CN111504347A - 一种低噪声信号检测系统 - Google Patents

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CN111504347A CN202010351266.6A CN202010351266A CN111504347A CN 111504347 A CN111504347 A CN 111504347A CN 202010351266 A CN202010351266 A CN 202010351266A CN 111504347 A CN111504347 A CN 111504347A
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Abstract

本发明提供了一种低噪声信号检测系统，所述系统给传感器提供偏置电压，提供低噪声偏置方案。所述方案包括一个电阻型传感器，第一放大级，第二放大级，反馈电路，和后级放大器。所述第一放大级将传感器的直流偏置电压以及有用的高频信号同时放大。被第一放大级放大后的直流偏置电压以及低频噪声信号被第二放大级和反馈电路构成的反馈环路抑制，从而避免这些信号导致后级放大器饱和。所述方案避免了传统结构的直流电流偏置电路，从而具备更好的噪声性能。本发明还提供了相应的自动增益控制方案，使得系统具备较大的动态范围。

Description

一种低噪声信号检测系统
技术领域
本发明涉及一种低噪声信号检测系统。
背景技术
物联网(Internet of Things,IOT)的高速发展带了大量的传感器需求。许多种类的传感器需要在一定的直流偏置电压下，才能有效地输出转换出准确的交流信号。例如，常用的磁阻传感器常常需要被偏置在几十至几百毫伏的电压下才能正常工作。然而常用的偏置电路却引入了额外的噪声，这些噪声降低了系统的信噪比，从而降低了检测精度。因此低噪声的偏置方案对于提升系统检测精度尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种低噪声信号检测系统，包括偏置电压发生器(204)、磁阻传感器(200)、第一放大级(201)、第二放大级(202)、后级放大器(205)、自动增益控制模块(206)和反馈电路(203)；
所述磁阻传感器(200)用于噪声信号的检测与转换；
所述第一放大级(201)、第二放大级(202)、后级放大器(205)用于对信号进行多级放大；
所述反馈电路(203)与第二放大级(202)构成反馈环路；
所述偏置电压发生器(204)用于产生能够数字设置的模拟偏置电压；
所述自动增益控制模块(206)用于控制第一放大级(201)的放大系数；
所述磁阻传感器(200)包含第一端口、第二端口；
所述第一放大级(201)包含第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第五输入端、第六输入端，以及第一输出端、第二输出端；
所述偏置电压发生器(204)包括第一输入端，第一输出端、第二输出端；
所述自动增益(206)控制模块包含第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述第二放大级(202)包括第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端，第一输出端、第二输出端；
所述反馈电路(203)包括第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述后级放大器(205)包括第一输入端、第二输入端和第一输出端、第二输出端；
所述磁阻传感器(200)的两端与所述第一放大级(201)的第一输入端、第二输入端相连；
所述偏置电压发生器(204)的第一输出端、第二输出端分别与所述第一放大级(201)的第三输入端、第四输入端相连；
所述自动增益控制(206)的第一输入端、第二输入端分别与第一放大级(201)的第一输出端、第二输出端相连，自动增益控制(206)的第一输出端、第二输出端分别与第一放大级(201)的第五输入端、第六输入端相连；
所述第二放大级(202)的第一输入端、第二输入端分别与第一放大级(201)的第一输出端、第二输出端相连，第二放大级(202)的第一输出端、第二输出端分别与后级放大器(205)第一输入端、第二输入端相连；
所述反馈电路(203)的第一输入端、第二输入端分别与第二放大级(202)第一输出端、第二输出端相连，反馈电路(203)的第一输出端、第二输出端分别与第二放大级(202)的第三输入端、第四输入端相连；
所述后级放大器(205)的第一输入端、第二输入端分别与第二放大级(202)的第一输出端、第二输出端相连，后级放大器(205)的第一输出端和第二输出端输出放大后的信号。
所述第一放大级(201)包括第一放大器(212)、第二放大器(213)、第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2；
所述第一放大器(212)、第二放大器(213)对微弱电压信号进行放大，第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2用于调节上述第一放大器(212)、第二放大器(213)的增益；
所述第一放大器(212)包括第一输入端、第二输入端和一个输出端；
所述第二放大器(213)包括第一输入端、第二输入端和一个输出端；
