CN110208724A - 一种芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种芯片。该芯片的一具体实施方式包括集成于该芯片的霍尔探测器和模数转换器；所述霍尔探测器，用于探测磁场角度并输出模拟角度信号；所述模数转换器，用于将所述模拟角度信号转换为数字角度信号并输出。该实施方式集成度高、工作效率高且可靠性高，适用于在不同环境中工作的各种电子设备。
Description
技术领域
本发明涉及微电子技术领域。更具体地，涉及一种芯片。
背景技术
很多在磁场环境中工作的电子设备需要掌控并利用磁场带来的收益或规避磁场带来的危害，因此对磁场的探测技术是不可或缺的。
在磁场探测技术发展的过程中，霍尔探测器应运而生。霍尔探测器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应是磁电效应的一种，半导体中存在着很强的霍尔效应，因此该现象为霍尔探测器的集成提供了可行性。此外，模拟器件是连接着数字世界与真实世界的纽带，其应用范围涵盖汽车、计算机及外设、无线与有线通讯和工业等诸多领域。
因此，需要提供一种能实现探测磁场角度的应用的芯片。
发明内容
本发明的目的在于提供一种芯片，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明提供了一种芯片，包括集成于该芯片的霍尔探测器和模数转换器；
所述霍尔探测器，用于探测磁场角度并输出模拟角度信号；
所述模数转换器，用于将所述模拟角度信号转换为数字角度信号并输出。
可选地，所述霍尔探测器为三维霍尔探测器。
可选地，所述三维霍尔探测器中的霍尔元件为CMOS垂直型霍尔元件。
可选地，所述模数转换器采用CMOS集成电路实现，包括：比率乘法器、信号处理电路、压控振荡器和数字处理电路；
所述比率乘法器，用于对正弦及余弦形式的模拟角度信号与数字角度信号进行对比运算，输出交流误差信号；
所述信号处理电路，用于将所述交流误差信号与参考信号进行相位调制，并对调制后的信号进行积分运算，输出直流电压积分信号；
所述压控振荡器，用于根据所述直流电压积分信号输出时钟脉冲信号；
所述数字处理电路，用于根据所述时钟脉冲信号进行计数，将所述计数结果作为数字角度信号反馈至所述比率乘法器并对所述计数结果进行锁存，在停止计数时将所述计数结果作为由所述模拟角度信号转换得到的数字角度信号进行输出。
可选地，所述比率乘法器包括：正弦输入端、余弦输入端、第一放大器、第二放大器、对比运算器及第三放大器；
所述第一放大器，用于对由所述正弦输入端输入的正弦形式的模拟角度信号进行放大；
所述第二放大器，用于对由所述余弦输入端输入的余弦形式的模拟角度信号进行放大；
所述对比运算器，用于将放大后的正弦形式的模拟角度信号、放大后的余弦形式的模拟角度信号与数字角度信号进行对比运算，通过第三放大器进行放大后输出交流误差信号。
可选地，所述信号处理电路包括：相位调制解调器和积分器；
所述相位调制解调器，用于将所述交流误差信号与参考信号进行相位调制；
所述积分器，用于对调制后的信号进行积分运算，输出直流电压积分信号。
可选地，所述压控振荡器包括电流积分器、正比较器、负比较器和数字逻辑器件；
所述电流积分器，用于对所述直流电压积分信号进行积分以输出正向或负向的积分电压；
所述正比较器，用于在正向的积分电压超过其预设门限时分别向电流积分器和数字逻辑器件输出脉冲信号；
所述负比较器，用于在负向的积分电压超过其预设门限时分别向电流积分器和数字逻辑器件输出脉冲信号；
所述电流积分器，用于根据脉冲信号重启积分；
所述数字逻辑器件，用于根据脉冲信号输出时钟脉冲信号。
可选地，所述数字处理电路包括双向计数器和输出锁存器；
所述双向计数器，用于根据所述时钟脉冲信号进行计数，将所述计数结果作为数字角度信号反馈至所述比率乘法器并输出至输出锁存器；
所述输出锁存器，用于对所述计数结果进行锁存，并在停止计数时将所述计数结果作为由所述模拟角度信号转换得到的数字角度信号进行输出。
可选地，所述输出锁存器进行三态输出。
可选地，该芯片采用抗总剂量辐射结构。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案集成度高、工作效率高且可靠性高，适用于在不同环境中工作的各种电子设备。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明；
图1示出本发明实施例提供的芯片的示意图。
图2示出三维霍尔探测器的结构示意图。
