CN108418560B - 一种应用于霍尔电流传感器的读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于霍尔电流传感器的读出方法，提供一前端旋转电流模块、信号读出主体电路以及纹波消除环路RRL电路；前端旋转电流模块包括采用旋转霍尔传感器的低频通路以及采用非旋转霍尔传感器且用于形成双通道架构来增大整体带宽的高频通路；纹波消除环路RRL电路接入低频通路；低频通路采用旋转电流控制，纹波消除环路RRL电路采用斩波控制，以消除电路失调电压和1/f噪声；低频通路以及所述高频通路接入所述信号读出主体电路。本发明通过采用一种高带宽、高精度霍尔电流传感器的读出电路，通过利用双通道电路结构，并引入纹波消除环路RRL，可以有效地消除电路失调电压和1/f噪声的同时还能获得比较大的系统带宽。

Description

一种应用于霍尔电流传感器的读出电路

技术领域

本发明涉及一种应用于霍尔电流传感器的读出方法。

背景技术

随着科技的发展和不断进步，电能已成为人类生活中不可或缺的一部分，而用电安全更是人们关注的焦点。传统的电流检测装置，例如分流器、互感器、罗氏线圈等由于测量精度低，体积大等原因，不利于集成，也无法在复杂条件下工作。而霍尔电流传感器凭借其高精度、高可靠性、小体积且易于集成等优势已经成为研究热点，其产品被广泛应用在汽车电子、工业控制、电源管理、航天和军用等领域。虽然霍尔电流传感器有诸如上述的很多优点，但是对于频率很高信号，普通的传感器就无法用来进行检测，所以带宽限制了霍尔电流传感器在高频上的应用。探索提高霍尔电流传感器工作带宽的方法成为近些年研究热点中的热点。

霍尔电流传感器是将磁信号转化为电信号输出的一种传感器，但这个信号非常微弱，小至微伏到几毫伏这个级别，并混杂有干扰信号和噪声。同时，在这个微弱的信号上通常叠加一个比该信号大几个量级的共模电压，这个共模电压的大小取决于应用场合，有的甚至可以达到几伏特。因此需要集成化的读出电路来处理这个微弱的信号。目前，用于霍尔电流传感器的读出电路一般为单通道带斩波仪表放大器，但是该结构的信号带宽受低通滤波器-3dB带宽的限制。增大信号带宽的方法一般是增大斩波频率，然而大的斩波频率往往增大斩波器开关电荷注入以及时钟馈通等非理想因素，从而引入比较大的残余失调纹波。另外，采用数字低通滤波器除了限制系统带宽，还会造成信号混叠，而采用模拟滤波器需要比较大的时间常数来充分消除纹波，这样导致芯片面积增大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于霍尔电流传感器的读出方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种应用于霍尔电流传感器的读出方法，提供一前端旋转电流模块、信号读出主体电路以及纹波消除环路RRL电路；所述前端旋转电流模块包括采用旋转霍尔传感器的低频通路以及采用非旋转霍尔传感器且用于形成双通道架构来增大整体带宽的高频通路；所述纹波消除环路RRL电路接入所述低频通路；所述低频通路采用旋转电流控制，所述纹波消除环路RRL电路采用斩波控制，以消除电路失调电压和1/f噪声；所述低频通路以及所述高频通路接入所述信号读出主体电路。

在本发明一实施例中，所述高频通路包括：第一片外偏置电流单元、第一霍尔盘、第一输入电容、第二输入电容、第一运放单元、第一电阻、第二电阻、第二运放单元、第一输出电容、第二输出电容；所述第一片外偏置电流单元与所述第一霍尔盘相连；所述第一霍尔盘分别经所述第一输入电容以及所述第二输入电容接入所述第一运放单元；所述第一运放单元分别经所述第一电阻以及所述第二电阻接入所述第二运放单元；所述第二运放单元分别经所述第一输出电容以及所述第二输出电容接入所述信号读出主体电路。

