CN106931995B - 一种基于电流输出模式的四相旋转电流电路和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电流输出模式的四相旋转电流电路和方法，该方法采用四相旋转电流调制‑电流积分放大‑双相关采样解调‑低通滤波的工作原理，将四相旋转电流动态失调消除的过程分为两次二次二相旋转电流的操作，通过控制四相旋转电流输出霍尔电流信号和失调电流信号的极性，采用电流积分和相关双采样解调操作，进行两次霍尔失调消除，可获得极低的残余失调。本发明利用四相旋转电流调制器输出不同极性的霍尔信号与失调信号，使用电流积分放大器和相关双采样解调器进行两次失调的消除，获得极低的残余失调。本发明采用电流模式的信号调理电路通过电流积分放大器将微小的霍尔电流转换成放大的电压输出，具有很强的抗干扰能力和低的功耗。
Description
技术领域
本发明涉及磁传感器技术领域，特别涉及一种动态消除霍尔磁传感器失调的电路和方法。
背景技术
霍尔磁传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换元件,CMOS集成霍尔传感器凭借其工艺简单、体积小、生产成本低、安装简便、工作电压范围宽、使用寿命长、测量精度高以及防尘、防油等优点,已经广泛地应用到工业控制、汽车、医疗器械、消费电子和智能仪表等众多领域。
然而CMOS集成霍尔传感器存在着磁场灵敏度低和失调很严重的问题，为了消除霍尔器件的失调和噪声，通常采用动态旋转电流技术。传统二相旋转电流技术已广泛应用于一轴CMOS霍尔传感器。一轴霍尔传感器内部只集成水平型霍尔器件，而三轴霍尔传感器内部同时集成水平型和垂直型霍尔器件，可探测三维空间的任意方向磁场。相比于水平型霍尔器件，垂直型霍尔器件的磁场灵敏度更低，失调更加严重。二相旋转电流法应用在垂直型霍尔器件上的效果不理想，很难将垂直型霍尔器件的严重的失调消除，残余失调大，影响了三轴霍尔传感器的磁场分辨率，因此必须采用四相旋转电流技术。然而目前应用于四相旋转电流技术中的解调电路通常采用采样-相加的电路模式或者采用带斩波功能的放大器来实现。这些解调电路不能充分利用四相旋转电流过程中霍尔信号和失调信号的极性变化特点来最大程度地消除霍尔器件及放大电路的失调。此外，霍尔器件通常采用电流或电压偏置，但经旋转电流调制后输出的依然是电压信号，通过后续的失调消除和信号调理电路进一步将微弱的霍尔信号放大并将失调消除。然而这种电压模式的失调消除和信号调理电路在对旋转电流调制后的霍尔信号处理时很容易受到寄生电容效应的影响，会引入很大的噪声和干扰，降低了系统级的信噪比，减小了系统的磁场分辨率。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于电流输出模式的四相旋转电流电路和方法。该方法能够有效消除霍尔器件的失调，获得极低的残余失调。该方法通过对四相旋转电流输出的霍尔电流和失调电流进行积分和双采样解调操作，对霍尔器件的失调进行两次失调消除操作，能在最大程度上消除霍尔传感器产生的失调，可以获得极低的残余失调。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种基于电流输出模式的四相旋转电流电路和方法，其工作原理如图1所示，该电路的动态失调消除电路主要包括基于电流模式的四相旋转电流调制器、电流积分放大器、相关双采样解调器、采样/保持器、低通滤波器和时钟产生电路，其电路原理图如图2所示，图2中所需的时钟控制信号如图3所示。