图3示出三CMOS垂直型三维霍尔探测器的剖视图。
图4示出模数转换器的结构原理示意图。
图5示出比率乘法器的电路结构示意图。
图6示出信号处理电路的电路结构示意图。
图7示出压控振荡器的电路结构示意图。
图8示出数字处理电路的电路结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明的实施例提供了一种芯片，包括集成于该芯片的霍尔探测器和模数转换器；
所述霍尔探测器，用于探测磁场角度并输出模拟角度信号；
所述模数转换器，用于将所述模拟角度信号转换为数字角度信号并输出。
本实施例提供的芯片集成度高、工作效率高且可靠性高，通过一块芯片即可实现磁场角度到数字信号的采集/转换，适用于在不同环境中工作的各种电子设备，提高电子设备对磁场的掌控，从而使电子设备可对磁场进行充分利用。
在本实施例的一些可选的实现方式中，所述霍尔探测器为三维霍尔探测器。霍尔探测器是根据霍尔效应在半导体中的表现进行设计的，霍尔探测器具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。霍尔探测器的基本原理是磁场中有一个霍尔半导体片，恒定电流I垂直于磁感线方向通过该片。在洛仑兹力的作用下，I的电子流在通过霍尔半导体时向一侧偏移，使该片在与I和磁感线均垂直的方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。如图2所示，三维霍尔探测器的特点是将电极形成在芯片表面，对平行于芯片表面的磁场敏感，从不同的方向测量该磁场就形成了不同坐标的传感器。电路包括霍尔元件、差动放大器和温度、结场效应管、失调电压等3个补偿单元电路。它的探测原理为：平行放置于芯片上方的旋转磁场会使霍尔探测器内产生正比于磁场角位移的正弦和余弦两个模拟信号，为后面的角度转换器提供输入信号。
进一步，所述三维霍尔探测器中的霍尔元件为CMOS垂直型霍尔元件。如图3所示，CMOS垂直型霍尔元件采用CMOS工艺制成，将霍尔元件熔融到n型硅芯片表面，包括在p型隔离环、2个n型电流电极和2个n型霍尔电压电极，磁场B垂直于芯片表面。
在本实施例的一些可选的实现方式中，所述模数转换器采用CMOS集成电路实现，如图4所示，模数转换器包括：比率乘法器、信号处理电路、压控振荡器和数字处理电路；
比率乘法器的第一输入端(第一输入端包括正弦输入端和余弦输入端)连接霍尔探测器的输出端，第二输入端连接数字处理电路的反馈输出端，输出端连接信号处理电路的输入端；信号处理电路的输出端连接压控振荡器的输入端；压控振荡器的输出端连接数字处理电路的输入端；数字处理电路的数字信号输出端作为模数转换器的输出端。
所述比率乘法器，用于对正弦及余弦形式的模拟角度信号与数字角度信号进行对比运算，输出交流误差信号；
所述信号处理电路，用于将所述交流误差信号与参考信号进行相位调制，并对调制后的信号进行积分运算，输出直流电压积分信号；
所述压控振荡器，用于根据所述直流电压积分信号输出时钟脉冲信号；
所述数字处理电路，用于根据所述时钟脉冲信号进行计数，将所述计数结果作为数字角度信号反馈至所述比率乘法器并对所述计数结果进行锁存，在停止计数时将所述计数结果作为由所述模拟角度信号转换得到的数字角度信号进行输出。
在一个具体示例中，模数转换器电路为CMOS集成电路，可实现模拟角度θ到数字角度Φ的转换，其工作原理是：模拟角度信号以正/余弦的形式从SIN端口和COS端口输入到比率乘法器中，与数字角度信号进行对比运算得到交流误差信号；该交流误差信号经相位调制解调器，通过与基准输入参考信号进行相位调制后，传入积分器，最终把积分器输出信号输出至压控振荡器，并由压控振荡器产生时钟脉冲信号支撑数字处理电路中的双向计数器继续计数，组成一个闭环回路，以生成的数字角度来跟踪模拟角度的变换，使模拟角度和数字角度在要求的精度范围内趋于相等。最终，交流误差信号为0时，表明数字信号与模拟信号相同，积分器积分也为0，此时输入压控振荡器的电流为0，压控振荡器不再产生脉冲，双向计数器停止计数，并将此状态下双向计数器的输出信号通过输出锁存器输出到外部，完成A/D转换功能，最终使双向计数器输出的数字角度Φ等于输入的模拟角度θ，从而实现模拟角度到数字角度的转换。该模数转换器类似分段模数转换器的结构，通过多个高精度运算放大器进行隔离和驱动。双向计数器可以方便的进行增大和减小的调节，增加了转换的速度。双向计数器时钟由压控振荡器数据时钟产生逻辑生成。通过外部的元件可以调整内部时钟频率。
