CN1091247C - 单片集成传感器电路 - Google Patents

Abstract

一种单片集成传感器电路包括：一个传感器系统，用于产生一个电子传感器信号；一个馈电单元，对该传感器系统馈电；一个放大装置，用于放大上述传感器信号；若干倒相器件，位于上述放大装置的信号通路中，它们利用来自一个时钟源的切换时钟，在相等时间间隔上反转上述传感器信号的极性；以及一个平均合并器级，它的输入端接收一个被放大的传感器信号，以及它的输出端拥有这样一个参考极性，它通过上述倒相器件以如此方式被控制使得不管信号通路上的切换状态如何参考极性总是相同的。

Description

单片集成传感器电路

本发明涉及一种包括一个电子传感器系统的单片集成传感器电路，上述系统将所施加的一个物理量转换成为这样的一个电子传感器信号，它的值和极性以尽可能紧密的方式联系于被测量的物理量。如此用于测量压力、加速度、温度、电流、磁场等等的传感器系统是众知的。在单片集成过程中，一个对制造容差以及温度效应所引起的诸误差源的补偿通常是可能的。利用这样的事实，即在单片集成过程中，绝对容差是大的，但相对容差非常小。通过适当的匹配或对称电路设计，可避免大的绝对误差，使得只有小的相对误差产生影响。另外，常规地，集成电路的诸个单级是不可调节的。为弥补这一点，芯片上可引入将消除这种调节需求的各种复杂及昂贵的电路。

除单个传感器系统的非线性特性之外，传感器电路的各种偏移误差是特别烦扰的。这些误差，它们难以被消除，通常是DC电压偏移误差，假如它们的量级相对于来自相应传感器的电子信号不再是可忽略的，则它们将导致失真。通常，该传感器已经递送了一个含偏信号，进而在紧随其后的诸单级放大器中将引起附加的偏移误差。在最坏情形下，所有偏移误差相加在一起。整体传感器电路的可用灵敏度以及精度则因此被上述可能诸偏移误差之和限制，上述和定义一个最坏情况，即最大偏移误差。

因此，提供其总偏移误差尽可能小的一种单片集成传感器电路是本发明的一个目的。

根据本发明，这一目的对于以下的一种单片集成传感器电路被达到，它包括一个用于产生一个电子传感器信号的传感器系统如下：

-一个馈电单元，对该传感器系统馈电；

-一个放大装置，用于放大上述传感器信号；

-若干倒相器件，位于上述放大装置的信号通路中，它们利用来自一个时钟源的切换时钟在相等时间间隔上反转上述传感器信号的极性。

-一个平均合并器级，它的输入端接收一个被放大的传感器信号，以及它的输出端拥有这样一个参考极性，它通过上述倒相器件以如此方式被控制，使得不管信号通路上的切换状态如何参考极性总是相同的。

本发明的优点是，通过周期的信号倒相，各个单级放大器的偏移误差被平均抵销。本方法类似于众所周知的斩波器技术但在合并器级输出端提供一个无中断的连续信号。这是重要的如果相应的传感器系统将测量拥有非常低的频率分量甚至DC分量的一些物理量。如果在估算电路中使用场效应晶体管，这些低频范围通常与闪变噪声相叠加。因为这一闪变噪声拥有与偏移误差相同的效应，它将被根据本发明的传感器电路抑制。另外，为获得可能的诸附加功能，例如用于改变时钟信号源的频率，根据本发明的传感器电路仅需极少的外部接线。

上述传感器系统可以有利地被设计为一个差动传感器相同系统。在此情形下，两个分离的片上传感器系统的输出信号根据极性的使用将被相加性合并或相减性合并，例如一种反向并联配置，并被共同施加于上述放大装置。

本发明尤其适用于一个与附带估算电路集成于单一芯片上的霍尔传感器系统。集成霍尔片的低灵敏度由被提高的增益所补偿，并且霍尔片可被芯片上热耦合控制——以如此的方式以使得达到一个任意的温度响应。因此，使用各种复杂的估算器件和各种附加电路，可在芯片上制造出任意地“智能的”传感器电路。

