CN111398878B - 一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片 - Google Patents

一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，具体涉及芯片设计领域，主要包括霍尔阵列、斩波放大器、纹波抑制模块、编程控制模块、存储模块、基准电压模块、可调放大器和稳压器，其通过纹波抑制模块对纹波电压进行积分，将纹波电压补偿至斩波放大器的输入端，从而达到抑制纹波的作用，同时通过基准电压模块、存储模块和编程控制模块，可以精确的对基准电压和可调放大器进行调节，从而调节最终的芯片输出。本发明通过个模块之间的配合，能够有效的提高霍尔芯片的电压输出精度，同时不受外部供电电压变化影响，保证了输出的稳定。

Description

一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片
技术领域
本发明涉及芯片设计领域，具体涉及一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片。
背景技术
霍尔传感器是利用半导体材料的霍尔效应进行测量磁场强度大小的一种传感器，在线性霍尔传感器芯片中，霍尔敏感元件感应环境磁场强度，产生霍尔电压，然后经过放大器处理，输出与磁场强度呈正比的电压信号。通常来讲，目前采用PCB板级分离器件实现的方案比较多，这样传感器输出的零点电压和放大倍数都是靠调节零点电阻和数字电位器进行调节，调节精度受限，可靠性不高，无法实现可编程控制。其次，目前的霍尔可编程芯片并无基准电压输出功能，输出灵敏度会随电源电压变化而变化；还有环境温度的改变，也会导致霍尔芯片的温漂，这些都会导致最终的输出电压出现误差。同时，斩波放大器输入管的失配，会导致放大器输出存在一定的纹波电压，造成输出波形不光滑，对后级电路的采样带来误差，导致整体输出精度降低。
现有技术中，如公开号为CN103825591A的中国专利，公开了一种开关型霍尔芯片，包括用于生成具有正温度系数的激励源的激励源产生电路；比较器；与比较器的输出端相连的输出驱动电路；第一激励电流端接激励源产生电路、第二激励电流端接地、第一霍尔输出端接比较器的反相输入端、第二霍尔输出端接比较器的同相输入端的霍尔元件；用于抽取具有负温度系数的磁场迟滞的阈值电流的磁场阈值控制电路；连接磁场阈值控制电路和第二霍尔输出端的第二受控开关；连接磁场阈值控制电路和第一霍尔输出端的第一受控开关；以及分别与输出驱动电路、第一受控开关和第二受控开关相连的逻辑控制电路，以实现对所述开关型霍尔芯片的开启阈值和关闭阈值进行温度补偿。该专利公开了对于环境温度对霍尔元件影响的解决方法，但是并未解决外部基准电压变化导致的灵敏度变化，以及纹波电压导致的后级输出精度降低的问题。
发明内容
为了解决现有可编程霍尔芯片输出容易受外部供电电压的改变而导致的灵敏度改变，以及纹波电压的存在，导致的输出精度降低的问题。本发明提出了一种纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，包括霍尔阵列、斩波放大器、纹波抑制模块、编程控制模块、存储模块、基准电压模块、可调放大器和稳压器，其中：
霍尔阵列，用于感应外部磁场信号并转换为霍尔电压信号；
斩波放大器，用于调节霍尔电压信号，并输出斩波信号；
纹波抑制模块，用于消除斩波信号中的纹波电压；
编程控制模块，用于接收外部编程字节并输出控制字节；
存储模块，用于存储各控制字节对应的控制信号，并根据接收到的控制字节输出基准控制信号和增益控制信号；
基准电压模块，用于根据基准控制信号输出基准电压；
可调放大器，用于根据斩波信号、增益控制信号和基准电压输出放大信号；
稳压器，用于根据基准电压将外部输入电压调整为芯片各组成部分的直流工作电源；
所述纹波抑制模块，包括：跨导放大器（Gm），跨导放大器（Gm）的正向、反向输出端作为纹波抑制模块的输出端，与斩波放大器的输入端连接；跨导放大器（Gm）的反向、正向输入端分别通过第二斩波开关(CH2)连接积分器的正向、反向输出端；所述积分器的反向、正向输入端分别通过第一斩波开关(CH1)连接第一电容(C1)和第二电容(C2)的一端；所述第一电容和第二电容的另一端作为纹波抑制模块的输入端，与斩波放大器输出端连接；
所述纹波抑制模块，利用第一斩波开关（CH1）将高频纹波调制到低频，积分器对处于低频的纹波进行积分，利用第二斩波开关（CH2）将低频纹波调制到高频，并由跨导放大器（Gm）以负反馈形式输出纹波补偿电流到斩波放大器的输入端。
