CN107436416A - 能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统及信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统及信号处理方法，所述磁开关系统包括垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器、比较器、输出逻辑、阈值选择电路、辅助电路；垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器依次连接，滤波器、阈值选择电路分别连接比较器的输入端，比较器连接输出逻辑，输出逻辑的输出信号反馈至阈值选择电路；辅助电路分别连接垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器、比较器、输出逻辑。本发明提出的能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统及信号处理方法，能减少垂直霍尔盘以及内部信号处理系统的电压漂移，并且对微弱的磁场信号进行适当的放大，从而得到能够精确反映水平磁场强度的电信号，实现精确的开关控制。
Description
技术领域
本发明属于集成电路技术领域，涉及一种半导体芯片上集成的磁控开关电路，尤其涉及一种能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统；同时，本发明还涉及一种适用于垂直霍尔盘的信号处理方法。
背景技术
霍尔效应器件广泛应用于各种传感器中，用于将磁场信号转换为电信号。图1画出了霍尔效应原理图。导体或半导体材料构成的霍尔盘中通过电流I0，同时施加垂直方向的磁场B。在洛伦兹力和电场力的共同作用下，霍尔盘内建立了稳定的电势分布，并且在平面内垂直于电流方向的两端产生了电势差V1。此电势差的大小与磁场强度成正比，从而能够提供对磁场B的精确测量。
霍尔盘已经被成功地集成到了CMOS集成电路芯片中，通常用p型硅作为衬底，n型掺杂阱作为霍尔盘材料。存在水平霍尔盘和垂直霍尔盘两大类。水平霍尔盘能够检测垂直于芯片表面的磁场分量大小。基于水平霍尔盘(HHP)的传感器电路已经被广泛地研究，并且大量地应用了，其原理与图1相似。
垂直霍尔盘(VHP)是一种较为新颖的技术[可参见参考文献1,2]，能够检测平行于芯片表面的磁场分量大小。常规的垂直霍尔盘剖面图和俯视图如图2-1、图2-2所示。硅衬底为P型半导体，霍尔盘为N型材料。假设有电流从S3点流入，从S1和S2点流出。当存在垂直于纸面向内(或向外)的磁场分量时，M和N两点间就会出现正(负)的电势差VMN，且电势差大小和水平磁场分量大小成正比，如公式(1)所示。其中K称为灵敏度，是一个比例系数，取决于材料和几何形状；B为外界磁场大小；VOS为电压漂移量，即零磁场下的电压输出，是一个严重的非理想因素。
VMN＝K·B+VOS(1)
人们对提升垂直霍尔盘的性能也已经开展了研究，提出了改善灵敏度和降低电压漂移的若干方法，包括三端口、四端口和六端口垂直霍尔盘以及旋转电流技术[可参见参考文献3]。但垂直霍尔盘仍然具有灵敏度低，漂移电压大的缺陷，无法单独使用，需要经过适当的信号处理，才能付诸实际应用。尤其是磁控开关类产品，可应用于高可靠性，高精度的距离检测、角度检测、电机控制等。
参考文献
[1]国家发明专利，授权号CN101750591B，垂直霍尔传感器
[2]国家发明专利，申请号CN105261697A，垂直霍尔器件
[3]Alberto Bilotti et al.,“Monolithic Magnetic Hall Sensor ICs UsingDynamic Quadrature Offset Cancellation”
有鉴于此，如今迫切需要设计一种磁开关系统，以便克服现有磁开关系统存在的上述缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，可使垂直霍尔盘能够检测芯片表面水平方向的磁场，实现磁控开关功能。
此外，本发明还提供一种适用于垂直霍尔盘的信号处理方法，可使垂直霍尔盘能够检测芯片表面水平方向的磁场，实现磁控开关功能。
本发明的目的是为垂直霍尔盘提供合适的信号处理方法，使之能够检测芯片表面水平方向的磁场，实现磁控开关功能。这样的水平磁场检测磁控开关可能应用于自动速度检测、位置检测、角度计算等汽车、工业或消费类应用。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，所述磁开关系统包括：垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器、比较器、输出逻辑、阈值选择电路、辅助电路；