如果当前霍尔传感器系统的电流方向能够改变，则可完成一个进一步的改进，因为这在一方面对于上述放大装置允许必要的信号倒相，并且在另一方面使得抑制制造过程及应力所致的霍尔片的偏移误差成为可能。通过电流方向的改变，上述偏移误差以正负符号出现，当诸霍尔电压相叠加在一起，如果信号通路上的电流方向以恰当的方式被改变，则使得其在平均中抵销。通过其可消除霍尔片的偏移误差的可切换霍尔传感器，被描述于例如EP 0 548 391 A1(ITT case C-DIT-1445)中。

通过信号通路和附带电路诸元件的一种对称设计，即通过全差动信号处理，上述单片集成传感器电路变得对干扰辐射高度不敏感，因为后者基本上以共模信号出现，它或者被补偿，或者因电路的对称性而不产生作用。其它共模误差源的影响亦被消除，比如切换装置所引起的动态偏移误差，切换装置及反馈电阻的非线性，以及单个放大器级的共模误差。通过若干调节电路，对称信号通路的工作点可以保持在一个预先设定的电压电平上，例如，在CMOS电路中5V馈电情形下的2.5V。这一中间工作点还可使得测量正的和负的传感器信号成为可能，籍此动态范围增加一倍。

上述放大装置被有利地设计为一个反馈运算放大器装置。在霍尔传感器系统中，连接至放大装置的霍尔片之内阻形成输入电阻。反馈电阻基于与霍尔片相同的半导体材料，以使得允许一个关于制造容差及温度的良好匹配。对于诸单个放大器级，它们也可组成一个合并器级，跨导放大器是非常适合的。它们易于稳定且易于用CMOS技术实现，例如，利用一个具有容性反馈的跨导放大器，可实现一个平均合并器级，在这种情形下所获时间常数应大于一个或几个切换时钟之周期，但至少与非重叠部分一样大。该跨导放大器的诸输入不含直流，因为它们是由场效应晶体管的栅终端形成。结果，集成电容器可轻易地完成必要的信号储存并将该电压保持为常数用于平均。

经过以下对一个以框图形式图示于图1中的最佳实施方式之说明，本发明将变得更为明了。

图1显示一个单片集成传感器电路，它具有一个可切换霍尔传感器系统之形式的传感器系统。当然，该传感器系统可以被一个压力、温度、放射等传感器系统替代。这不改变该电路的基本操作。传感器系统100的输出端提供一个差动电压u1，它被一个放大装置200放大并作为一个差动输出信号u5输出。放大装置200相当于拥有两个分离放大器级的一个运算放大器。信号放大器完全是输入放大器220，而输出级240仅有少量增益，另外，因为通过两个电容c1和c2提供容性反馈显现低通特征。根据本发明，输出级240还实现一个平均合并器级的功能并为反馈放大器200提供动态补偿，以及防止不稳定工作甚或振荡。

运算放大器装置200的输出信号u5通过一个第一反馈电阻R1以及一个第二反馈电阻R2被反馈，上述电阻通过电子切换器件330，310被连接至输入放大器220的两个输入端。运算放大器装置的输入电阻由一个等效电阻RH形成，该电阻相当于所有连接在传感器测量输出端之间的霍尔片的电阻。这一等效电阻RH连接在输入放大器220的倒相和非倒相输入端之间。因此运算放大器装置200的总体增益是2×R1/RH，当R1＝R2时。

相应的传感器系统100和电路的剩余部分由馈电单元400馈电，它提供为整个电路必要的电流和辅助的电压，如果必要则依据一个预先设定的温度关系变化，并且，如果必要，还根据所提供的电压+U产生一个调节的馈电电压。在技术上使得馈电单元400与霍尔片110，130靠近连接，以使得获得良好的热匹配并补偿制造容差。该电路进一步包含一个时钟信号源500，它产生一个第一切换时钟t1和一个非重叠第二切换时钟t2，其间隔b1和b2具有相同的长度。例如，该时钟频率是100kHz，使得周期T为10微秒。时钟信号源500还可以递送一个第三时钟信号t3，它相当于上述非重叠部分b3——约20纳秒长。