在本实施例的一些可选的实现方式中，所述比率乘法器包括：正弦输入端、余弦输入端、第一放大器、第二放大器、对比运算器及第三放大器；
所述第一放大器，用于对由所述正弦输入端输入的正弦形式的模拟角度信号进行放大；
所述第二放大器，用于对由所述余弦输入端输入的余弦形式的模拟角度信号进行放大；
所述对比运算器，用于将放大后的正弦形式的模拟角度信号、放大后的余弦形式的模拟角度信号与数字角度信号进行对比运算，通过第三放大器进行放大后输出交流误差信号。
在一个具体示例中，如图5所示，比率乘法器的电路结构为：比率乘法器的正弦输入端连接第一放大器的输入端；第一放大器的输出端连接对比运算器的第一输入端；比率乘法器的余弦输入端连接第二放大器的输入端；第二放大器的输出端连接对比运算器的第二输入端；对比运算器的第三输入端连接数字处理电路的反馈输出端；对比运算器的输出端连接第三放大器的输入端；第三放大器的输出端作为比率乘法器的输出端，连接信号处理电路的输入端。比率乘法器是用于将模拟角度信号与数字角度信号作对比运算的，其工作机制为模拟角度经输入端的放大器放大后，通过数据转换进行对比运算得到一个模拟角度与数字角度的交流误差信号，最后经过一级交流误差放大器，通过运算放大器和电阻的组合，把交流误差信号进行放大。在电路设计中，多个运算放大器设计均为全范围输入、轨到轨输出的结构。
在本实施例的一些可选的实现方式中，所述信号处理电路包括：相位调制解调器和积分器；
所述相位调制解调器，用于将所述交流误差信号与参考信号进行相位调制；
所述积分器，用于对调制后的信号进行积分运算，输出直流电压积分信号。
在一个具体示例中，如图6所示，信号处理电路的电路结构为：滤波电路的输入端作为信号处理电路的输入端，连接比率乘法器的输出端；滤波电路的输出端连接相位调制解调器的第一输入端；相位调制解调器的第二输入端连接参考信号输入端，输出端连接阻容积分器的输入端；阻容积分器与第四放大器并联；阻容积分器的输出端作为信号处理电路的输出端，连接压控振荡器的输入端。信号处理电路包括相位调制解调器和积分器的电路结构，前者将比率乘法器输出的交流误差信号进行相位调制，后者则对相位调制后的信号进行积分，输出直流电压积分信号。
在本实施例的一些可选的实现方式中，所述压控振荡器包括电流积分器、正比较器、负比较器和数字逻辑器件；
所述电流积分器，用于对所述直流电压积分信号进行积分以输出正向或负向的积分电压；
所述正比较器，用于在正向的积分电压超过其预设门限时分别向电流积分器和数字逻辑器件输出脉冲信号；
所述负比较器，用于在负向的积分电压超过其预设门限时分别向电流积分器和数字逻辑器件输出脉冲信号；
所述电流积分器，用于根据脉冲信号重启积分；
所述数字逻辑器件，用于根据脉冲信号输出时钟脉冲信号。
在一个具体示例中，如图7所示，压控振荡器的电路结构为：电流积分器的输入端作为压控振荡器的输入端，连接信号处理电路的输出端；电流积分器的重置端连接反馈回路的输出端，输出端分别连接正比较器和负比较器的输入端；正比较器和负比较器的输出端分别连接反馈回路的输入端和数字逻辑器件的输入端；数字逻辑器件的输出端作为压控振荡器的输出端，连接数字处理电路的输入端。压控振荡器的电路实现由前级积分信号对积分电容的充放电，并通过比较器产生脉冲，为双向计数器提供计数时钟的功能。压控振荡器的工作原理为其内部的电流积分器进行积分，产生一个正向或负向的积分电压，当积分电压超过正/负比较器的设置门限则会产生脉冲信号，并通过反馈回路中的控制逻辑，将积分信号回拉，并重新积分。脉冲信号经过数字逻辑器件(例如PS锁存器)的转换(如方波变化)，最终为双向计数器提供计数时钟(包括计数方向信号)。当积分信号不足以超过正/负比较器门限值时，则不再产生脉冲，双向计数器停止计数，此时即实现模拟角度信号到数字角度信号的转换。
在本实施例的一些可选的实现方式中，所述数字处理电路包括双向计数器和输出锁存器；
所述双向计数器，用于根据所述时钟脉冲信号进行计数，将所述计数结果作为数字角度信号反馈至所述比率乘法器并输出至输出锁存器；
所述输出锁存器，用于对所述计数结果进行锁存，并在停止计数时将所述计数结果作为由所述模拟角度信号转换得到的数字角度信号进行输出。
在一个具体示例中，如图8所示，数字处理电路的电路结构为：双向计数器的输入端作为数字处理电路的输入端，连接压控振荡器的输出端；双向计数器的输出端作为数字处理电路的反馈输出端连接比率乘法器中对比运算器的第三输入端，同时，双向计数器的输出端还连接输出锁存器的输入端；输出锁存器的输出端作为数字处理电路的数字信号输出端，也就是模数转换器的输出端。数字处理电路中，双向计数器实现计数功能，为比率乘法器模块提供数字角度信号，计数时钟和方向等信号由压控振荡器提供，最终模拟角度信号与数字角度信号相等时，压控振荡器停止振荡，不再提供计数时钟，计数则停止，输出锁存器将双向计数器的计数结果进行锁存和输出。进一步，输出锁存器将双向计数器的计数结果进行锁存和三态输出，带有三态结构的输出锁存器可以适用于多组产品级联协同工作。
