CN108106642A - 一种霍尔元件模拟前端电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种霍尔元件模拟前端电路，包括霍尔元件、霍尔元件激励源、电压输入、稳压电路、射频扼流电路、第一隔直电容、第二隔直电容、第一输入电阻、第二输入电阻、第一反馈电阻、第二反馈电阻、第一斩波开关、第二斩波开关、时序控制电路、跨导运算放大器、Sigma_Delta调制器，最终输出PWM编码。将具有耐高温、高灵敏度、高线性度等优势的霍尔元件和具有耐高温、高速、低功耗的SOI电路与器件相结合，具有耐高温、高灵敏度、高线性度等优点；隔直电容的引入有效去除了输出信号中的直流分量，而射频扼流电路的引入则有效去除了电压输入中的交流分量，稳压电路可以使跨导运算放大器的输入电压更加稳定；斩波开关的引入有效降低闪烁噪声和失调电压的影响。

Description

一种霍尔元件模拟前端电路
技术领域
本发明涉及半导体磁传感器技术领域，特别涉及一种霍尔元件模拟前端电路。
背景技术
传感器技术、通信技术和计算机技术共同组成了现代信息技术的三大支柱技术，被广泛地应用于国民经济的各个领域。霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁敏传感器，在各类磁敏传感器中地位最为重要，是国防、工业、民用等部门生产制造过程中不可或缺的重要元器件，不仅可以用于测量电磁参数，还被广泛应用于测量直线位移、转速、压力和角位移等非电量参数。
砷化镓霍尔传感器具有耐高温、高线性度、高灵敏度等优势，传统的砷化镓霍尔元件模拟前端电路通常采用体硅材料来制备电路和元器件，严重限制了砷化镓霍尔传感器在高温领域的应用，如何发挥砷化镓霍尔传感器的优势，解决高温情况下探测的需求，是亟待解决问题，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种霍尔元件模拟前端电路，将具有耐高温、高灵敏度、高线性度等优势的霍尔元件和具有耐高温、高速、低功耗的SOI电路与器件相结合，从而得到耐高温、高灵敏度、高线性度的霍尔元件模拟前端电路。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种霍尔元件模拟前端电路，包括霍尔元件、霍尔元件激励源、电压输入、稳压电路、射频扼流电路、第一隔直电容、第二隔直电容、第一输入电阻、第二输入电阻、第一反馈电阻、第二反馈电阻、第一斩波开关、第二斩波开关、时序控制电路、跨导运算放大器、Sigma_Delta调制器；
所述霍尔元件，用于输出第一输出信号和第二输出信号；
所述第一输出信号依次通过所述第一隔直电容、所述第一输入电阻、所述第一斩波开关、所述跨导运算放大器、所述第二斩波开关、所述Sigma_Delta调制器；
所述第二输出信号依次通过所述第二隔直电容、所述第二输入电阻、所述第一斩波开关、所述跨导运算放大器、所述第二斩波开关、所述Sigma_Delta调制器；
所述第一隔直电容和所述第二隔直电容，用于分别滤除所述第一输出信号和所述第二输出信号中的直流分量，并将交流分量输送至所述跨导运算放大器；
所述Sigma_Delta调制器，用于输出PWM编码；
所述霍尔元件激励源，用于为所述霍尔元件提供激励；
所述电压输入，用于输入电压输入信号；
所述电压输入信号依次经过所述稳压电路、所述射频扼流电路，再分别经过所述第一输入电阻和所述第二输入电阻，用于为所述跨导运算放大器提供所需的共模电压；
所述稳压电路和所述射频扼流电路，用于稳定所述电压输入信号，并去除其中的交流分量，为所述跨导运算放大器提供稳定的直流共模电压；
所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻，均用于为所述跨导运算放大器提供反馈；
所述第一斩波开关和所述第二斩波开关，均用于对闪烁噪声和直流失调电压进行调制，以降低闪烁噪声和直流失调电压的影响；
所述时序控制电路，用于为所述第一斩波开关和所述第二斩波开关提供控制时序。
所述霍尔元件包括半绝缘衬底层，所述半绝缘衬底层为半绝缘砷化镓单晶衬底；
所述霍尔元件包括磁敏功能层，所述磁敏功能层的材料为掺杂的砷化镓单晶层、铝镓砷叠层二维电子气结构、铟镓砷叠层二维电子气结构、砷化镓叠层二维电子气结构中的一种；
所述稳压电路、所述射频扼流电路、所述第一隔直电容、所述第二隔直电容、所述第一输入电阻、所述第二输入电阻、所述第一反馈电阻、所述第二反馈电阻、所述第一斩波开关、所述第二斩波开关、所述时序控制电路、所述跨导运算放大器、所述Sigma_Delta调制器的衬底均为SOI衬底。