所述垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器依次连接，滤波器、阈值选择电路分别连接比较器的输入端，比较器连接输出逻辑，输出逻辑的输出信号反馈至阈值选择电路；所述辅助电路分别连接垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器、比较器、输出逻辑；
所述放大器为能精确放大垂直霍尔盘信号的小信号差分放大器，用以将微弱的垂直霍尔盘信号放大一固定倍数；
所述滤波器为具有消除垂直霍尔盘和放大器电压漂移功能的滤波器，其输出信号为第一相位放大器输出，减去第二相位放大器输出，加上第三相位放大器输出，减去第四相位放大器输出，结果除以四；
所述比较器为具有双阈值的迟滞比较器，根据输出的不同，比较器的阈值在两个不同参考电压间切换，用于增强比较器的抗噪声能力；
所述直霍尔盘VHP的4个端口连接至旋转电流开关；旋转电流开关产生一对差分霍尔信号输出VVHP，连接至放大器输入端；放大器差分输出端连接至滤波器；滤波器输出VSIG作为比较器第一输入端；两个参考电压VREF1和VREF2连接至阈值选择逻辑输入端，阈值选择逻辑的输出端VREF作为比较器的第二输入端；比较器输出端VCP连接至输出控制逻辑；输出控制逻辑的输出VOUT就是磁控开关系统的输出，为数字高电平或低电平；同时，VOUT也连接至阈值选择逻辑的输入控制端。辅助电路为系统提供电源、时钟和电流，因此会连接至各个模块；
开始工作后，预置相位序号N＝1和比较器第二输入端VREF＝VREF1；随后旋转电流开关被配置为第N状态，控制VHP采集BX方向的磁场分量大小；之后经过放大器放大一固定倍数，再被滤波器采样；如此循环4次，直至完成N＝4时的滤波器采样后，滤波器计算输出滤波后的信号VSIG；此信号与比较器的第二输入信号VREF进行比较；若VSIG≥VREF，则输出VOUT＝0，同时阈值选择单元选择VREF＝VREF2，如此完成一个数据的采集，回到开始阶段进行下一个数据采集；若VSIG<VREF，则输出VOUT＝1，同时阈值选择单元选择VREF＝VREF1，如此完成一个数据的采集，回到开始阶段进行下一个数据采集；
垂直霍尔盘为5端垂直霍尔盘，其中第1端和第5端已经短接；或者，垂直霍尔盘采用3端、4端或6端结构；霍尔盘材料为P型硅衬底上N型掺杂阱；VHP沿y方向放置，检测外加磁场B在x方向上的分量Bx的大小；VHP也沿xOy平面内的任意方向放置，那么此时该VHP能检测xOy平面内与该VHP垂直的磁场分量大小；
旋转电流开关是能减小垂直霍尔盘电压漂移VOS的技术，旋转电流开关共有4个相位，在每个相位中把VHP的4个输出端(1、2、3、4)在电源、地、正信号和负信号之间依次轮转，从而消除固定的电压漂移VOS；
放大器对VHP输出信号VVHP进行固定倍数的放大；VVHP通常在1mV以下，是一个微弱的信号，容易被后端信号处理系统中的噪声或其本身的电压漂移VOS所湮没，因此要使用较低噪声的放大器对VHP信号进行放大；采用的放大器采用相同的两级结构，每一级结构为电阻反馈式的伪差分MOS放大器；差分输入为Vip和Vin，差分输出为Vop和Von；放大倍数由电阻的比例精确确定：
内部放大器A1和A2采用密勒补偿的两级共源差分放大器；
滤波器为具有信号解调和噪声滤波功能的模块；若第一、第二、第三、第四相位的滤波器输入、即放大器输出分别为VAMP1、VAMP2、VAMP3、VAMP4，则此滤波器的输出VSIG具有如下形式：
而VAMPi＝AV·VVHPi+VOA(i＝1,2,3,4) (4)
其中AV是放大器的固定放大倍数，VOA是放大器的固定电压漂移，VVHPi是第i个相位的旋转电流开关输出；假设在第1到第4相位垂直霍尔盘的电压漂移分别为VOS1、VOS2、VOS3、VOS4，根据垂直霍尔盘特性和旋转电流开关操作方式，有
VOS1+VOS2+VOS3+VOS4＝0 (6)
将(4～6)代入(3)可得，
VSIG＝AV·K·BX (7)
所述放大器、滤波器配合旋转电流开关技术，能得到一个信号VSIG，其仅与磁场强度BX，灵敏度K和放大倍数AV成正比，而且可以消除垂直霍尔盘电压漂移VOS和放大器电压漂移VOA的影响；此信号VSIG可用于精确判断所关心的磁场BX的大小；滤波器采用MOS开关加采样电容结构实现；
所述比较器用于产生数字信号高电平(1)或低电平(0)，即将模拟信号VSIG转换成开关信号0或1；具体地，若VSIG大于比较器的参考电压VREF，则输出VOUT＝VCP＝0，否则VOUT＝VCP＝1；
【1】采用具有两个不同阈值VREF1和VREF2的比较器结构(VREF2>VREF1)，即迟滞比较器结构；若输出VOUT＝0，则VREF立刻切换成VREF2，否则VREF立刻切换成VREF1；VHYS＝VREF2-VREF1称为迟滞窗口，增强比较器的抗噪声能力；当比较器的输入在VHYS的范围内存在噪声或抖动时，输出仍然维持恒定；【2】或者，选择VREF1＝VREF2，此时迟滞窗口为零，比较器具有单一阈值。此种比较器虽然抗噪声和抖动能力较差，但结构较为简单，可适用于比较精度要求较低的应用，如辅助磁阻角度传感器的象限判定；