所述第一反馈电阻R1包含第一端口、第二端口；
所述第二反馈电阻R2包含第一端口、第二端口；
所述第一放大器(212)的第一输入端与所述偏置电压发生器(204)的第一输出端相连，第一放大器(212)的第二输入端与磁阻传感器(200)的第一端口相连，第一放大器(212)的输出端与第一反馈电阻R1的第二端口相连；
所述第二放大器(213)的第一输入端与所述偏置电压发生器(204)的第二输出端相连，第二放大器(213)的第二输入端与磁阻传感器(200)的第二端口相连，第二放大器(213)的输出端与第一反馈电阻R2的第二端口相连；
所述第一反馈电阻R1的第一端口与磁阻传感器(200)的第一端口相连，第一反馈电阻R1的第二端口与第一放大器(212)的输出端相连；
所述第二反馈电阻R2的第一端口与磁阻传感器(200)的第二端口相连，第二反馈电阻R2的第二端口与第二放大器(213)的输出端相连；
第一放大级(201)的增益Gain1表示为：
Figure BDA0002471904460000031
其中，VOP1-VON1指第一级的输出电压，VRMR指磁阻传感器(200)两端的电压，RMR指磁阻传感器(200)的直流阻值；
第一放大级(201)的输出信号的直流分量VOPN1_被表示为：
VOPN1_DC＝Gain1×VBIAS＝Ibias×(RMR+R1+R2) (5)
其中，VBIAS是磁阻传感器(200)两端的电压差；Ibias是指流过磁阻传感器(200)的偏置电流。
所述第二放大级(202)包括放大器(214)，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6；
放大器(214)对第一级输出电压VOP1-VON1进行放大，第五电阻和第六电阻用于调节放大器(214)增益，跨导放大器(217)的输出电流流过第三电阻R3、第四电阻R4，从而抵消第一放大级(201)输出电压的直流分量；
所述放大器(214)包括第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述第三电阻R3包含第一端口、第二端口；
所述第四电阻R4包含第一端口、第二端口；
所述第五电阻R5包含第一端口、第二端口；
所述第六电阻R6包含第一端口、第二端口；
所述第三电阻R3的第一端口与第一放大器(212)的输出端相连，第三电阻R3的，第二端口与放大器(214)的第一输入端连接；
所述第四电阻R4的第一端口与第二放大器(213)的输出端相连，第四电阻R4的第二端口与放大器(214)的第二输入端连接；
所述第五电阻R5的第一端口与第三电阻R3的第二端口相连，第五电阻R5的第二端口与与放大器(214)的第一输出端连接；
所述第六电阻R6的第一端口与第四电阻R4的第二端口相连，第六电阻R6的第二端口与放大器(214)的第二输出端连接。
本发明中，所述反馈电路(203)的一种实施方式，所述反馈电路(203)包括低通滤波器(216)和跨导放大器(217)；所述低通滤波器(216)检测第二放大级(202)的输出信号VOP2-VON2，并且将所述输出信号中的高频分量滤除；低通滤波器(216)的输出信号用于控制跨导放大器(217)的输出电流，跨导放大器(217)的输出电流被注入到第二放大级(202)，抵消第一放大级(201)输出电压的直流分量。
所述低通滤波器(216)包括第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述跨导放大器(217)包括第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述低通滤波器(216)的第一输入端、第二输入端分别与VON2、VOP2连接，低通滤波器(216)的第一输出端、第二输出端分别与跨导放大器(217)的第一输入端、第二输入端连接；
所述跨导放大器(217)的第一输入端、第二输入端分别与低通滤波器(216)的第一输出端、第二输出端连接，跨导放大器(217)的第一输出端、第二输出端分别与放大器(214)的第一输入端、第二输入端相连接。
所述跨导放大器(217)在反馈环路上电启动并稳定后，输出电流的直流分量IIPN_DC表示为：
Figure BDA0002471904460000051
反馈电路(203)所贡献的电流噪声
Figure BDA0002471904460000054
表示为：
Figure BDA0002471904460000052
n1是与提供输出电流的晶体管大小及特性相关的噪声系数；k是玻尔兹曼常数；T是指温度；反馈电路(203)贡献的等效输入噪声电压
Figure BDA0002471904460000055
被表示为：
Figure BDA0002471904460000053
本发明中，所述反馈电路(203)的另一种实施方式，包括放大器AMP(501)、电容Cint、电压放大器(601)以及串联电阻R7和R8；
所述放大器AMP(501)和电容Cint组成低通滤波器；
所述电压放大器(601)将低通滤波器的输出电压放大为输出电压VEP-VEN；所述串联电阻R7、R8将VEP-VEN转换为输出电流IP-IN；
所述放大器AMP(501)包括第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述电压放大器(601)包括第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述电容Cint包含第一、第二端口；