优选地，所述霍尔元件激励源为电流源，所述霍尔元件为电流工作模式；
或；
所述霍尔元件激励源为电压源，所述霍尔元件为电压工作模式。
优选地，所述第一隔直电容和所述第二隔直电容的电容值相同。
优选地，所述第一输入电阻和所述第二输入电阻的电阻值相同。
优选地，所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻的电阻值相同；
所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻均为可变电阻或固定电阻。
优选地，所述Sigma_Delta调制器，至少包括积分器和量化器，用于处理所述跨导运算放大器输出的信号，并输出PWM编码。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明一种霍尔元件模拟前端电路，将具有耐高温、高灵敏度、高线性度等优势的霍尔元件和具有耐高温、高速、低功耗的SOI电路与器件相结合，具有耐高温、高灵敏度、高线性度等优点；隔直电容的引入有效去除了输出信号中的直流分量，而射频扼流电路的引入则有效去除了电压输入中的交流分量，稳压电路可以使跨导运算放大器的输入电压更加稳定；斩波开关的引入有效降低闪烁噪声和失调电压的影响。本发明提供的霍尔元件模拟前端电路耐高温、灵敏度高、线性度好，在霍尔传感器领域具有重要的应用前景。
附图说明
附图1为本发明霍尔元件模拟前端电路的系统架构图。
其中：1、霍尔元件；2、霍尔元件激励源；3、电压输入；4、稳压电路；5、射频扼流电路；6、第一隔直电容；7、第二隔直电容；8、第一输入电阻；9、第二输入电阻；10、第一反馈电阻；11、第二反馈电阻；12、第一斩波开关；13、第二斩波开关；14、时序控制电路；15、跨导运算放大器；16、Sigma_Delta调制器。
具体实施方式
下面结合附图来对本发明的技术方案作进一步的阐述。
参见图1所示，上述一种霍尔元件1模拟前端电路，包括霍尔元件1、霍尔元件激励源2、电压输入3、稳压电路4、射频扼流电路5、第一隔直电容6、第二隔直电容7、第一输入电阻8、第二输入电阻9、第一反馈电阻10、第二反馈电阻11、第一斩波开关12、第二斩波开关13、时序控制电路14、跨导运算放大器15、Sigma_Delta调制器16。
霍尔元件1，用于输出第一输出信号和第二输出信号；
第一输出信号依次通过第一隔直电容6、第一输入电阻8、第一斩波开关12、跨导运算放大器15、第二斩波开关13、Sigma_Delta调制器16；
第二输出信号依次通过第二隔直电容7、第二输入电阻9、第一斩波开关12、跨导运算放大器15、第二斩波开关13、Sigma_Delta调制器16。
在本实施例中，第一输入电阻8和第二输入电阻9的电阻值相同。
第一隔直电容6和第二隔直电容7，用于分别滤除第一输出信号和第二输出信号中的直流分量，并将交流分量输送至跨导运算放大器15；在霍尔元件1的输出端和第一输入电阻8之间接入第一隔直电容6；在霍尔元件1的输出端和第二输入电阻9之间接入第二隔直电容7。在本实施例中，第一隔直电容6和第二隔直电容7的电容值相同。
调制器16，至少包括积分器和量化器，用于处理跨导运算放大器15输出的信号，并输出PWM编码。
霍尔元件激励源2，用于为霍尔元件1提供激励；当霍尔元件激励源2为电流源时，霍尔元件1为电流工作模式；当霍尔元件激励源2为电压源时，霍尔元件1为电压工作模式。在本实施例中，霍尔元件激励源2为电压源，霍尔元件1为电压工作模式。
电压输入3，用于输入电压输入3信号；电压输入3信号依次经过稳压电路4、射频扼流电路5，再分别经过第一输入电阻8和第二输入电阻9，用于为跨导运算放大器15提供所需的共模电压。
稳压电路4和射频扼流电路5，用于稳定电压输入3信号，并去除其中的交流分量，为跨导运算放大器15提供稳定的直流共模电压。
第一反馈电阻10和第二反馈电阻11，均用于为跨导运算放大器15提供反馈；第一反馈电阻10和第二反馈电阻11的两侧分别连接在第一斩波开关12的输入端和第二斩波开关13的输出端上。在本实施例中，第一反馈电阻10和第二反馈电阻11的电阻值相同。
第一反馈电阻10和第二反馈电阻11均为可变电阻或固定电阻。在本实施例中，第一反馈电阻10与第一输入电阻8的比值和第二反馈电阻11与第二输入电阻9的比值相同，均为1000，跨导运算放大器15的增益为1000。