所述比较器为开环比较器，具有比较速度快，比较分辨率高，且对寄生电容不敏感的特点；或者，所述比较器为闭环比较器、可再生比较器或者混合结构比较器；
所述输出逻辑是简单的触发器，用于时序操作上的同步输出；所述输出逻辑采用单个D触发器，因此VOUT＝VCP；
所述辅助电路包括电源管理、时钟产生、参考电流产生和上电复位功能模块，为系统提供基本的电源、时钟、偏置信号。
一种能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，所述磁开关系统包括：垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器、比较器、输出逻辑、阈值选择电路、辅助电路；
所述垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器依次连接，滤波器、阈值选择电路分别连接比较器的输入端，比较器连接输出逻辑，输出逻辑的输出信号反馈至阈值选择电路；所述辅助电路分别连接垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器、比较器、输出逻辑。
作为本发明的一种优选方案，所述放大器为能精确放大垂直霍尔盘信号的小信号差分放大器，用以将微弱的垂直霍尔盘信号放大一固定倍数；
所述滤波器为具有消除垂直霍尔盘和放大器电压漂移功能的滤波器，其输出信号为第一相位放大器输出，减去第二相位放大器输出，加上第三相位放大器输出，减去第四相位放大器输出，结果除以四；
所述比较器为具有双阈值的迟滞比较器，根据输出的不同，比较器的阈值在两个不同参考电压间切换，用于增强比较器的抗噪声能力。
作为本发明的一种优选方案，所述直霍尔盘VHP的4个端口连接至旋转电流开关；旋转电流开关产生一对差分霍尔信号输出VVHP，连接至放大器输入端；放大器差分输出端连接至滤波器；滤波器输出VSIG作为比较器第一输入端；两个参考电压VREF1和VREF2连接至阈值选择逻辑输入端，阈值选择逻辑的输出端VREF作为比较器的第二输入端；比较器输出端VCP连接至输出控制逻辑；输出控制逻辑的输出VOUT就是磁控开关系统的输出，为数字高电平或低电平；同时，VOUT也连接至阈值选择逻辑的输入控制端；辅助电路为系统提供电源、时钟和电流，因此会连接至各个模块。
作为本发明的一种优选方案，开始工作后，预置相位序号N＝1和比较器第二输入端VREF＝VREF1；随后旋转电流开关被配置为第N状态，控制VHP采集BX方向的磁场分量大小；之后经过放大器放大一固定倍数，再被滤波器采样；如此循环4次，直至完成N＝4时的滤波器采样后，滤波器计算输出滤波后的信号VSIG；此信号与比较器的第二输入信号VREF进行比较；若VSIG≥VREF，则输出VOUT＝0，同时阈值选择单元选择VREF＝VREF2，如此完成一个数据的采集，回到开始阶段进行下一个数据采集；若VSIG<VREF，则输出VOUT＝1，同时阈值选择单元选择VREF＝VREF1，如此完成一个数据的采集，回到开始阶段进行下一个数据采集。
作为本发明的一种优选方案，所述垂直霍尔盘为5端垂直霍尔盘，其中第1端和第5端已经短接；或者，垂直霍尔盘采用3端、4端或6端结构；这些结构在电学上是等价的，都能检测水平方向磁场，且有4个等效输出端口，不影响其普遍性；霍尔盘材料为P型硅衬底上N型掺杂阱；所述VHP沿y方向放置，检测外加磁场B在x方向上的分量Bx的大小；当然，VHP也沿xOy平面内的任意方向放置，那么此时该VHP能检测xOy平面内与该VHP垂直的磁场分量大小；
所述旋转电流开关是能减小垂直霍尔盘电压漂移VOS的技术，旋转电流开关共有4个相位，在每个相位中把VHP的4个输出端(1、2、3、4)在电源、地、正信号和负信号之间依次轮转，从而消除固定的电压漂移VOS；
所述放大器对VHP输出信号VVHP进行固定倍数的放大；VVHP通常在1mV以下，是一个微弱的信号，容易被后端信号处理系统中的噪声或其本身的电压漂移VOS所湮没，因此要使用较低噪声的放大器对VHP信号进行放大；采用的放大器采用相同的两级结构，每一级结构为电阻反馈式的伪差分MOS放大器；差分输入为Vip和Vin，差分输出为Vop和Von；放大倍数由电阻的比例精确确定：
内部放大器A1和A2采用密勒补偿的两级共源差分放大器；
滤波器为具有信号解调和噪声滤波功能的模块。若第一、第二、第三、第四相位的滤波器输入(即放大器输出)分别为VAMP1、VAMP2、VAMP3、VAMP4，则此滤波器的输出VSIG具有如下形式：
而VAMPi＝AV·VVHPi+VOA(i＝1,2,3,4) (4)
其中AV是放大器的固定放大倍数，VOA是放大器的固定电压漂移，VVHPi是第i个相位的旋转电流开关输出；假设在第1到第4相位垂直霍尔盘的电压漂移分别为VOS1、VOS2、VOS3、VOS4，根据垂直霍尔盘特性和旋转电流开关操作方式，有
VOS1+VOS2+VOS3+VOS4＝0 (6)
将(4～6)代入(3)可得，