在本发明一实施例中，所述低频通路包括：第二片外偏置电流单元、第二霍尔盘、旋转电流电路、第三输入电容、第四输入电容、第三运放单元、第三电阻、第四电阻、第四运放单元、第一输出电阻、第二输出电阻、第一斩波器；所述第二片外偏置电流单元与所述第二霍尔盘相连；所述第一霍尔盘与所述旋转电流电路相连；所述旋转电流电路分别经所述第三输入电容以及所述第四输入电容接入所述第三运放单元；所述第三运放单元分别经所述第三电阻以及所述第四电阻接入所述第四运放单元；所述第四运放单元分别经所述第一输出电阻以及所述第二输出电阻接入所述信号读出主体电路；所述第一斩波器与所述第四运放单元的输出端相连，并经所述第四运放单元中的反馈电阻接入所述第四运放单元的输入端；所述纹波消除环路RRL电路连接于所述第四运放单元两端。

在本发明一实施例中，所述第四运放单元还包括一第二斩波器。

在本发明一实施例中，所述纹波消除环路RRL电路包括：第五电阻、第六电阻、第三斩波器、第五运放单元、第一感应电阻、第二感应电阻、第一电容以及第二电容；所述第五电阻的一端以及所述第六电阻的一端分别接入所述第四运放单元的输入端；所述第五电阻的另一端以及第六电阻的另一端分别接入所述第五运放单元的输入端；所述第一电容的一端以及第二电容的一端分别接入所述第五运放单元的输入端，所述第一电容的另一端以及第二电容的另一端分别接入所述第五运放单元的输出端；所述第三斩波器与所述第五运放单元的输出端相连；所述第三斩波器分别经所述一感应电阻以及所述第二感应电阻接入所述所述第四运放单元的输出端。

在本发明一实施例中，所述第一运放单元、所述第二远运放单元、所述第三运放单元、所述第四运放单元均采用Class-A输出的全差分两级套筒式运放。

在本发明一实施例中，所述信号读出主体电路包括一第六运放单元。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明在经典的单通道带斩波仪表放大器结构的基础上，增加一条高频通道形成双通道架构来增大整体系统的带宽，并采用旋转电流技术和斩波技术，实现对霍尔盘和运放失调电压及1/f噪声的消除。另外由于在运放的输入、输出端使用两个斩波器，会在斩波频率处产生比较大的纹波，为了有效的抑制输出纹波幅度，引入纹波消除环路RRL来减小该纹波。因此本发明中提出的霍尔电流传感器的读出电路可以有效消除电路失调电压和1/f噪声的同时还能获得比较大的系统带宽。该发明在霍尔电流传感器的读出电路领域有着巨大的应用。

附图说明

图1为传统的单通道带斩波仪表放大器结构图。

图2为本发明中霍尔电流传感器的读出电路的系统结构图。

图3为本发明中低频通路和高频通路波特曲线图。

图4为本发明中旋转电流原理图。

图5为本发明中纹波消除环路RRL原理图。

图6为本发明中纹波消除环路RRL简化结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供一种应用于霍尔电流传感器的读出方法，提供一前端旋转电流模块、信号读出主体电路以及纹波消除环路RRL电路；前端旋转电流模块包括采用旋转霍尔传感器的低频通路以及采用非旋转霍尔传感器且用于形成双通道架构来增大整体带宽的高频通路；纹波消除环路RRL电路接入低频通路；低频通路采用旋转电流控制，纹波消除环路RRL电路采用斩波控制，以消除电路失调电压和1/f噪声；低频通路以及所述高频通路接入信号读出主体电路。

在本实施例中，如图2所示，高频通路包括：第一片外偏置电流单元、第一霍尔盘、第一输入电容、第二输入电容、第一运放单元、第一电阻、第二电阻、第二运放单元、第一输出电容、第二输出电容；第一片外偏置电流单元与第一霍尔盘相连；第一霍尔盘分别经第一输入电容以及第二输入电容接入第一运放单元；第一运放单元分别经第一电阻以及第二电阻接入第二运放单元；第二运放单元分别经第一输出电容以及第二输出电容接入信号读出主体电路。