进一步地，所述可调放大器，包括：
第一放大器（OA1），其正向输入端作为可调放大器的正向输入端，其反向输入端同时连接第一电阻(R1)和可变电阻阵列(RF)的一端，所述第一电阻的另一端与第一放大器的输出端连接，并通过第三电阻(R3)连接第三放大器(OA3)的反向输入端；
第二放大器(OA2)，其正向输入端作为可调放大器的反向输入端，其反向输入端同时连接第二电阻(R2)和可变电阻阵列的另一端，所述第二电阻的另一端与第二放大器的输出端连接，并通过第五电阻(R5)同时连接第三放大器的正向输入端和第六电阻(R6)的一端；所述第六电阻的另一端接入基准电压；所述第三放大器的输出端作为可调放大器的输出端，并通过第四电阻(R4)连接第三放大器的反向输入端。
进一步地，所述稳压器采用的是低压降的线性稳压器，所述存储模块采用的是EEPROM存储器。
进一步地，还包括温度传感器，用于读取芯片实时温度并输出温度检测信号。
进一步地，所述存储模块，还用于存储温度检测信号对应的补偿信号，并根据接收到的温度检测信号输出补偿信号。
进一步地，还包括输出缓冲模块，用于根据放大信号和补偿信号输出输出电压。
进一步地，还包括加法器，用于将放大信号和补偿信号叠加并输出给输出缓冲模块。
进一步地，还包括振荡器，用于将稳压器输出的直流工作电源转换为交流工作电源。
进一步地，还包括静电阻抗器，设置于芯片外部电压输入端、基准电压输出端、接地端以及芯片输出端，用于释放芯片电路中的静电。
与现有技术相比，本发明至少含有以下有益效果：
（1）本发明所述的一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，通过纹波抑制模块对斩波信号进行积分，将纹波电压以负反馈的形式补偿到斩波放大器的输入端，从而达到纹波抑制的作用，提高霍尔输出电压的精度；
（2）通过内置的基准电压模块产生基准电压，从而保证编程时的基准电压精确调整，同时采用内部低压降的线性稳压器，在内置基准电压的影响下为霍尔阵列、斩波放大器和可调放大器等模块供电，从而保证了霍尔芯片输出灵敏度不受外部电源电压变化的影响；
（3）采用闭环可调增益放大器，通过调整可变电阻阵列改变增益大小，提高增益调整的线性度和霍尔输出电压的线性度。
附图说明
图1为一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片的架构示意图；
图2为纹波抑制模块内部电路示意图；
图3为可调放大器内部电路示意图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
实施例一
为了解决现有可编程霍尔芯片输出容易受外部供电电压的改变而导致的灵敏度改变，以及纹波电压的存在，导致的输出精度降低的问题。本发明提出了一种纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，如图1所示，包括霍尔阵列、斩波放大器、纹波抑制模块、编程控制模块、存储模块、基准电压模块、可调放大器和稳压器，其中：
霍尔阵列，用于感应外部磁场信号并转换为霍尔电压信号；
斩波放大器，用于调节霍尔电压信号，并输出斩波信号；
纹波抑制模块，用于消除斩波信号中的纹波电压；
编程控制模块，用于接收外部编程字节并输出控制字节；
存储模块，用于存储各控制字节对应的控制信号，并根据接收到的控制字节输出基准控制信号和增益控制信号；
基准电压模块，用于根据基准控制信号输出基准电压；
可调放大器，用于根据斩波信号、增益控制信号和基准电压输出放大信号；
稳压器，用于根据基准电压将外部输入电压调整为芯片各组成部分的直流工作电源。
基于上述模块，当霍尔阵列感应到外部磁场信号后，产生霍尔电压信号，该信号通过斩波放大器消除霍尔阵列失调，同时纹波抑制模块对斩波放大器输出的斩波信号进行纹波抑制，进入可调放大器。
其中，所述稳压器采用的是低压降的线性稳压器，所述存储模块采用的是EEPROM存储器。
具体的，本发明所提出的纹波抑制模块中的电路，如图2所示，包括跨导放大器（Gm），其正向、反向输出端作为纹波抑制模块的输出端，与斩波放大器的输入端连接；其反向、正向输入端分别通过第二斩波开关(CH2)连接积分器（∫）的正向、反向输出端；所述积分器的反向、正向输入端分别通过第一斩波开关(CH1)连接第一电容(C1)和第二电容(C2)的一端；所述第一电容和第二电容的另一端作为纹波抑制模块的输入端，与斩波放大器输出端连接。其中，纹波抑制模块通过对斩波放大器输出的纹波电压进行积分和反馈达到纹波消除效果。斩波放大器输出的有用信号处于低频而纹波信号处于高频段，利用第一斩波开关将高频纹波调制到低频段，积分器对处于低频端的纹波进行积分，利用第二斩波开关将低频纹波调制到高频段，并由跨导放大器以负反馈的形式输出纹波补偿电流到斩波放大器的输入端，从而达到纹波抑制的效果。