霍尔器件工作在电流输出模式下，即偏置电流Ibias从霍尔器件的一个输入端口流入，然后再从另一个输出端口流出。当流入和流出霍尔器件的电流大小相等时，霍尔器件的另外两个输出端口具有相同的对地电压，得到差分输出霍尔电流Ih和失调电流Iop。四端口霍尔器件采用电流偏置/电流输出的工作模式，四相旋转电流操作分为两个二相旋转电流操作。在第一次二相旋转电流时，即四相旋转电流的第一和第二相，输出的霍尔电流Ih极性相同，假定同为正向，而失调电流Iop的极性相反变化。霍尔电流和失调电流同时到达积分放大电路进行电流-电压的转换。在输入电流信号转换电压信号的过程中，极性相反的失调信号彼此抵消，得到正向输出的霍尔电压和第一次二相旋转电流后的残余失调，接着被相关双采样解调器进行第一次采样/保持；在第二次二相旋转电流时，即四相旋转电流的第三相和第四相，输出的霍尔电流Ih同为反向的极性，而失调电流信号Iop的极性仍然相反变化。同样在进行电流积分转换为电压的过程中极性相反的失调信号彼此抵消，而得到反向输出的霍尔电压和第二次二相旋转电流后的残余失调。同样在时钟的控制下，该结果被相关双采样解调器进行第二次采样，于是相关双采样解调器用第二次采样结果减去第一次采样结果，从而获得四倍的霍尔电压输出，最后通过低通滤波器消除高次谐波分量，输出低频霍尔信号，同时获得极低的残余失调。该方案通过四相旋转电流时正确选择霍尔信号和失调信号的极性，同时应用电流积分和相关双采样解调技术进行两次失调消除操作并将霍尔信号解调回低频。
本发明提供的电流模式的四相旋转电流调制和相关双采样解调的动态失调消除方法，在一次完整的消除失调操作周期内该电路包括以下四个阶段的操作：
(1)第一次二相旋转电流和电流积分操作阶段：
当进行第一相旋转电流时，偏置电流Ibias从霍尔器件的a端口流入，然后从c端口流出，霍尔器件端口b和d之间输出差分霍尔电流Ih的极性为正，输出差分失调电流Iop1的极性为正，则输出的差分电流混叠信号为(Ih+Iop1)；当进行第二相旋转电流时，偏置电流Ibias从霍尔器件的b端口流入，然后从d端口流出，霍尔器件端口c和a之间输出差分霍尔电流的Ih极性为正，输出差分失调电流Iop2的极性为负，则输出的差分电流混叠信号为(Ih-Iop2)。将第一次二相旋转电流，也就是四相旋转电流的第一相和第二相输出的差分霍尔电流和失调电流送入电流积分放大器进行电流到电压信号的转换。由于第一相和二相旋转电流输出的霍尔电流极性相同，而失调电流极性相反，送入电流积分放大器后失调电压互相抵消，而霍尔电压相互叠加，得到的输出霍尔电压为V1,2＝2Vh+△Vop1,2，然后被相关双采样解调器第一次采样和保持。其中Vh为霍尔电流Ih积分放大输出的霍尔电压，△Vop1,2为第一相和第二相旋转电流后的失调电流经过积分放大后的残余失调电压。
(2)第二次二相旋转电流和电流积分操作阶段：
当进行第三相旋转电流时，偏置电流Ibias从霍尔器件的c端口流入，然后从a端口流出，霍尔器件端口b和d之间输出差分霍尔电流Ih的极性为负，输出差分失调电流Iop3的极性为负，则输出的差分电流混叠信号为(-Ih-Iop3)；当进行第四相旋转电流时，偏置电流Ibias从霍尔器件的d端口流入，然后从b端口流出，霍尔器件端口c和a之间输出差分霍尔电流Ih的极性为负，输出差分失调电流Iop4的极性为正，则输出的差分混叠电流信号为(-Ih+Iop4)。将第二次二相旋转电流，也就是四相旋转电流的第三相和第四相输出的差分霍尔电流和失调电流送入电流积分放大器进行电流到电压信号的转换。由于第三相和四相旋转电流输出的差分霍尔电流极性相同，而差分失调电流极性相反，送入电流积分放大器后失调电压互相抵消，而霍尔电压相互叠加，得到的输出霍尔电压为V3,4＝-2Vh+△Vop3,4，然后被相关双采样解调器第二次采样。其中-Vh为霍尔电流-Ih积分放大输出的霍尔电压，△Vop3,4为第三相和第四相旋转电流后的失调电流经过积分放大后的残余失调电压。