在本实施例中，如图2所示，低频通路包括：第二片外偏置电流单元、第二霍尔盘、旋转电流电路、第三输入电容、第四输入电容、第三运放单元、第三电阻、第四电阻、第四运放单元、第一输出电阻、第二输出电阻、第一斩波器；第二片外偏置电流单元与第二霍尔盘相连；第一霍尔盘与旋转电流电路相连；旋转电流电路分别经第三输入电容以及第四输入电容接入第三运放单元；第三运放单元分别经第三电阻以及第四电阻接入第四运放单元；第四运放单元分别经第一输出电阻以及第二输出电阻接入信号读出主体电路；第一斩波器与第四运放单元的输出端相连，并经第四运放单元中的反馈电阻接入第四运放单元的输入端；纹波消除环路RRL电路连接于第四运放单元两端。

在本实施例中，第四运放单元还包括一第二斩波器。

在本实施例中，如图5所示，纹波消除环路RRL电路包括：第五电阻、第六电阻、第三斩波器、第五运放单元、第一感应电阻、第二感应电阻、第一电容以及第二电容；第五电阻的一端以及第六电阻的一端分别接入第四运放单元的输入端；第五电阻的另一端以及第六电阻的另一端分别接入第五运放单元的输入端；第一电容的一端以及第二电容的一端分别接入第五运放单元的输入端，第一电容的另一端以及第二电容的另一端分别接入第五运放单元的输出端；第三斩波器与第五运放单元的输出端相连；第三斩波器分别经一感应电阻以及第二感应电阻接入第四运放单元的输出端。

在本实施例中，第一运放单元、第二远运放单元、第三运放单元、第四运放单元均采用Class-A输出的全差分两级套筒式运放。

在本实施例中，信号读出主体电路包括一第六运放单元。

进一步的，为了让本领域技术人员了解本发明的技术方案，下面结合具体电路进行说明。

进一步的，本发明通过采用旋转电流技术和斩波技术，提供了一种应用于霍尔电流传感器的高带宽、高精度读出电路。传统的单通道带斩波仪表放大器结构如图1所示。在传统的单通道带斩波仪表放大器的基础上增加了一条高频通路，采用旋转电流技术、斩波技术和纹波消除环路RRL来消除失调电压及1/f噪声，并采用SMIC 0.18μm CMOS工艺实现。通过Spectre仿真，整体电路-3dB带宽高达675kHz，纹波抑制比可达65.6dB，等效输入参考噪声功率谱密度PSD为21nV/√Hz，共模抑制比CMRR为120dB，整体设计的仿真结果达到了高带宽、高精度霍尔电流传感器的读出电路要求。

进一步的，整个系统的电路图如图2所示。该结构由两条信号通道组成，一条采用旋转霍尔传感器的低频通路(LFP)，另一条采用非旋转霍尔传感器的高频通路(HFP)，两条通路均接入信号读出主体电路。

如附图2所示，低频通路中，霍尔盘直接与旋转电流电路直接相连，旋转电流电路输出端通过该通路中的电容C_in与该通路中的CCIA第一级运放A₁相连，运放A₁输出端通过电阻R₁与该通路中的CCIA第二级运放A₂相连，运放A₂输出端通过电阻R₃与输出级A₃相连。同时，在A₂输出端连接纹波消除环路RRL电路反馈回到A₂的输入端。高频通路中，高频通路连接方式以及结构基本与低频通路相同，除了没有旋转电流电路模块和纹波消除环路RRL模块。

进一步的，在低频通路中，霍尔盘产生的霍尔电压经过旋转电流电路模块调制到旋转频率f_spin，而霍尔盘失调电压则保持在直流状态。大部分的霍尔失调电压被输入电容C_in阻隔，而霍尔电压和运放本身失调电压则被后续运放放大。霍尔电压被A₂处的斩波器CH₂解调回直流，经输出级放大后输出，而失调电压则被该斩波器调制，在A₂输出端以矩形波纹波形式出现。该纹波被纹波消除环路RRL电路抑制，残余纹波继续被输出级的进行滤波，从而减小整体电路纹波幅度，大大提高系统精度。