纹波抑制后的斩波信号输入可调放大器，同时，由操作人员操控编程控制模块输出控制字节，并由存储模块调取对应的增益控制信号调节可调放大器的增益。而为了避免外部供电提供的基准电压因外部电压突变导致的芯片灵敏度改变，本发明通过内置的基准电压模块给可调放大器提供共模工作点电压，并为稳压器提供基准电压，同时也可通过Vref引脚导出（如图3所示），供操作人员使用。同时，该基准电压可由操作人员通过编程控制模块输出相应的控制字节，由存储模块调取对应的基准控制信号，控制基准电压模块更改基准电压。
具体的，本发明所提出的可调放大器中的电路，如图3所示，包括：
第一放大器（OA1），其正向输入端作为可调放大器的正向输入端，其反向输入端同时连接第一电阻(R1)和可变电阻阵列(RF)的一端，所述第一电阻的另一端与第一放大器的输出端并联，并通过第三电阻(R3)连接第三放大器(OA3)的反向输入端；
第二放大器(OA2)，其正向输入端作为可调放大器的反向输入端，其反向输入端同时连接第二电阻(R2)和可变电阻阵列的另一端，所述第二电阻的另一端与第二放大器的输出端并联，并通过第五电阻(R5)同时连接第三放大器的正向输入端和第六电阻(R6)的一端；所述第六电阻的另一端接入基准电压；所述第三放大器的输出端作为可调放大器的输出端，并通过第四电阻(R4)连接第三放大器的反向输入端。
进一步地，考虑到环境温度容易导致霍尔芯片的温漂，在本发明中，还设置有温度传感器，用于读取芯片实时温度并输出温度检测信号，并由存储模块接收该检测信号，并根据温度检测信号调取存储的该温度检测信号对应的补偿信号，对输出电压进行补偿。
而为了实现补偿信号和放大信号的叠加，本发明在可调放大器的输出端还设置有一个加法器（+），从而将放大信号和补偿信号叠加。最后，通过设置的输出缓冲模块，输出最终的输出电压。
同时，还包括振荡器，用于将稳压器输出的直流工作电源转换为交流工作电源。还包括静电阻抗器（ESD），设置于芯片外部电压输入端、基准电压输出端、接地端以及芯片输出端，用于释放芯片电路中的静电。
实施例二
以下，对上述所述的电路进行具体分析：
如图1所示，霍尔阵列感应外部磁场信号，将其转化为霍尔电压信号，通过斩波放大器，消除霍尔阵列失调，同时纹波抑制模块对斩波放大器的输出进行输出纹波抑制，并最终进入可调放大器。而后通过编程控制模块调节可调放大器的增益，以及通过存储模块中的基准控制字节对基准电压模块进行控制，通过Vref引脚输出基准电压，同时为可调放大器提供共模工作点电压。通过温度传感器读取芯片温度，并通过存储模块中的温度补偿数据对可调放大器的输出进行温度补偿，最终通过输出缓冲器进行信号输出。所述的稳压器为霍尔阵列 、斩波放大器、纹波抑制模块、可调放大器、加法器、输出缓冲模块、静电阻抗器、振荡器、温度传感器、存储模块等模块提供供电电压。
所述图3，可调放大器，这里为方便分析，让第三电阻阻值等于第五电阻（R3 =R5）、第四电阻阻值等于第六电阻（R4 =R6），可调放大器的闭环增益为： Ad= (R1+R2+RF)/RF；为了便于调节闭环增益大小，通常让第一电阻等于第二电阻（R1 =R2），这样通过调整可变电阻阵列RF的阻值，就可以调整闭环增益大小。而可变电阻阵列RF 阻值的大小，可以通过存储模块根据增益控制字节输出增益控制信号来调整。
所述图2，纹波抑制模块通过对斩波放大器输出的纹波电压进行积分和反馈达到纹波消除效果。斩波放大器输出的有用信号处于低频而纹波信号处于高频段，利用斩波开关CH1将高频纹波调制到低频，积分器对处于低频的纹波进行积分，利用斩波开关CH2将低频纹波调制到高频，并由跨导放大器Gm以负反馈形式输出纹波补偿电流到斩波放大器的输入端，从而达到纹波抑制效果。
综上所述，本发明所述的一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，通过纹波抑制模块对斩波信号进行积分，将纹波电压以负反馈的形式补偿到斩波放大器的输入端，从而达到纹波抑制的作用，提高霍尔输出电压的精度。
通过内置的基准电压模块产生基准电压，从而保证编程时的基准电压精确调整，同时采用内部低压降的线性稳压器，在内置基准电压的影响下为霍尔阵列、斩波放大器和可调放大器等模块供电，从而保证了霍尔芯片输出灵敏度不受外部电源电压变化的影响。并采用闭环可调增益放大器，通过调整可变电阻阵列改变增益大小，提高增益调整的线性度和霍尔输出电压的线性度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (9)