VSIG＝AV·K·BX (7)
所述放大器、滤波器配合旋转电流开关，得到一个信号VSIG，其仅与磁场强度BX，灵敏度K和放大倍数AV成正比，而且能消除垂直霍尔盘电压漂移VOS和放大器电压漂移VOA的影响；此信号VSIG可用于精确判断所关心的磁场BX的大小；滤波器采用MOS开关加采样电容结构实现；
比较器用于产生数字信号高电平(1)或低电平(0)，即将模拟信号VSIG转换成开关信号0或1；具体地，若VSIG大于比较器的参考电压VREF，则输出VOUT＝VCP＝0，否则VOUT＝VCP＝1。
作为本发明的一种优选方案，采用具有两个不同阈值VREF1和VREF2的比较器结构(VREF2>VREF1)，即迟滞比较器结构。若输出VOUT＝0，则VREF立刻切换成VREF2，否则VREF立刻切换成VREF1；VHYS＝VREF2-VREF1称为迟滞窗口，增强比较器的抗噪声能力；当比较器的输入在VHYS的范围内存在噪声或抖动时，输出仍然维持恒定。
作为本发明的一种优选方案，选择VREF1＝VREF2，此时迟滞窗口为零，比较器具有单一阈值。此种比较器虽然抗噪声和抖动能力较差，但结构较为简单，可适用于比较精度要求较低的应用，如辅助磁阻角度传感器的象限判定。
作为本发明的一种优选方案，所述比较器为开环比较器，具有比较速度快，比较分辨率高，且对寄生电容不敏感的特点；或者，所述比较器为闭环比较器、可再生比较器或者混合结构比较器；
所述输出逻辑是简单的触发器，用于时序操作上的同步输出；所述输出逻辑采用单个D触发器，因此VOUT＝VCP；
所述辅助电路包括电源管理、时钟产生、参考电流产生和上电复位功能模块，为系统提供基本的电源、时钟、偏置信号。
一种适用于垂直霍尔盘的信号处理方法，将水平磁场强度转换为数字电平的磁控开关；所述磁控开关用以减少垂直霍尔盘以及内部信号处理系统的电压漂移，并且对微弱的磁场信号进行适当的放大，得到能够精确反映水平磁场强度的电信号，实现精确的开关控制。
本发明的有益效果在于：本发明提出的能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统及信号处理方法，可以将水平磁场强度转换为数字电平。所述磁控开关能够减少垂直霍尔盘以及内部信号处理系统的电压漂移，并且对微弱的磁场信号进行适当的放大，从而得到能够精确反映水平磁场强度的电信号，实现精确的开关控制。另外，本发明中的磁控开关系统与垂直霍尔盘均可集成到标准CMOS工艺流程中，具有良好的可靠性和较低的制造成本。
本发明采用了精确的小信号放大电路，将微弱的垂直霍尔盘信号进行了适当的放大，从而更易于处理；采用具有公式(3)中所述特性的滤波器，结合旋转电流开关技术，消除了垂直霍尔盘和放大器的较大电压漂移的影响，使放大后的信号与水平磁场强度大小成正比；采用双阈值迟滞比较器，使得磁控开关的输出VOUT不易受到比较器输入信号的噪声和抖动的影响而发生误翻转。
附图说明
图1为霍尔效应原理图。
图2-1为半导体垂直霍尔盘的剖面图。
图2-2为半导体垂直霍尔盘的俯视图。
图3为检测平行方向磁场的磁控开关系统结构框图。
图4为感应平行方向磁场的磁控开关工作流程图。
图5为放大器的基本结构示意图。
图6为迟滞比较器的输入输出电压特性图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
请参阅图3，本发明揭示了一种能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，所述磁开关系统包括：垂直霍尔盘VHP、旋转电流开关、放大器、滤波器、比较器、输出逻辑、阈值选择电路、辅助电路；所述垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器依次连接，滤波器、阈值选择电路分别连接比较器的输入端，比较器连接输出逻辑，输出逻辑的输出信号反馈至阈值选择电路；所述辅助电路分别连接垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器、比较器、输出逻辑。图3中还画出了参考平面xOy和外加磁场B。
本实施例的系统各模块连接关系如下：垂直霍尔盘VHP的4个端口连接至旋转电流开关；旋转电流开关产生一对差分霍尔信号输出VVHP，连接至放大器输入端；放大器差分输出端连接至滤波器；滤波器输出VSIG作为比较器第一输入端；两个参考电压VREF1和VREF2连接至阈值选择逻辑输入端，阈值选择逻辑的输出端VREF作为比较器的第二输入端；比较器输出端VCP连接至输出控制逻辑；输出控制逻辑的输出VOUT就是磁控开关系统的输出，为数字高电平或低电平；同时，VOUT也连接至阈值选择逻辑的输入控制端。辅助电路为系统提供电源、时钟和电流，因此会连接至各个模块。