进一步的，为了保证两条通路的增益有很好的匹配性，高频通路和低频通路均采用相同的霍尔盘和运放结构。其中，霍尔盘采用N阱工艺制成的十字型结构，包含四个端口，可以将其等效为一个惠斯通电桥。运放A₁采用Class-A输出的全差分两级套筒式结构(Telescopic OTA)，运放A₂同样采用和A₁一样的结构，但它是A₁的缩减版，消耗电流更小。运放A₃采用两级全差分Class-AB推挽式结构。

其中，第一级运放采用电容耦合型仪表放大器(CCIA)，具有100倍的闭环增益。采用电容耦合放大器有三个优点：首先它比电流反馈型和三运放型仪表放大器的功耗低；其次，可以处理更大的共模电压范围；最后，该结构可以使前端霍尔传感器自由的调节偏置电流。第二级运放采用闭环增益为20倍的反向放大器。然而，只有低频通路采用旋转电流技术和斩波技术。两条通路具有相同的带宽，所以两倍闭环增益的输出级可以平滑的把高频通路和低频通路结合起来。

进一步的，因低频通路的旋转电流技术和斩波技术而产生的纹波出现在A₂的输出端，该纹波被纹波消除环路RRL感知，并通过补偿电流注入到A₂的输入端而抑制。如图5以及图6所示，在A₂输出端的纹波通过感应电阻R_S被转化成电流纹波，同时，该电流纹波被斩波器CH₃解调并通过积分器存储在电容C_int上。最后通过电阻R_c被转化成补偿电流I₂注入到A₂的输入端，并与第一级输出电流I₁抵消，从而抑制纹波幅度。残余纹波进一步被输出级A₃、R₀、C₀、R₃构成的一阶低通滤波消除。

进一步的，为了确保低频通路因纹波消除环路而产生的陷波能够被高频通路“填补”，且综合芯片面积因素考虑，低频和高频通路交叉频率f_cross设置为2kHz，它是由输出级的时间常数R₀C₀决定的，该频率必须远小于旋转频率，且通过对电阻R₀和电容C₀进行设置，f_cross＝1/(2πR₀C₀)。为了保证两条通路具有平滑的频率响应曲线，R₃C₃和R₀C₀必须有很好的匹配性，即要求C₃/C₀＝R₀/R₃，保证输出级具有相同增益。低频通路和高频通路的波特曲线如图3所示。

进一步的，前端霍尔盘通常采用N阱工艺制成，包含四个端口，可以将其等效为一个惠斯通电桥。由于霍尔盘掺杂浓度的不均匀性以及N阱深度的不同，都会使霍尔传感器产生很严重的失调电压和低频1/f噪声，而且霍尔传感器产生的霍尔信号在经过仪表放大器放大时，也会叠加一些放大器的失调和噪声。这些非理想因素的量级很大，很多情况下其量级大到掩盖了霍尔盘输出的信号。因此，必须采取相关技术来消除霍尔传感器的失调和噪声。

旋转电流技术作为一种消除动态失调的方法被应用于霍尔电流传感器中。旋转电流技术是通过改变霍尔元件控制端与输出端的位置来改变霍尔电压V_Hall和失调电压V_offset的极性。如图4所示，通过周期性的循环，霍尔电压被调制到旋转频率f_spin处，而失调电压仍保持在原频率上，那么霍尔元件输出端电压表现为直流的失调电压和交流的霍尔电压之和。当偏置电流从左向右流动时，霍尔元件输出端电压为：

V_ph1＝V_Hall+V_offset (1)

当偏置电流旋转90°，从上向下流动时，霍尔元件输出端电压为：

V_ph2＝-V_Hall+V_offset (2)

