CN109387795A - 一种cmos磁传感器模拟前端电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CMOS磁传感器模拟前端电路，其包括霍尔磁传感器、电流旋转电路、放大器、双采样积分器、比较器、电压电流参考源、数字电路。该电路避开大面积无源器件的使用，并以纯数字的方式调整判决阈值，加强了鲁棒性，实现了磁开关和磁量化器之间进行功能切换。

Description

一种CMOS磁传感器模拟前端电路

技术领域

本发明属于微电子设计领域，涉及一种CMOS磁传感器前端电路。

背景技术

磁传感器的类型有霍尔磁传感器，ARM传感器，GRM传感器等等。霍尔磁传感器由于与CMOS工艺兼容，便于与电路集成在单片上，具有价格低，体积小，功耗低的有点。但是，霍尔磁传感器的灵敏度较低，如果基于标准CMOS工艺，在5V或者更低的电压以及20G左右的磁场强度下，只能感应出100uV到1mV这个量级的电压，而且失调电压很大，通常比有用信号高出十倍到几十倍。近年来很多电路被研究用于霍尔磁传感器及其读出电路，如电流旋转，斩波放大器，相关双采样等。电流旋转主要用于将霍尔磁传感器的失调电压调制到高频并把有用信号留在低频，斩波放大器和相关双采样用于将模拟前端的失调电压调制到高频并把有用信号留在低频，再结合滤波器，可以提取出霍尔电压。然而由于失调电压比有用信号大很多倍，而电流旋转的时钟频率本身就比较低，因此滤波器需要非常低的带宽，会使用到面积巨大的电容。众所周知，电压参考源的产生利用的是器件的禁带电压，产生的参考电压也比霍尔电压高出很多数量级，要提很高倍数的增益才能把霍尔电压放大到和参考电压可比拟，放大过程中用到高比例的电阻或电容也会导致需要使用面积很大的器件。另外，如果作为磁开关应用时需要调整阈值，需要调整放大器的增益，而放大器增益的调整通常靠的是调整器件比例，通常会改变反馈系数，电容负载等模拟电路的环路参数，加大运放的设计难度，甚至导致运放的重新设计。本发明使用的模拟前端电路，避免了使用面积巨大的器件，并且当磁开关的阈值需要改变的时候，可以以纯数字的方式调整阈值，避开了运放参数改变的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种CMOS磁传感器模拟前端电路，避开大面积无源器件的使用，并以纯数字的方式调整判决阈值，加强了鲁棒性，实现了磁开关和磁量化器之间进行功能切换。

根据本发明的目的其包括霍尔磁传感器、输入端与霍尔磁传感器输出端相连的电流旋转电路、输入端与电流旋转电路输出端相连的放大器、输入端与放大器输出端相连的双采样积分器、输入端与双采样积分器输出端相连的比较器、电压电流参考源、数字电路，其中所述双采样积分器输出端输出的电压与所述电压电流参考源输出端所输出的电压通过所述比较器进行比较，而比较的结果输出的一个信号到所述数字电路进行锁存，而另一个信号则反馈到所述双采样积分器，所述数字电路的输入端与所述电流旋转电路的输入端、所述放大器的输入端、所述双采样积分器的输入端、以及所述比较器的输入端均相连接，所述电压电流参考源的输出端与所述电流旋转电路的输入端、所述放大器的输入端、所述双采样积分器的输入端、所述比较器的输入端均相连接。信号处理过程如下：

首先，霍尔磁传感器感应出电压信号并带有失调电压。

进一步，电流旋转电路将所述失调电压转换成方向正负轮换的波形且保持电压信号方向不变，电流旋转电路的输出端由电压信号和被调制到高频的失调电压叠加而成。

进一步，所述放大器将来自电流旋转电路的信号进行一定倍数的放大。

进一步，双采样积分器消除高频的失调电压并对感应电压进行积分，并将其输出到比较器且与参考电压进行比较。

进一步，比较器或数字电路对双采样积分器进行重置。

进一步，比较器输出脉宽调制信号且将磁信号数字化。

进一步，电流旋转电路的相位数需为4的倍数。

进一步，双采样积分器、比较器以及数字电路结合进行开关功能和量化功能的切换。

与现有技术相比，本发明公开的一种种CMOS磁传感器模拟前端电路的优点：电路避开大面积无源器件的使用，并以纯数字的方式调整判决阈值，加强了鲁棒性，实现了磁开关和磁量化器之间进行功能切换。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为霍尔磁传感器及其模拟前端电路的示意图；