本例中的磁控开关工作原理如图4所示。开始工作后，预置相位序号N＝1和比较器第二输入端VREF＝VREF1；随后旋转电流开关被配置为第N状态，控制VHP采集BX方向的磁场分量大小；之后经过放大器放大一固定倍数，再被滤波器采样。如此循环4次，直至完成N＝4时的滤波器采样后，滤波器计算输出滤波后的信号VSIG；此信号与比较器的第二输入信号VREF进行比较。若VSIG≥VREF，则输出VOUT＝0，同时阈值选择单元选择VREF＝VREF2，如此完成一个数据的采集，回到开始阶段进行下一个数据采集；若VSIG<VREF，则输出VOUT＝1，同时阈值选择单元选择VREF＝VREF1，如此完成一个数据的采集，回到开始阶段进行下一个数据采集。
更具体地，垂直霍尔盘为5端垂直霍尔盘，其中第1端和第5端已经短接。但垂直霍尔盘也可采用3端、4端或6端结构。这些结构在电学上是等价的，都能检测水平方向磁场，且有4个等效输出端口，不影响其普遍性。霍尔盘材料为P型硅衬底上N型掺杂阱。本例中VHP沿y方向放置，因此可以检测外加磁场B在x方向上的分量Bx的大小，如图3所示。当然，VHP也可以沿xOy平面内的任意方向放置，那么此时该VHP能检测xOy平面内与该VHP垂直的磁场分量大小。
旋转电流开关是可以减小垂直霍尔盘电压漂移VOS的技术，在[参考文献3]中已经有具体描述。简单地说，旋转电流开关共有4个相位，在每个相位中把VHP的4个输出端(1、2、3、4)在电源、地、正信号和负信号之间依次轮转，从而消除固定的电压漂移VOS。
放大器可以对VHP输出信号VVHP进行固定倍数的放大。VVHP通常在1mV以下，是一个微弱的信号，容易被后端信号处理系统中的噪声或其本身的电压漂移VOS所湮没，因此要使用较低噪声的放大器对VHP信号进行放大。本例中采用的放大器采用相同的两级结构，每一级结构如图5所示，为电阻反馈式的伪差分MOS放大器。差分输入为Vip和Vin，差分输出为Vop和Von。放大倍数可由电阻的比例精确确定：
内部放大器A1和A2采用密勒补偿的两级共源差分放大器，应为本领域人员所知悉。放大器也可以为其他具有放大功能的MOS或双极型晶体管电路。
本例中滤波器为具有信号解调和噪声滤波功能的模块。若第一、第二、第三、第四相位的滤波器输入(即放大器输出)分别为VAMP1、VAMP2、VAMP3、VAMP4，则此滤波器的输出VSIG具有如下形式：
而VAMPi＝AV·VVHPi+VOA(i＝1,2,3,4) (4)
其中AV是放大器的固定放大倍数，VOA是放大器的固定电压漂移，VVHPi是第i个相位的旋转电流开关输出。假设在第1到第4相位垂直霍尔盘的电压漂移分别为VOS1、VOS2、VOS3、VOS4，根据垂直霍尔盘特性和旋转电流开关操作方式，有
VOS1+VOS2+VOS3+VOS4＝0 (6)
将(4～6)代入(3)可得，
VSIG＝AV·K·BX (7)
由此可以证明，本例中的放大器、滤波器配合旋转电流开关技术，可以得到一个信号VSIG，其仅与磁场强度BX，灵敏度K和放大倍数AV成正比，而且可以消除垂直霍尔盘电压漂移VOS和放大器电压漂移VOA的影响。此信号VSIG可用于精确判断所关心的磁场BX的大小。本例中的滤波器采用MOS开关加采样电容结构实现。
本实施例中比较器用于产生数字信号高电平(1)或低电平(0)，即将模拟信号VSIG转换成开关信号0或1。具体地，若VSIG大于比较器的参考电压VREF，则输出VOUT＝VCP＝0，否则VOUT＝VCP＝1。本例中采用具有两个不同阈值VREF1和VREF2的比较器结构(VREF2>VREF1)，即迟滞比较器结构。若输出VOUT＝0，则VREF立刻切换成VREF2，否则VREF立刻切换成VREF1。在这种逻辑下，本例中比较器的输入输出特性曲线如图6所示。VHYS＝VREF2-VREF1称为迟滞窗口，可以增强比较器的抗噪声能力。当比较器的输入在VHYS的范围内存在噪声或抖动时，输出仍然维持恒定。
输出逻辑可以是简单的触发器，用于时序操作上的同步输出。本例中的输出逻辑采用单个D触发器，因此VOUT＝VCP。
图3中的辅助电路包括电源管理、时钟产生、参考电流产生和上电复位等功能模块，为系统提供基本的电源、时钟、偏置等信号。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，可以选择VREF1＝VREF2，此时迟滞窗口为零，比较器具有单一阈值。此种比较器虽然抗噪声和抖动能力较差，但结构较为简单，可适用于比较精度要求较低的应用，如辅助磁阻角度传感器的象限判定。
本实施例中比较器结构为开环比较器，具有比较速度快，比较分辨率高，且对寄生电容不敏感的特点。当然，也可以选择闭环比较器、可再生比较器或者混合结构比较器。
综上所述，本发明提出的能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统及信号处理方法，可以将水平磁场强度转换为数字电平。所述磁控开关能够减少垂直霍尔盘以及内部信号处理系统的电压漂移，并且对微弱的磁场信号进行适当的放大，从而得到能够精确反映水平磁场强度的电信号，实现精确的开关控制。另外，本发明中的磁控开关系统与垂直霍尔盘均可集成到标准CMOS工艺流程中，具有良好的可靠性和较低的制造成本。