连接至放大装置200的是一个第一调节电路620和一个第二调节电路640，用于将输入放大器220和输出级240的工作点分别保持在预先设定的电压ur1和ur2。

在基本的界面上，运算放大器装置200信号通路含有倒相器件310，320，330，340，它们对本发明是必须的。它们由第一和第二切换时钟t1，t2控制。因为信号通路的对称设计，切换时钟t1和t2之一直接引起上述信号通路切换过去，当相应的另一个切换时钟t2，t1引起信号通路的交叉切换。在短暂的非重叠时间b3中，信号通路是打开的，因此将不发生信号互作用。为避免任何虚假外部信号在间隔b3中被打开的界面“捕获”，在输入放大器220和平均合并器级240之间插入一个短路开关600，它在这个临界间隔b3内将对称通路短路。短路脉冲对输出信号u5的影响较小，因为时间间隔b3与时钟周期T相比较小，还因为上述短路将该两个信号线约束至中性的中间电位。当然，在间隔b3中进一步减少突然的电压变化之更为复杂的缓冲器是可以实现的。

第一倒相器件310被直接定位在传感器系统100和输入放大器220之间。传感器信号u1或者被它倒相或者不被它倒相，并形成一个差动信号u2，它被提供给输入放大器220。后者的差动输出信号u3’被馈送给一个对称的、容性旁路的阻抗变换器级230，其输出端连接至一个电压分配器，该分配器的中心抽头电压通过第一调节电路620调节输入放大器220的工作点。阻抗变换器级230的输出信号u3’被馈送至一个第二倒相器件320，其输出信号u4被作为一个差动信号提供至平均合并器级240的输入端。后者的输出提供所欲求的输出信号u5。级240的输出终端被连接至一个电压分配器，其中心抽头电压被提供至第二调节电路640用于将输出信号u5的工作点保持在电压值u2r，在用CMOS技术实现的电路中最好是2.5V。第二调节电路640在其输入端含有一个差动放大器645，其输出驱动两个电流源650，660，它们的输出电流连接至合并器级240的输出终端，两个调节电流被叠加在跨导放大器240的输出电流上。通过电流的叠加，输出信号u5的平均值保持在欲求的工作点ur2。

为补偿反馈电阻R1，R2的容差，将一个第三倒相器件330在这两个反馈电阻之后插入信号通路。因此，在反馈电阻之后，一个传感器信号u6被转换成一个传感器信号u7，它在所描述的运算放大器装置200中等同于输入信号u1。

该整体传感器电路的一个基本块是传感器系统100，它在此实施方式中是一个可切换霍尔传感器系统。在图1中，一个方形霍尔片代表单个霍尔片或并联连接的一组霍尔片。通过并联连接的这样一组霍尔片，其取向和相应的电流方向不相同，可以提高精度，而且所获偏移误差可被减小。该晶体薄片还减小依赖方向的各种影响。霍尔片110的原理性表述拥有一个用于霍尔馈电电流ih的输入终端以及一个相对输出终端，它通过一个第四倒相器件340接地。霍尔片110的两个测量终端，类似两个电流终端，被连接至一个分配网络120，它通过第一和第三倒相器件310，330连接至放大装置200，并通过第四倒相器件340连接至馈电单元400。

在原理性地显示于图1的霍尔传感器系统中，倒相器件340引起霍尔片110，130中电流方向变化90度。通过进一步的切换装置，霍尔片110的诸馈入点可以以任何方式被交换；霍尔电压的抽头可相应地被交换。电流中90度的方向变化是特别有利的，因为所获的霍尔片110偏移误差相加于一个方向上的霍尔电压的同时又从方向旋转90度的霍尔电压中被减去。如果恰当地选择霍尔电压的诸有关抽头，具有欲求相位位置的欲求传感器信号对输入信号u1将是可得到的。在一定的条件下，例如假设传感器中的电流方向被改变180度，这将消除对第一倒相器件310的需求。周期地逐步在360度的范围内改变霍尔电流ih的方向将提高霍尔电压测量的对称性，而不明显增加电路的复杂程度。

输出信号u5，以及因此其前置信号u4，当然地必须不通过传感器系统的相位倒相。输出信号u5的极性由一个参考极性定义，该参考极性由相应的传感器系统100和待测物理量确定。在霍尔传感器的情形下，例如垂直于霍尔片的方向定义磁场的参考方向，因此定义输出信号的参考极性。如果外部磁场的极性发生改变，因为固定的关系输出信号u5的极性将改变。