图2为本发明中双采样积分器的示意图；

图3为本发明中噪声、失调、有用信号、比较阈值和积分次数相关关系的示意图；

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

101、霍尔磁传感 102、电流旋转电路 103、放大器 104、双采样积分器 105、比较器 106、电压电流参考源 107、数字电路

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，图1示意出了一种CMOS磁传感器模拟前端电路，其电路包括霍尔磁传感器101、电流旋转电路102、放大器103、双采样积分器104、比较器105、电压电流参考源106、数字电路107，霍尔磁传感器101的输出端与电流旋转电路102的输入端连接，电路旋转电路102的输出端102与放大器103的输入端连接，放大器103的输出端与双采样积分器104的输入端连接，双采样积分器104的输出端与比较器105的输入端连接，其中，双采样积分器104输出端输出的电压与电压电流参考源106输出端所输出的电压通过比较器103进行比较，比较的结果输出的一个信号到数字电路107进行锁存，而另一个信号则反馈到双采样积分器104，数字电路107的输入端与电流旋转电路102的输入端、放大器103的输入端、双采样积分器104的输入端以及比较器103的输入端均相连接，电压电流参考源106的输出端还与电流旋转电路102的输入端、放大器103的输入端、双采样积分器104的输入端以及比较器103的输入端均相连接，其中，电压电流参考源用于提供偏置电流或者参考电压，数字电路用于控制时序和增益，数字电路起总控制作用，提供其他模块所需要的配置位和激励信号。

请继续参照图1，霍尔磁传感器101感应出微弱的电压信号并带有失调电压，电流旋转电路102将失调电压转换成方向正负轮换的波形且保持电压信号方向不变，电流旋转电路102的输出由电压信号和被调制到高频的失调电压叠加而成，放大器105将来自电流旋转电路102的信号进行一定倍数的放大，双采样积分器104消除高频的失调电压并对感应电压进行积分，并将其输出到比较器与参考电压进行比较，其中，上述霍尔磁传感器和比较器所需要的电流偏置和参考电压由电压电流参考源提供。

请参照图1，其中，霍尔磁传感器101的相位数为4的倍数，即霍尔磁传感器每90度有一个端口，数字电路107的控制下，电流旋转电路102以顺时针方向在霍尔磁传感器101的4个端口依次注入电流，这个电流由电压电流参考源106提供，并将注入电流的端口的顺时针方向90度的端口和放大器103的输入连接。经过放大后，双采样积分器104将每两次得到的电压积分输出到比较器103的输入正端。数字电路107给电压电流参考源设定一个电压阈值并输出到比较器103的负端，也同时设定一个双采样积分器104的数值，每到达这个数值双采样积分器104就会重置，在最后一次积分周期，比较器105的输出被锁存；如果磁场比较微弱，则霍尔信号不足够大，则积分器的输出永远不会大于电压阈值，比较器永远不会输出1，由此磁开关的功能完成。若要实现磁量化器的功能，那么数字电路不重置积分器，而当比较器输出1时，由比较器重置积分器，数字电路计数数出1之间相隔的时钟周期数即可。

此外，电流旋转电路和霍尔磁传感器的工作原理：电流旋转电路从霍尔磁传感器不同方向依次注入电流，在电流注入点的顺时针90度方向采电压，如果电流注入方向每次按顺时针旋转90度，只考虑一阶效应，那么采到的电压由如以下规律：Vs+Vos，Vs-Vos，Vs+Vos，Vs-Vos…，Vs是霍尔效应感应电压，即为有用信号，Vos是失调电压的一阶系数。也就是说每转过90度，失调电压的方向翻转一次。如果把相邻两次得到的电压相加，便可以消除失调的一阶系数。如果把旋转一周的电压全部相加，能够消除二阶系数。不过高于一阶的系数通常已经小到低于霍尔电压，已经不会造成比信号幅度还大的文博。放大器起到缓冲器的作用并进行预放大，由于缓冲器是主要作用，预放大的倍数并不要求很高，因此在输出端的信号幅度依然不大，不需要进行滤波，不要巨大的电容。