本发明采用了精确的小信号放大电路，将微弱的垂直霍尔盘信号进行了适当的放大，从而更易于处理；采用具有公式(3)中所述特性的滤波器，结合旋转电流开关技术，消除了垂直霍尔盘和放大器的较大电压漂移的影响，使放大后的信号与水平磁场强度大小成正比；采用双阈值迟滞比较器，使得磁控开关的输出VOUT不易受到比较器输入信号的噪声和抖动的影响而发生误翻转。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (10)
1.一种能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，其特征在于，所述磁开关系统包括：垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器、比较器、输出逻辑、阈值选择电路、辅助电路；
所述垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器依次连接，滤波器、阈值选择电路分别连接比较器的输入端，比较器连接输出逻辑，输出逻辑的输出信号反馈至阈值选择电路；所述辅助电路分别连接垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器、比较器、输出逻辑；
所述放大器为能精确放大垂直霍尔盘信号的小信号差分放大器，用以将微弱的垂直霍尔盘信号放大一固定倍数；
所述滤波器为具有消除垂直霍尔盘和放大器电压漂移功能的滤波器，其输出信号为第一相位放大器输出，减去第二相位放大器输出，加上第三相位放大器输出，减去第四相位放大器输出，结果除以四；
所述比较器为具有双阈值的迟滞比较器，根据输出的不同，比较器的阈值在两个不同参考电压间切换，用于增强比较器的抗噪声能力；
所述直霍尔盘VHP的4个端口连接至旋转电流开关；旋转电流开关产生一对差分霍尔信号输出VVHP，连接至放大器输入端；放大器差分输出端连接至滤波器；滤波器输出VSIG作为比较器第一输入端；两个参考电压VREF1和VREF2连接至阈值选择逻辑输入端，阈值选择逻辑的输出端VREF作为比较器的第二输入端；比较器输出端VCP连接至输出控制逻辑；输出控制逻辑的输出VOUT就是磁控开关系统的输出，为数字高电平或低电平；同时，VOUT也连接至阈值选择逻辑的输入控制端；辅助电路为系统提供电源、时钟和电流，因此会连接至各个模块；
开始工作后，预置相位序号N＝1和比较器第二输入端VREF＝VREF1；随后旋转电流开关被配置为第N状态，控制VHP采集BX方向的磁场分量大小；之后经过放大器放大一固定倍数，再被滤波器采样；如此循环4次，直至完成N＝4时的滤波器采样后，滤波器计算输出滤波后的信号VSIG；此信号与比较器的第二输入信号VREF进行比较；若VSIG≥VREF，则输出VOUT＝0，同时阈值选择单元选择VREF＝VREF2，如此完成一个数据的采集，回到开始阶段进行下一个数据采集；若VSIG<VREF，则输出VOUT＝1，同时阈值选择单元选择VREF＝VREF1，如此完成一个数据的采集，回到开始阶段进行下一个数据采集；
垂直霍尔盘为5端垂直霍尔盘，其中第1端和第5端已经短接；或者，垂直霍尔盘采用3端、4端或6端结构；霍尔盘材料为P型硅衬底上N型掺杂阱；VHP沿y方向放置，检测外加磁场B在x方向上的分量Bx的大小；VHP也沿xOy平面内的任意方向放置，那么此时该VHP能检测xOy平面内与该VHP垂直的磁场分量大小；
旋转电流开关是能减小垂直霍尔盘电压漂移VOS的技术，旋转电流开关共有4个相位，在每个相位中把VHP的4个输出端在电源、地、正信号和负信号之间依次轮转，从而消除固定的电压漂移VOS；4个输出端分别为第一输出端、第二输出端、第三输出端、第四输出端；
放大器对VHP输出信号VVHP进行固定倍数的放大；VVHP通常在1mV以下，是一个微弱的信号，容易被后端信号处理系统中的噪声或其本身的电压漂移VOS所湮没，因此要使用较低噪声的放大器对VHP信号进行放大；采用的放大器采用相同的两级结构，每一级结构为电阻反馈式的伪差分MOS放大器；差分输入为Vip和Vin，差分输出为Vop和Von；放大倍数由电阻的比例精确确定：
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1
内部放大器A1和A2采用密勒补偿的两级共源差分放大器；
滤波器为具有信号解调和噪声滤波功能的模块；若第一、第二、第三、第四相位的滤波器输入、即放大器输出分别为VAMP1、VAMP2、VAMP3、VAMP4，则此滤波器的输出VSIG具有如下形式：
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而VAMPi＝AV·VVHPi+VOA(i＝1,2,3,4) (4)
其中AV是放大器的固定放大倍数，VOA是放大器的固定电压漂移，VVHPi是第i个相位的旋转电流开关输出；假设在第1到第4相位垂直霍尔盘的电压漂移分别为VOS1、VOS2、VOS3、VOS4，根据垂直霍尔盘特性和旋转电流开关操作方式，有