第一斩波开关12和第二斩波开关13，分别位于跨导运算放大器15的输入端和输出端，均用于对闪烁噪声和直流失调电压进行调制，以降低闪烁噪声和直流失调电压的影响；
时序控制电路14，用于为第一斩波开关12和第二斩波开关13提供两相非交叠时钟。
霍尔元件1包括半绝缘衬底层，半绝缘衬底层为半绝缘砷化镓单晶衬底。
霍尔元件1包括磁敏功能层，磁敏功能层的材料为掺杂的砷化镓单晶层、铝镓砷叠层二维电子气结构、铟镓砷叠层二维电子气结构、砷化镓叠层二维电子气结构中的一种，具有耐高温、高灵敏度、高线性度等优点。在本实施例中，磁敏功能层的材料为掺杂的砷化镓单晶层。
稳压电路4、射频扼流电路5、第一隔直电容6、第二隔直电容7、第一输入电阻8、第二输入电阻9、第一反馈电阻10、第二反馈电阻11、第一斩波开关12、第二斩波开关13、时序控制电路14、跨导运算放大器15、Sigma_Delta调制器16的衬底均为SOI衬底，具有耐高温、高速、低功耗等优点。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种霍尔元件模拟前端电路，其特征在于：包括霍尔元件、霍尔元件激励源、电压输入、稳压电路、射频扼流电路、第一隔直电容、第二隔直电容、第一输入电阻、第二输入电阻、第一反馈电阻、第二反馈电阻、第一斩波开关、第二斩波开关、时序控制电路、跨导运算放大器、Sigma_Delta调制器；
所述霍尔元件，用于输出第一输出信号和第二输出信号；
所述第一输出信号依次通过所述第一隔直电容、所述第一输入电阻、所述第一斩波开关、所述跨导运算放大器、所述第二斩波开关、所述Sigma_Delta调制器；
所述第二输出信号依次通过所述第二隔直电容、所述第二输入电阻、所述第一斩波开关、所述跨导运算放大器、所述第二斩波开关、所述Sigma_Delta调制器；
所述第一隔直电容和所述第二隔直电容，用于分别滤除所述第一输出信号和所述第二输出信号中的直流分量，并将交流分量输送至所述跨导运算放大器；
所述Sigma_Delta调制器，用于输出PWM编码；
所述霍尔元件激励源，用于为所述霍尔元件提供激励；
所述电压输入，用于输入电压输入信号；
所述电压输入信号依次经过所述稳压电路、所述射频扼流电路，再分别经过所述第一输入电阻和所述第二输入电阻，用于为所述跨导运算放大器提供所需的共模电压；
所述稳压电路和所述射频扼流电路，用于稳定所述电压输入信号，并去除其中的交流分量，为所述跨导运算放大器提供稳定的直流共模电压；
所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻，均用于为所述跨导运算放大器提供反馈；
所述第一斩波开关和所述第二斩波开关，均用于对闪烁噪声和直流失调电压进行调制，以降低闪烁噪声和直流失调电压的影响；
所述时序控制电路，用于为所述第一斩波开关和所述第二斩波开关提供控制时序；
所述霍尔元件包括半绝缘衬底层，所述半绝缘衬底层为半绝缘砷化镓单晶衬底；
所述霍尔元件包括磁敏功能层，所述磁敏功能层的材料为掺杂的砷化镓单晶层、铝镓砷叠层二维电子气结构、铟镓砷叠层二维电子气结构、砷化镓叠层二维电子气结构中的一种；
所述稳压电路、所述射频扼流电路、所述第一隔直电容、所述第二隔直电容、所述第一输入电阻、所述第二输入电阻、所述第一反馈电阻、所述第二反馈电阻、所述第一斩波开关、所述第二斩波开关、所述时序控制电路、所述跨导运算放大器、所述Sigma_Delta调制器的衬底均为SOI衬底。
2.根据权利要求1所述的一种霍尔元件模拟前端电路，其特征在于：所述霍尔元件激励源为电流源，所述霍尔元件为电流工作模式；
或；
所述霍尔元件激励源为电压源，所述霍尔元件为电压工作模式。
3.根据权利要求1所述的一种霍尔元件模拟前端电路，其特征在于：所述第一隔直电容和所述第二隔直电容的电容值相同。
4.根据权利要求1所述的一种霍尔元件模拟前端电路，其特征在于：所述第一输入电阻和所述第二输入电阻的电阻值相同。
5.根据权利要求1所述的一种霍尔元件模拟前端电路，其特征在于：所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻的电阻值相同；
所述第一反馈电阻和所述第二反馈电阻均为可变电阻或固定电阻。
6.根据权利要求1所述的一种霍尔元件模拟前端电路，其特征在于：所述Sigma_Delta调制器，至少包括积分器和量化器，用于处理所述跨导运算放大器输出的信号，并输出PWM编码。
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