请参照图2，图2示意了双采样积分器的原理图，实现把相邻两次得到的电压相加，并累加到积分器的输出。由于每次被累加到输出的信号已经消除失调的一阶系数，因此每次的累价值基本一致。Φ1和Φ2是相关双采样的两个周期，Φ1时，采样电容Cs的顶极板连接Vs+Vos或Vs-Vos，底极板连接地；Φ2时，采样电容Cs顶极板连接Vs-Vos或Vs+Vos，底极板和运放的虚地连接，这样，大小为Cs*(2*Vs)的电荷就被推送到反馈电容Cf，形成一个累加电压。在整个积分过程中，一阶失调已不参与积分，二阶失调在积分一周也能消除，二阶以上的失调忽略不计，有用信号Vs在一次次累加中被不断放大，随着积分次数次数呈现线性增长，电路噪声是白噪，因此随着积分次数增加呈现1/2次方增长。在若干次积分之后，噪声和失调都远低于有用信号和比较阈值，不会对比较结果造成影响。这个过程中一阶失调已经消除，并且放大过程是靠一次次的积分进行放大，因此不需要巨大的电容。

请参照图3，如果对积分次数设定一个值，每次到达这个次数时，双采样积分器就重置，那么很容易推出，当霍尔电压大于某个值时，在有限的积分次数内，积分器的输出会大于比较阈值，比较器会发生翻转；但如果小于某个值时，在超过阈值之前积分器都被重置了，比较器永远不会翻转，因此该霍尔磁传感器及其模拟前端，可以作为磁开关应用，并且阈值的调整时纯粹的数字电路的设定，完全不涉及模拟电路参数的变化，大大减小了当阈值需要改变时的重新设计时间。

此外，如果不对积分次数设定一个值，而是当比较器翻转时，由比较器来重置积分器，那么每隔一段时间比较器就会输出一个1，通过数字电路的计数器对间隔时间进行计数，便可推断霍尔电压的大小，从而完成对磁场的量化。

此外，比较器或数字电路对双采样积分器进行重置，或者由数字电路定期对相关双采样积分器进行重置，在前一种模式下，比较器输出脉宽调制信号，霍尔磁传感器具有磁转换功能，由此可实现将磁信号转化成数字信号，在后一种模式下，数字电路将比较器的输出结果进行锁存，由此可实现磁开关功能。

本发明中的霍尔磁传感器可非常方便地在磁开关和磁量化器之间进行功能切换。

对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种CMOS磁传感器模拟前端电路，其特征在于：其包括霍尔磁传感器、输入端与霍尔磁传感器输出端相连的电流旋转电路、输入端与电流旋转电路输出端相连的放大器、输入端与放大器输出端相连的双采样积分器、输入端与双采样积分器输出端相连的比较器、电压电流参考源、数字电路，其中所述双采样积分器输出端输出的电压与所述电压电流参考源输出端所输出的电压通过所述比较器进行比较，而比较的结果输出的一个信号到所述数字电路进行锁存，而另一个信号则反馈到所述双采样积分器，所述数字电路的输入端与所述电流旋转电路的输入端、所述放大器的输入端、所述双采样积分器的输入端、以及所述比较器的输入端均相连接，所述电压电流参考源的输出端与所述电流旋转电路的输入端、所述放大器的输入端、所述双采样积分器的输入端、所述比较器的输入端均相连接。

2.根据权利要求1所述的一种CMOS磁传感器模拟前端电路，其特征在于：所述霍尔磁传感器感应出电压信号并带有失调电压。

3.根据权利要求1所述的一种CMOS磁传感器模拟前端电路，其特征在于：所述电流旋转电路将所述失调电压转换成方向正负轮换的波形且保持所述电压信号方向不变，所述电流旋转电路的输出端由所述电压信号和被调制到高频的失调电压叠加而成。

4.根据权利要求1所述的一种CMOS磁传感器模拟前端电路，其特征在于：所述放大器将来自电流旋转电路的信号进行一定倍数的放大。

5.根据权利要求4所述的一种CMOS磁传感器模拟前端电路，其特征在于：所述双采样积分器消除高频的失调电压并对感应电压进行积分，并将其输出到比较器且与参考电压进行比较。

6.根据权利要求1所述的一种CMOS磁传感器模拟前端电路，其特征在于：所述比较器或所述数字电路对所述双采样积分器进行重置。

7.根据权利要求6所述的一种CMOS磁传感器模拟前端电路，其特征在于：所述比较器输出脉宽调制信号且将磁信号转为数字信号。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种CMOS磁传感器模拟前端电路，其特征在于：所述电流旋转电路的相位数为4的倍数。

9.根据权利要求8所述的一种CMOS磁传感器模拟前端电路，其特征在于：所述双采样积分器、所述比较器以及数字电路结合进行开关功能和量化功能的切换。