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VOS1+VOS2+VOS3+VOS4＝0 (6)
将(4～6)代入(3)可得，
VSIG＝AV·K·BX (7)
所述放大器、滤波器配合旋转电流开关技术，能得到一个信号VSIG，其仅与磁场强度BX，灵敏度K和放大倍数AV成正比，而且可以消除垂直霍尔盘电压漂移VOS和放大器电压漂移VOA的影响；此信号VSIG可用于精确判断所关心的磁场BX的大小；滤波器采用MOS开关加采样电容结构实现；
所述比较器用于产生数字信号高电平1或低电平0，即将模拟信号VSIG转换成开关信号0或1；具体地，若VSIG大于比较器的参考电压VREF，则输出VOUT＝VCP＝0，否则VOUT＝VCP＝1；
【1】采用具有两个不同阈值VREF1和VREF2的比较器结构，VREF2>VREF1，即迟滞比较器结构；若输出VOUT＝0，则VREF立刻切换成VREF2，否则VREF立刻切换成VREF1；VHYS＝VREF2-VREF1称为迟滞窗口，增强比较器的抗噪声能力；当比较器的输入在VHYS的范围内存在噪声或抖动时，输出仍然维持恒定；【2】或者，选择VREF1＝VREF2，此时迟滞窗口为零，比较器具有单一阈值；此种比较器虽然抗噪声和抖动能力较差，但结构较为简单，可适用于比较精度要求较低的应用，如辅助磁阻角度传感器的象限判定；
所述比较器为开环比较器，具有比较速度快，比较分辨率高，且对寄生电容不敏感的特点；或者，所述比较器为闭环比较器、可再生比较器或者混合结构比较器；
所述输出逻辑是简单的触发器，用于时序操作上的同步输出；所述输出逻辑采用单个D触发器，因此VOUT＝VCP；
所述辅助电路包括电源管理、时钟产生、参考电流产生和上电复位功能模块，为系统提供基本的电源、时钟、偏置信号。
2.一种能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，其特征在于，所述磁开关系统包括：垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器、比较器、输出逻辑、阈值选择电路、辅助电路；
所述垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器依次连接，滤波器、阈值选择电路分别连接比较器的输入端，比较器连接输出逻辑，输出逻辑的输出信号反馈至阈值选择电路；所述辅助电路分别连接垂直霍尔盘、旋转电流开关、放大器、滤波器、比较器、输出逻辑。
3.根据权利要求2所述的能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，其特征在于：
所述放大器为能精确放大垂直霍尔盘信号的小信号差分放大器，用以将微弱的垂直霍尔盘信号放大一固定倍数；
所述滤波器为具有消除垂直霍尔盘和放大器电压漂移功能的滤波器，其输出信号为第一相位放大器输出，减去第二相位放大器输出，加上第三相位放大器输出，减去第四相位放大器输出，结果除以四；
所述比较器为具有双阈值的迟滞比较器，根据输出的不同，比较器的阈值在两个不同参考电压间切换，用于增强比较器的抗噪声能力。
4.根据权利要求2所述的能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，其特征在于：
所述直霍尔盘VHP的4个端口连接至旋转电流开关；旋转电流开关产生一对差分霍尔信号输出VVHP，连接至放大器输入端；放大器差分输出端连接至滤波器；滤波器输出VSIG作为比较器第一输入端；两个参考电压VREF1和VREF2连接至阈值选择逻辑输入端，阈值选择逻辑的输出端VREF作为比较器的第二输入端；比较器输出端VCP连接至输出控制逻辑；输出控制逻辑的输出VOUT就是磁控开关系统的输出，为数字高电平或低电平；同时，VOUT也连接至阈值选择逻辑的输入控制端；辅助电路为系统提供电源、时钟和电流，因此会连接至各个模块。
5.根据权利要求4所述的能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，其特征在于：
开始工作后，预置相位序号N＝1和比较器第二输入端VREF＝VREF1；随后旋转电流开关被配置为第N状态，控制VHP采集BX方向的磁场分量大小；之后经过放大器放大一固定倍数，再被滤波器采样；如此循环4次，直至完成N＝4时的滤波器采样后，滤波器计算输出滤波后的信号VSIG；此信号与比较器的第二输入信号VREF进行比较；若VSIG≥VREF，则输出VOUT＝0，同时阈值选择单元选择VREF＝VREF2，如此完成一个数据的采集，回到开始阶段进行下一个数据采集；若VSIG<VREF，则输出VOUT＝1，同时阈值选择单元选择VREF＝VREF1，如此完成一个数据的采集，回到开始阶段进行下一个数据采集。