(3)相关双采样解调和保持阶段：
相关双采样解调器用第二次采样后的值再减去第一次采样/保持的值，最后得到解调后的输出信号为Vout＝V3,4-V1,2＝-4Vh+(△Vop1,2-△Vop3,4)，并将该结果保持。
(4)低通滤波阶段：
将上述相关双采样解调和保持的霍尔电压信号送入低通滤波器后将高次谐波滤除，最后输出放大后的霍尔电压信号。可以看出经过电流积分和相关双采样解调这两次失调消除操作可有效消除霍尔失调，可获得极低残余失调。
有益效果：本发明所述基于电流输出模式的四相旋转电流方法相对于传统的霍尔传感器的失调消除方法，主要存在以下几个突出的优点：
1、本发明提出的动态失调消除技术方案简单，电路易于实现，巧妙利用四相旋转电流调制器输出不同极性的霍尔信号与失调信号，使用电流积分放大器和相关双采样解调器进行两次失调的消除，可获得极低的残余失调。
2、本发明采用电流模式的信号调理电路通过电流积分放大器将微小的霍尔电流转换成放大的电压输出，具有很强的抗干扰能力和低的功耗。
3、本发明输出的霍尔电压与积分时间线性成正比，其增益可调节，具有很大灵活性。
附图说明
图1是本发明提出的基于电流输出模式的四相旋转电流失调消除电路原理示意图。
标识说明：a-表示霍尔器件a端口；b-表示霍尔器件b端口；c-表示霍尔器件c端口；d-表示霍尔器件d端口。
图2是基于电流输出模式的四相旋转电流失调消除电路原理图。
图3是图2所示的四相旋转电流失调消除电路的时钟控制信号图。
图4是基于电流输出模式的四相旋转电流调制电路以及控制时钟和输出电流信号图。
标识说明：a-表示霍尔器件a端口；b-表示霍尔器件b端口；c-表示霍尔器件c端口；d-表示霍尔器件d端口。
图5是图2四相旋转电流失调消除电路输出霍尔电压波形图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明专利作进一步的详细说明。
实施例一
如图2，本发明提出的基于电流输出模式的四相旋转电流失调消除方法，该方法基于电流模式动态失调消除方法，包括如下：
(1)第一次二相旋转电流和电流积分操作阶段：
当四相顺序时钟信号clk1高电平有效时，进行第一相旋转电流操作，输出差分电流混叠信号为(Ih+Iop1)；当四相顺序时钟信号clk2高电平有效时，进行第二相旋转电流操作，输出差分电流混叠信号为(Ih-Iop2)。在进行第一相和第二相旋转电流时，即在第一次二相旋转电流期间，输入电流积分定时信号clkS高电平有效时，电流积分放大器的两个MOS管开关K1和K2导通，第一相和第二相旋转电流输出的差分霍尔电流和失调电流送入电流积分放大器进行电流到电压信号的转换；由于第一相和二相旋转电流输出的霍尔电流极性同为正，而失调电压极性相反变化，送入电流积分器后失调电压互相抵消，而霍尔电压相互叠加，得到的输出霍尔电压为V1,2＝2Vh+△Vop1,2。其中2Vh为霍尔电流Ih积分放大后输出的霍尔电压，△Vop1,2为第一相和第二相旋转电流后的失调电流经过积分放大后的残余失调电压。此时相关双采样解调器(CDS)的时钟控制信号clkc1高电平有效时，相关双采样器对电流积分放大器的输出电压进行第一次采样并保持；随后积分电容清零信号clkR高电平有效时，电流积分放大器的两个MOS管开关K3和K4导通，积分电容C上的电压清零，等待第二次二相旋转电流和电流积分操作。
