电压为VDD/2。
5.一种如权1所述的旋转电流电路应用于集成2D霍尔传感器。
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