采用旋转电流技术可以把霍尔电压调制成频率为f_spin的交流信号，而失调电压则保持在直流信号，直流的失调信号大部分被后续运放的输入电容C_in阻隔而消除。由于霍尔盘N阱的不匹配性，导致霍尔传感器的失调信号不是一个常量，并且在每个旋转相位的值都不同。经过旋转电流技术后的失调信号变成一个AC变量，并能通过电容C_in而被放大。经过解调后，这个失调信号与运放的失调电压以方波的形式一起出现在第二级A₂的输出端，这就是电路产生的纹波。该纹波的量级很大，并且严重影响最后的输出信号，因此有必要增加一个纹波消除环路模块来消除它。

在本实施例中，采用的纹波消除环路RRL原理图如图5所示，运放A₂的输出端通过感应电阻R_S与斩波器CH₃相连，斩波器连接到运放A₀的输入端，再通过电阻R_C连接到运放A2的输入端，形成一个负反馈。此处，信号经过斩波器CH₁时极性被改变，所以为了保证第二级运放反馈回路(从A₂的输出端，经过R₂连接回A₂的输入端)一直处于负反馈状态，需要采用斩波器CH₁把反馈信号极性解调回来。通过感应电阻R_S，第二级A₂输出端的电压纹波被转化成电流纹波。同时，该电流纹波被斩波器CH₃解调并通过积分器存储在电容C_int上。最后通过电阻R_c被转化成补偿电流注入到A₂的输入端。该补偿电流I₂被第一级输出电流I₁抵消，从而抑制了纹波幅度。为了简化分析，可以把纹波消除环路RRL简化成如图6所示结构。斩波器CH₁、CH₂和CH₃等效为一个CH_eff，这样可以把纹波消除环路RRL看成一个直流伺服环路，有利于电路分析。假设A₂是一个理想的运放，那么A₂输出端电压V_OL可以表示为：

V_OL＝(I₁-I₂)R₂ (3)

在反馈环路中，从V_OL到V_C的传输函数可以表示为：

所以公式(3)可以重新写成：

因此，从V_in到V_OL的传输函数H(s)可以表示为：

公式(6)符合经典的反馈理论公式，所以可以知道纹波消除环路的闭环增益Aβ可以表示为：

所以高通角频率f₀的计算公式为：

最后得到直流传输函数为：

从以上分析，可以知道等效斩波器CH_eff的作用是在斩波频率处把高通滤波器转化成一个陷波滤波器。在本实施例中，R₁＝50KΩ，R₂＝1MΩ，R_S＝10MΩ，C_int＝20pF，R_C＝2.5MΩ和A₀＝100dB，理论上纹波抑制比可以达到66dB，陷波宽度2f₀＝640Hz。