如果霍尔传感器系统被设计成一个差动系统，一个进一步的霍尔片系统130——在设计上尽可能等同于霍尔片系统110，可通过分配网络120被连接。上述两个霍尔片系统被有利地连接成关于输出电压的倒置并联形式，因为仅有此两霍尔电压的差值需作为测量电压被放大。

因此，关于图1描述的传感器电路中，基本偏移误差可通过信号倒相和平均被消除。一个例外是合并器级240的偏移误差，该合并器的输入信号u4总拥有同一极性。然而，这一级对偏移误差的贡献较小且反比于输入放大器220的增益。如果输入增益为50dB，合并器级240的偏移误差将仅以-50dB进入输出信号u5。通过图1的电路，可达到40mV/mT的霍尔灵敏度，相对于输出信号u5。

跨导放大器的使用提高上述电路的线性，因为所有的跨导放大器工作于输入端为虚零的状态，使得归因于电压差别的非线性不会发生。流过反馈电阻R1，R2的反馈电流在霍尔片系统110，130的内部补偿相应的霍尔电压uh，使得此电压在输出终端仅为零值而不论所测量的磁场的量级。以这种方式，偏移补偿的任何残余误差——通过电流方向上的90变化以及馈入霍尔片的一个电压——已经在霍尔片中被大幅度消除。

一个平均合并器级亦可以位于放大装置200之外，并用一个等时间间隔极性反转的传感器信号馈电；该反转则必须与此合并器级链接。例如，如果被放大的传感器信号已预先被数字化并随后通过一个加法器/减法器加至/减自一个已存储传感器值，这是轻易可能的。在这种情形下，平均将采用一个数字滤波器被更好的执行，因为这样的滤波器可在几个已存储的值之间平均，籍此信号波形得到改善。一个简单的外部平均模拟实施例使用由外部RC部分形成的一个外部低通滤波器，一个一阶低通滤波器。

Claims (10)

1.一种单片集成传感器电路，包括：

-一个传感器系统(100)，用于产生一个电子传感器信号(u1)；

-一个馈电单元(400)，对该传感器系统(100)馈电；

-一个放大装置(200)，用于放大上述传感器信号(u1)；

-若干倒相器件(310，320，330，340)，位于上述放大装置(200)的信号通路中，它们利用来自一个时钟源的切换时钟(t1，t2)，在相等时间间隔(b1，b2)上反转上述传感器信号的极性；以及

-一个平均合并器级(240)，该平均合并器级(240)的输入端接收一个被放大的传感器信号(u4)，并且该平均合并器级(240)的输出端拥有一个参考极性，该参考极性由上述倒相器件(310，320，330，340)控制，控制的方式是使得不管信号通路上的切换状态如何参考极性总是相同的。

2.根据权利要求1所述的传感器电路，其特征在于传感器系统(100)包括一个差动传感器系统(110，130)。

3.根据权利要求1所述的传感器电路，其特征在于传感器系统包括一个霍尔传感器系统。

4.根据权利要求3所述的传感器电路，其特征在于霍尔传感器系统中的电流方向和/或测量电压方向能够以相对于由上述霍尔传感器系统预先设定的一个基本方向变化90度的整数倍的量来被改变。

5.根据权利要求4所述的传感器电路，其特征在于传感器信号通路实质上是对称的。

6.根据权利要求4所述的传感器电路，其特征在于放大装置(200)包括这样一个调节电路(620，640)，它将上述对称信号通路的工作点稳定在一个预先设定的电压电平上。

7.根据权利要求1所述的传感器电路，其特征在于通过一种CMOS制造过程被单片集成。

8.根据权利要求6所述的传感器电路，其特征在于放大装置(200)是一个这样的反馈运算放大器装置，它的输入电阻由被连接至那里之霍尔片的内阻形成，并且它的反馈电阻或多个反馈电阻(R1，R2)由与霍尔片(110)相同的半导体材料形成。

9.根据权利要求7或8的任一权利要求所述的传感器电路，其特征在于放大装置(200)和/或合并器级(240)包括一个跨导放大器。

10.根据权利要求9所述的传感器电路，其特征在于合并器级(240)中的跨导放大器拥有容性反馈，所获的时间常数至少与切换时钟(t1，t2)的非重叠部分(b3)一样大。