在本实施例的一些可选的实现方式中，该芯片采用抗总剂量辐射结构。在该芯片的设计过程中采用抗辐射加固结构可满足电子设备在辐射环境中的使用需求。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要说明的是，在本发明的描述中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于本领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种芯片，其特征在于，包括集成于该芯片的霍尔探测器和模数转换器；
所述霍尔探测器，用于探测磁场角度并输出模拟角度信号；
所述模数转换器，用于将所述模拟角度信号转换为数字角度信号并输出。
2.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述霍尔探测器为三维霍尔探测器。
3.根据权利要求2所述的芯片，其特征在于，所述三维霍尔探测器中的霍尔元件为CMOS垂直型霍尔元件。
4.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述模数转换器采用CMOS集成电路实现，包括：比率乘法器、信号处理电路、压控振荡器和数字处理电路；
所述比率乘法器，用于对正弦及余弦形式的模拟角度信号与数字角度信号进行对比运算，输出交流误差信号；
所述信号处理电路，用于将所述交流误差信号与参考信号进行相位调制，并对调制后的信号进行积分运算，输出直流电压积分信号；
所述压控振荡器，用于根据所述直流电压积分信号输出时钟脉冲信号；
所述数字处理电路，用于根据所述时钟脉冲信号进行计数，将所述计数结果作为数字角度信号反馈至所述比率乘法器并对所述计数结果进行锁存，在停止计数时将所述计数结果作为由所述模拟角度信号转换得到的数字角度信号进行输出。
5.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述比率乘法器包括：正弦输入端、余弦输入端、第一放大器、第二放大器、对比运算器及第三放大器；
所述第一放大器，用于对由所述正弦输入端输入的正弦形式的模拟角度信号进行放大；
所述第二放大器，用于对由所述余弦输入端输入的余弦形式的模拟角度信号进行放大；
所述对比运算器，用于将放大后的正弦形式的模拟角度信号、放大后的余弦形式的模拟角度信号与数字角度信号进行对比运算，通过第三放大器进行放大后输出交流误差信号。
6.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述信号处理电路包括：相位调制解调器和积分器；
所述相位调制解调器，用于将所述交流误差信号与参考信号进行相位调制；
所述积分器，用于对调制后的信号进行积分运算，输出直流电压积分信号。
7.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述压控振荡器包括电流积分器、正比较器、负比较器和数字逻辑器件；
所述电流积分器，用于对所述直流电压积分信号进行积分以输出正向或负向的积分电压；
所述正比较器，用于在正向的积分电压超过其预设门限时分别向电流积分器和数字逻辑器件输出脉冲信号；
所述负比较器，用于在负向的积分电压超过其预设门限时分别向电流积分器和数字逻辑器件输出脉冲信号；
所述电流积分器，用于根据脉冲信号重启积分；
所述数字逻辑器件，用于根据脉冲信号输出时钟脉冲信号。
8.根据权利要求4所述的芯片，其特征在于，所述数字处理电路包括双向计数器和输出锁存器；
所述双向计数器，用于根据所述时钟脉冲信号进行计数，将所述计数结果作为数字角度信号反馈至所述比率乘法器并输出至输出锁存器；
所述输出锁存器，用于对所述计数结果进行锁存，并在停止计数时将所述计数结果作为由所述模拟角度信号转换得到的数字角度信号进行输出。
9.根据权利要求8所述的芯片，其特征在于，所述输出锁存器进行三态输出。
10.根据权利要求1所述的芯片，其特征在于，该芯片采用抗总剂量辐射结构。
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