6.根据权利要求4所述的能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，其特征在于：
所述垂直霍尔盘为5端垂直霍尔盘，其中第1端和第5端已经短接；或者，垂直霍尔盘采用3端、4端或6端结构；这些结构在电学上是等价的，都能检测水平方向磁场，且有4个等效输出端口，不影响其普遍性；霍尔盘材料为P型硅衬底上N型掺杂阱；所述VHP沿y方向放置，检测外加磁场B在x方向上的分量Bx的大小；当然，VHP也沿xOy平面内的任意方向放置，那么此时该VHP能检测xOy平面内与该VHP垂直的磁场分量大小；
所述旋转电流开关是能减小垂直霍尔盘电压漂移VOS的技术，旋转电流开关共有4个相位，在每个相位中把VHP的4个输出端在电源、地、正信号和负信号之间依次轮转，从而消除固定的电压漂移VOS；4个输出端分别为第一输出端、第二输出端、第三输出端、第四输出端；
所述放大器对VHP输出信号VVHP进行固定倍数的放大；VVHP通常在1mV以下，是一个微弱的信号，容易被后端信号处理系统中的噪声或其本身的电压漂移VOS所湮没，因此要使用较低噪声的放大器对VHP信号进行放大；采用的放大器采用相同的两级结构，每一级结构为电阻反馈式的伪差分MOS放大器；差分输入为Vip和Vin，差分输出为Vop和Von；放大倍数由电阻的比例精确确定：
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3
内部放大器A1和A2采用密勒补偿的两级共源差分放大器；
滤波器为具有信号解调和噪声滤波功能的模块；若第一、第二、第三、第四相位的滤波器输入、即放大器输出分别为VAMP1、VAMP2、VAMP3、VAMP4，则此滤波器的输出VSIG具有如下形式：
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而VAMPi＝AV·VVHPi+VOA(i＝1,2,3,4) (4)
其中AV是放大器的固定放大倍数，VOA是放大器的固定电压漂移，VVHPi是第i个相位的旋转电流开关输出；假设在第1到第4相位垂直霍尔盘的电压漂移分别为VOS1、VOS2、VOS3、VOS4，根据垂直霍尔盘特性和旋转电流开关操作方式，有
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VOS1+VOS2+VOS3+VOS4＝0 (6)
将(4～6)代入(3)可得，
VSIG＝AV·K·BX (7)
所述放大器、滤波器配合旋转电流开关，得到一个信号VSIG，其仅与磁场强度BX，灵敏度K和放大倍数AV成正比，而且能消除垂直霍尔盘电压漂移VOS和放大器电压漂移VOA的影响；此信号VSIG可用于精确判断所关心的磁场BX的大小；滤波器采用MOS开关加采样电容结构实现；
比较器用于产生数字信号高电平1或低电平0，即将模拟信号VSIG转换成开关信号0或1；具体地，若VSIG大于比较器的参考电压VREF，则输出VOUT＝VCP＝0，否则VOUT＝VCP＝1。
7.根据权利要求6所述的能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，其特征在于：
采用具有两个不同阈值VREF1和VREF2的比较器结构，VREF2>VREF1，即迟滞比较器结构；若输出VOUT＝0，则VREF立刻切换成VREF2，否则VREF立刻切换成VREF1；VHYS＝VREF2-VREF1称为迟滞窗口，增强比较器的抗噪声能力；当比较器的输入在VHYS的范围内存在噪声或抖动时，输出仍然维持恒定。
8.根据权利要求6所述的能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，其特征在于：
选择VREF1＝VREF2，此时迟滞窗口为零，比较器具有单一阈值；此种比较器虽然抗噪声和抖动能力较差，但结构较为简单，可适用于比较精度要求较低的应用，如辅助磁阻角度传感器的象限判定。
9.根据权利要求2所述的能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统，其特征在于：
所述比较器为开环比较器，具有比较速度快，比较分辨率高，且对寄生电容不敏感的特点；或者，所述比较器为闭环比较器、可再生比较器或者混合结构比较器；
所述输出逻辑是简单的触发器，用于时序操作上的同步输出；所述输出逻辑采用单个D触发器，因此VOUT＝VCP；
所述辅助电路包括电源管理、时钟产生、参考电流产生和上电复位功能模块，为系统提供基本的电源、时钟、偏置信号。
10.一种适用于垂直霍尔盘的信号处理方法，其特征在于：将水平磁场强度转换为数字电平的磁控开关；所述磁控开关用以减少垂直霍尔盘以及内部信号处理系统的电压漂移，并且对微弱的磁场信号进行适当的放大，得到能够精确反映水平磁场强度的电信号，实现精确的开关控制。
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