(2)第二次二相旋转电流和电流积分操作阶段：
当四相顺序时钟信号clk3高电平有效时，进行第三相旋转电流操作，输出差分电流混叠信号为(-Ih-Iop3)；当四相顺序时钟信号clk4高电平有效时，进行第四相旋转电流操作，输出差分电流混叠信号为(-Ih-Iop4)。在进行第三相和第四相旋转电流时，即在第二次二相旋转电流期间，输入积分定时信号clkS高电平有效时，电流积分放大器的两个MOS管开关K1和K2导通，第三相和第四相旋转电流输出的霍尔电流和失调电流送入电流积分放大器进行电流到电压信号的转换；由于第三相和四相旋转电流输出的霍尔电流极性同为负，而失调电压极性相反变化，送入电流积分器后失调电压互相抵消，而霍尔电压相互叠加，得到的输出霍尔电压为V3,4＝-2Vh+△Vop3,4。其中-2Vh为霍尔电流Ih积分放大后输出的霍尔电压，△Vop3,4为第三相和第四相旋转电流后的失调电流经过积分放大后的残余失调电压。此时相关双采样解调器(CDS)的时钟控制信号clkc2高电平有效时，相关双采样解调器进行第二次采样。
(3)相关双采样解调和保持阶段：
相关双采样解调器用第二次采样后的电压值V3,4再减去第一次采样/保持的电压值V1,2，得到电压信号为Vout＝V3,4-V1,2＝-4Vh+(△Vop1,2-△Vop3,4)，采样/保持器在时钟信号clkc2控制对该结果进行采样并保持，输出解调后的霍尔电压信号。随后积分电容清零信号clkR高电平有效时，电流积分放大器的两个MOS管开关K3和K4导通，积分电容C上的电压清零，等待下一次动态失调消除操作。
(4)低通滤波阶段：
将上述相关双采样解调和保持后的霍尔电压信号送入低通滤波器将高次谐波滤波，最后输出放大后的霍尔电压信号，电路仿真结果如图5所示。可以看出经过电流积分和相关双采样解调的两次失调消除操作可有效消除霍尔失调，获得极低的残余失调。
实施例二
如图4，本发明还提出基于电流模式的四相旋转电流调制电路，四相旋转电流操作的具体方法如下：
(1)第一相旋转电流：当四相顺序时钟信号clk1高电平有效时，NMOS开关管M1、M8、M11、M14导通，其余NMOS开关管关断；偏置电流Ibias从霍尔器件的a端口流入，然后从c端口流出，霍尔器件端口b和d之间输出差分霍尔电流的极性Ih为正，输出差分失调电流Iop1的极性为正，所以第一相旋转电流输出差分电流混叠信号为(Ih+Iop1)。
(2)第二相旋转电流：当四相顺序时钟信号clk2高电平有效时，NMOS开关管M2、M7、M10、M15导通，其余NMOS开关管关断。偏置电流Ibias从霍尔器件的b端口流入，然后从d端口流出，霍尔器件端口c和a之间输出差分霍尔电流的Ih极性为正，输出差分失调电流Iop2的极性为负，所以第二相旋转电流输出差分电流混叠信号为(Ih-Iop2)。
(3)第三相旋转电流：当四相顺序时钟信号clk3高电平有效时，NMOS开关管M4、M5、M12、M13导通，其余NMOS开关管关断；偏置电流Ibias从霍尔器件的c端口流入，然后从a端口流出，霍尔器件端口b和d之间输出差分霍尔电流的极性Ih为负，输出差分失调电流Iop3的极性为负，所以第三相旋转电流输出差分电流混叠信号为(-Ih-Iop3)。