进一步的，在本实施例中，采用SMIC 0.18μm CMOS工艺，对所设计的电路进行仿真验证。通过Spectre仿真，整体电路-3dB带宽高达675kHz，纹波抑制比为65.6dB，输入等效参考噪声功率谱密度PSD为21nV/√Hz，共模抑制比CMRR为120dB，满足高带宽、高精度霍尔电流传感器读出电路的要求。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种应用于霍尔电流传感器的读出电路，其特征在于，提供一前端旋转电流模块、信号读出主体电路以及纹波消除环路RRL电路；所述前端旋转电流模块包括采用旋转霍尔传感器的低频通路以及采用非旋转霍尔传感器且用于形成双通道架构来增大整体带宽的高频通路；所述纹波消除环路RRL电路接入所述低频通路；所述低频通路采用旋转电流控制，所述纹波消除环路RRL电路采用斩波控制，以消除电路失调电压和1/f噪声；所述低频通路以及所述高频通路接入所述信号读出主体电路；所述信号读出主体电路包括一第六运放单元；所述高频通路包括：第一片外偏置电流单元、第一霍尔盘、第一输入电容、第二输入电容、第一运放单元、第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第二运放单元、第一输出电容、第二输出电容；所述第一片外偏置电流单元与所述第一霍尔盘相连；所述第一输入电容的第一端连接所述第一霍尔盘的第一输出端，所述第二输入电容的第一端连接所述第一霍尔盘的第二输出端，所述第一输入电容的第二端连接所述第一运放单元的第一输入端，所述第二输入电容的第二端连接所述第一运放单元的第二输入端；所述第一运放单元的第一输出端连接所述第一电阻的第一端，所述第一电阻的第二端连接所述第二运放单元的第一输入端和第二电阻的第一端，所述第二电阻的第二端连接所述第二运放单元的第一输出端，所述第一运放单元的第二输出端连接所述第三电阻的第一端，所述第三电阻的第二端连接所述第二运放单元的第二输入端和第四电阻的第一端，所述第四电阻的第二端连接所述第二运放单元的第二输出端，所述第二运放单元的第一输出端连接所述第一输出电容的第一端，所述第二运放单元的第二输出端连接所述第二输出电容的第一端，所述第一输出电容的第二端连接第六运放单元的第一输入端，所述第二输出电容的第二端连接第六运放单元的第二输入端；所述低频通路包括：第二片外偏置电流单元、第二霍尔盘、旋转电流电路、第三输入电容、第四输入电容、第三运放单元、第五电阻、第六电阻、第七电阻、第八电阻、第四运放单元、第一输出电阻、第二输出电阻、第一斩波器；所述第二片外偏置电流单元与所述第二霍尔盘相连；所述第一霍尔盘与所述旋转电流电路相连，第三输入电容的第一端连接所述旋转电流电路第一输出端，所述第四输入电容的第一端接所述旋转电流电路第二输出端，所述第三输入电容的第二端连接所述第三运放单元的第一输入端，所述第四输入电容的第二端连接所述第三运放单元的第二输入端，所述第五电阻的第一端连接所述第三运放单元的第一输出端，所述第五电阻的第二端连接所述第六电阻的第一端和所述第四运放单元的第一输入端，所述第七电阻的第一端连接所述第三运放单元的第二输出端，所述第七电阻的第二端连接所述第八电阻的第一端和所述第四运放单元的第二输入端，所述第七电阻的第二端连接所述第四运放单元的第一输出端，所述第八电阻的第二端连接所述第四运放单元的第二输出端，所述第四运放单元的第一输出端和第二输出端分别连接至第所述第一斩波器，所述第四运放单元的第一输出端连接所述第一输出电阻的第一端，所述第一输出电阻的第二端连接所述第六运放单元的第一输入端；所述第四运放单元的第二输出端连接所述第二输出电阻的第一端，所述第二输出电阻的第二端连接所述第六运放单元的第二输入端；所述纹波消除环路RRL电路包括：第九电阻、第十电阻、第三斩波器、第五运放单元、第一感应电阻、第二感应电阻、第一电容以及第二电容，所述第九电阻的第一端连接所述第四运放单元的第一输入端，所述第十电阻的第一端连接所述第四运放单元的第二输入端，所述第九电阻的第二端连接所述第五运放单元的第一输出端，所述第十电阻第二端连接所述第五运放单元的第二输出端；所述第一电容的第一端连接所述第五运放单元的第一输入端，所述第二电容的第一端连接所述第五运放单元的第二输入端，所述第三斩波器第一输入端连接所述第五运放单元的第一输入端，所述第三斩波器的第二输入端连接所述第五运放单元的第二输入端，所述第三斩波器的第一输出端连接所述第一感应电阻的第一端，所述第三斩波器的第二输出端连接所述第二感应电阻的第一端，所述第一感应电阻的第二端连接所述第四运放单元的第一输出端，所述第二感应电阻的第二端连接所述第四运放单元的第二输出端。

2.根据权利要求1所述的一种应用于霍尔电流传感器的读出电路，其特征在于，所述第一运放单元、所述第二运放单元、所述第三运放单元、所述第四运放单元均采用Class-A输出的全差分两级套筒式运放。