1.一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，其特征在于，包括霍尔阵列、斩波放大器、纹波抑制模块、编程控制模块、存储模块、基准电压模块、可调放大器和稳压器，其中：
霍尔阵列，用于感应外部磁场信号并转换为霍尔电压信号；
斩波放大器，用于调节霍尔电压信号，并输出斩波信号；
纹波抑制模块，用于消除斩波信号中的纹波电压；
编程控制模块，用于接收外部编程字节并输出控制字节；
存储模块，用于存储各控制字节对应的控制信号，并根据接收到的控制字节输出基准控制信号和增益控制信号；
基准电压模块，用于根据基准控制信号输出基准电压；
可调放大器，用于根据斩波信号、增益控制信号和基准电压输出放大信号；
稳压器，用于根据基准电压将外部输入电压调整为芯片各组成部分的直流工作电源；
所述纹波抑制模块，包括：跨导放大器（Gm），跨导放大器（Gm）的正向、反向输出端作为纹波抑制模块的输出端，与斩波放大器的输入端连接；跨导放大器（Gm）的反向、正向输入端分别通过第二斩波开关(CH2)连接积分器的正向、反向输出端；所述积分器的反向、正向输入端分别通过第一斩波开关(CH1)连接第一电容(C1)和第二电容(C2)的一端；所述第一电容和第二电容的另一端作为纹波抑制模块的输入端，与斩波放大器输出端连接；
所述纹波抑制模块，利用第一斩波开关（CH1）将高频纹波调制到低频，积分器对处于低频的纹波进行积分，利用第二斩波开关（CH2）将低频纹波调制到高频，并由跨导放大器（Gm）以负反馈形式输出纹波补偿电流到斩波放大器的输入端。
2.如权利要求1所述的一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，其特征在于，所述可调放大器，包括：第一放大器（OA1），其正向输入端作为可调放大器的正向输入端，其反向输入端同时连接第一电阻(R1)和可变电阻阵列(RF)的一端，所述第一电阻的另一端与第一放大器的输出端连接，并通过第三电阻(R3)连接第三放大器(OA3)的反向输入端；第二放大器(OA2)，其正向输入端作为可调放大器的反向输入端，其反向输入端同时连接第二电阻(R2)和可变电阻阵列的另一端，所述第二电阻的另一端与第二放大器的输出端连接，并通过第五电阻(R5)同时连接第三放大器的正向输入端和第六电阻(R6)的一端；所述第六电阻的另一端接入基准电压；所述第三放大器的输出端作为可调放大器的输出端，并通过第四电阻(R4)连接第三放大器的反向输入端。
3.如权利要求1所述的一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，其特征在于，所述稳压器采用的是低压降的线性稳压器，所述存储模块采用的是EEPROM存储器。
4.如权利要求1所述的一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，其特征在于，还包括温度传感器，用于读取芯片实时温度并输出温度检测信号。
5.如权利要求4所述的一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，其特征在于，所述存储模块，还用于存储温度检测信号对应的补偿信号，并根据接收到的温度检测信号输出补偿信号。
6.如权利要求5所述的一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，其特征在于，还包括输出缓冲模块，用于根据放大信号和补偿信号输出输出电压。
7.如权利要求6所述的一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，其特征在于，还包括加法器，用于将放大信号和补偿信号叠加并输出给输出缓冲模块。
8.如权利要求1所述的一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，其特征在于，还包括振荡器，用于将稳压器输出的直流工作电源转换为交流工作电源。
9.如权利要求1所述的一种具有纹波抑制功能的霍尔可编程芯片，其特征在于，还包括静电阻抗器，设置于芯片外部电压输入端、基准电压输出端、接地端以及芯片输出端，用于释放芯片电路中的静电。
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