(4)第四相旋转电流：当四相顺序时钟信号clk4高电平有效时，NMOS开关管M3、M6、M9、M16导通，其余NMOS开关管关断。偏置电流Ibias从霍尔器件的d端口流入，然后从b端口流出，霍尔器件端口c和a之间输出差分霍尔电流的Ih极性为负，输出差分失调电流Iop4的极性为正，所以第四相旋转电流输出差分电流混叠信号为(-Ih+Iop4)。
综上所述，本发明在进行第一次二相旋转电流时，即进行四相旋转电流第一相和第二相时，输出差分霍尔电流的极性为正，输出差分失调电流的极性发生变化；在进行第二次二相旋转电流时，即进行四相旋转电流第三相和第四相时，输出差分霍尔电流的极性为负，输出差分失调电流的极性发生变化。
Claims (2)
1.一种基于电流输出模式的四相旋转电流失调消除方法，其特征在于四端口霍尔器件采用电流偏置/电流输出的工作模式，四相旋转电流失调消除操作分为以下两个二相旋转电流操作：
(1)第一次二相旋转电流，即四相旋转电流的第一和第二相，输出的霍尔电流Ih极性相同，假定同为正向，而失调电流信号Iop的极性相反变化，这一对霍尔和失调电流信号同时送到积分放大器进行电流-电压的转换，在输入电流信号转换电压信号的过程中，极性相反的失调信号彼此抵消，得到正向输出的霍尔电压和第一次二相旋转电流后的残余失调，接着被相关双采样电路进行第一次采样/保持；
(2)第二次二相旋转电流，即四相旋转电流的第三和第四相，输出的霍尔电流Ih同为反向的极性，而失调电流信号Iop的极性仍然相反变化，同样在进行电流积分转换为电压的过程中极性相反的失调信号彼此抵消，而得到反向输出的霍尔电压和第二次二相旋转电流后的残余失调，同样，在时钟的控制下，该反向输出的霍尔电压和第二次二相旋转电流后的残余失调 被相关双采样电路进行第二次采样，于是相关双采样电路用第二次采样结果减去第一次采样结果，从而获得四倍的霍尔电压输出，最后通过低通滤波器消除高次谐波分量，输出低频霍尔信号，同时获得极低的残余失调；
所述四相旋转电流的具体操作方法如下：
(1)第一相旋转电流：当四相顺序时钟信号clk1高电平有效时，NMOS开关管M1、M8、M11、M14导通，其余NMOS开关管关断，偏置电流Ibias从霍尔器件的a端口流入，然后从c端口流出，霍尔器件端口b和d之间输出差分霍尔电流的极性Ih为正，输出差分失调电流Iop1的极性为正，所以第一相旋转电流输出差分电流信号为(Ih+Iop1)；
(2)第二相旋转电流：当四相顺序时钟信号clk2高电平有效时，NMOS开关管M2、M7、M10、M15导通，其余NMOS开关管关断，偏置电流Ibias从霍尔器件的b端口流入，然后从d端口流出，霍尔器件端口c和a之间输出差分霍尔电流的Ih极性为正，输出差分失调电流Iop2的极性为负，所以第二相旋转电流输出差分电流信号为(Ih-Iop2)；
(3)第三相旋转电流：当四相顺序时钟信号clk3高电平有效时，NMOS开关管M4、M5、M12、M13导通，其余NMOS开关管关断，偏置电流Ibias从霍尔器件的c端口流入，然后从a端口流出，霍尔器件端口b和d之间输出差分霍尔电流的极性Ih为负，输出差分失调电流Iop3的极性为负，所以第三相旋转电流输出差分电流信号为(-Ih-Iop3)；
(4)第四相旋转电流：当四相顺序时钟信号clk4高电平有效时，NMOS开关管M3、M6、M9、M16导通，其余NMOS开关管关断，偏置电流Ibias从霍尔器件的d端口流入，然后从b端口流出，霍尔器件端口c和a之间输出差分霍尔电流的Ih极性为负，输出差分失调电流Iop4的极性为正，所以第四相旋转电流输出差分电流信号为(-Ih+Iop4)；
所述电流输出模式的四相旋转电流失调消除的具体步骤如下：
(1)第一次二相旋转电流和电流积分操作阶段：
当四相顺序时钟信号clk1高电平有效时，进行第一相旋转电流操作，输出差分电流信号为(Ih+Iop1)；当四相顺序时钟信号clk2高电平有效时，进行第二相旋转电流操作，输出差分电流信号为(Ih-Iop2)，在进行第一相和第二相旋转电流时，即在第一次二相旋转电流期间，输入积分定时信号clkS高电平有效时，电流积分放大器的两个MOS管开关K1和K2导通，第一相和第二相旋转电流输出的差分霍尔电流和失调电流送入电流积分放大器进行电流到电压信号的转换，由于第一相和二相旋转电流输出的霍尔电流极性同为正，而失调电压极性相反变化，送入电流积分器后失调电压互相抵消，而霍尔电压相互叠加，得到的输出霍尔电压为V1,2＝2Vh+△Vop1,2，其中Vh为霍尔电流Ih积分放大后输出的霍尔电压，△Vop1,2为第一相和第二相旋转电流后的失调电流经过积分后的残余失调电压，此时相关双采样电路(CDS)的时钟控制信号clkc1高电平有效时，相关双采样器对电流积分放大器得得输出电压进行第一次采样并保持，随后积分电容清零信号clkR高电平有效时，电流积分放大器的两个MOS管开关K3和K4导通，积分电容C上的电压清零，等待第二次二相旋转电流和电流积分操作；
(2)第二次二相旋转电流和电流积分操作阶段：
当四相顺序时钟信号clk3高电平有效时，进行第三相旋转电流操作，输出差分电流信号为(-Ih-Iop3)；当四相顺序时钟信号clk4高电平有效时，进行第四相旋转电流操作，输出差分电流信号为(-Ih-Iop4)，在进行第三相和第四相旋转电流时，即在第二次二相旋转电流期间，输入积分定时信号clkS高电平有效时，电流积分放大器的两个MOS管开关K1和K2导通，第三相和第四相旋转电流输出的霍尔电流和失调电流送入电流积分放大器进行电流到电压信号的转换，由于第三相和四相旋转电流输出的霍尔电流极性同为负，而失调电压极性相反变化，送入电流积分器后失调电压互相抵消，而霍尔电压相互叠加，得到的输出霍尔电压为V3,4＝-2Vh+△Vop3,4，其中Vh为霍尔电流Ih积分放大后输出的霍尔电压，△Vop3,4为第三相和第四相旋转电流后的失调电流经过积分后的残余失调电压，此时相关双采样电路的时钟控制信号clkc2高电平有效时，相关双采样电路进行第二次采样；
(3)相关双采样解调和保持阶段：
相关双采样电路用第二次采样后的电压值V3,4再减去第一次采样/保持的电压值V1,2，得到电压信号为Vout＝V3,4-V1,2＝-4Vh+(△Vop1,2-△Vop3,4)，采样/保持器在时钟信号clkc2控制对该电压信号Vout＝V3,4-V1,2＝-4Vh+(△Vop1,2-△Vop3,4)进行采样并保持，输出解调后的霍尔电压信号，随后积分电容清零信号clkR高电平有效时，电流积分放大器的两个MOS管开关K3和K4导通，积分电容C上的电压清零，等待下一次动态失调消除操作；
(4)低通滤波阶段：
将上述相关双采样解调和保持后的霍尔电压信号送入低通滤波器将高次谐波滤波，最后输出放大后的霍尔电压信号。
2.一种可以实现权利要求1所述的基于电流输出模式的四相旋转电流失调消除方法的电路，其特征在于该电路包括四相旋转电流调制器、电流积分放大器、相关双采样解调器、采样/保持器、低通滤波器和时钟信号产生电路。
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