所述串联电阻R7包含第一、第二端口；
所述串联电阻R8包含第一、第二端口；
所述放大器AMP(501)的第一输入端、第二输入端分别与VOP2、VON2连接，放大器AMP(501)的第一输出端、第二输出端分别与电容Cint的第一端口、第二端口连接；
所述电压放大器(601)的第一输入端、第二输入端分别与放大器AMP(501)的第一输出端、第二输出端连接，电压放大器(601)的第一输出端、第二输出端分别与串联电阻R7的第一端口、串联电阻R8的第一端口连接；
所述电容Cint的第一端口、第二端口分别与放大器AMP(501)的第一输出端、第二输出端及电压放大器(601)第一输入端、第二输入端连接；
所述串联电阻R7的第一端口、串联电阻R8的第一端口分别与电压放大器(601)的第一输出端、第二输出端相连，串联电阻R7的第二端口和串联电阻R8的第二端口分别与放大器(214)的第二输入端、第一输入端相连接。
本发明还包括自动增益控制模块(206)，自动增益控制模块(206)包括衰减器(401)、比较器(402)和逻辑控制模块(403)；
所述衰减器(401)衰减第一放大级(201)的输出信号，并将所述输出信号转换为单端信号VA；衰减器(401)的衰减系数对应于期望的第一放大级(201)的增益；所述比较器(402)用于比较单端信号VA与参考电压VBIAS的大小；所述逻辑控制模块(403)输出多比特的数字数据去控制第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2的大小；
所述衰减器(401)包括第一输入端、第二输入端，以及一个输出端；
所述比较器(402)包括第一输入端、第二输入端，以及一个输出端；
所述逻辑控制模块(403)包含一个输入端，一个输出端；
所述衰减器(401)的第一输入端、第二输入端分别与VOP1、VON1连接，衰减器(401)的输出端和比较器(402)的第一输入端连接；
所述比较器(402)的第一输入端与衰减器(401)的输出端连接，比较器(402)的第二输入端与参考电压VBIAS连接，比较器(402)的输出端和逻辑控制模块(403)的输入端连接；
所述逻辑控制模块(403)的输入端与比较器(402)的输出端连接，逻辑控制模块(403)的输出与第一放大级(201)连接。
所述自动增益控制模块(206)通过执行如下步骤完成系统的自动增益：
步骤1，当系统启动时，第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2被设置为中间值，衰减系数被设置为期望的第一放大级(201)的增益的倒数；
步骤2，当系统响应完成、进入稳态后，逻辑控制模块(403)检测比较器(402)的输出电压；
步骤3，根据比较器(402)的输出电压状态，执行两种不同的步骤3.1或步骤3.2：
如果比较器(402)的输出电压为高电平，执行步骤3.1，即逻辑电路自动降低一档R1、R2的大小，等待电路稳定后，逻辑电路再次检测比较器(402)的输出电压，如果该输出电压依然为高电平，逻辑电路继续自动降低R1、R2，直至比较器(402)的输出电压翻转至低电平；
如果比较器(402)的输出电压为低电平，执行步骤3.2，即逻辑电路自动增加一档R1、R2的大小，等待电路稳定后，逻辑电路再次检测比较器(402)的输出电压，如果该输出电压依然为低电平，逻辑电路继续自动增加R1、R2，直至比较器(402)的输出电压翻转至高电平；
步骤4，自动增益进入结束状态，此时逻辑电路对R1、R2的控制信号被锁存。
与现有技术相比，本发明存在以下有益效果：通过避免采用传统方案中对磁阻提供直流偏置的偏置电流电路，显著改善了检测方案的整体噪声性能，增大了检测系统可实现的信噪比；通过第二放大级以及反馈电路抑制了被第一放大级放大的磁阻偏置电压，从而避免其导致后级放大器饱和；本发明还提供了相应的自动增益控制方案，使得系统具备较大的动态范围。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是一种传统方案的电路框图。
图2是本发明的电路框图。
图3是本发明的信号检测电路的实现方式。
图4是自动增益控制方案的一种实现方式。
图5是反馈电路的一种实现方式。
图6是反馈电路的另一种实现方式。
具体实施方式
图1所示为一种传统方案的低噪声传感器信号检测电路。其中110为一种磁阻传感器RMR，该传感器由一个反馈环路进行偏置。131是用于产生偏置电压的发生器，即BiasVoltage Generator，根据输入的多比特数字信号VB_dig输出相应的模拟偏置电压。晶体管Q1、电阻R1和晶体管Q2、电阻R2分别由电流Is1和Is2进行合适的直流偏置，构成第一放大级，从而能够检测并放大来自磁阻的直流误差电压以及有效高频电压信号。第一放大级的输出信号，被第二放大级AMP141放大并传送至后级；第一放大级输出的直流分量误差信号经由反馈环路放大后反馈至磁阻。反馈环路通常包括低通滤波器Low Pass Filter 121、偏置电流发生器Bias Current Generator120。由于反馈环路的高增益以及低通特性，偏置电流发生器自动产生合适的直流偏置电流，使得磁阻两端的偏置电压等于131设置的偏置电压。反馈环路使得磁阻能够被偏置在由VB_dig预设的直流偏置电压，并且保证了第一放大级输出信号的直流分量以及低频噪声被有效抑制。但该传统方案的主要缺点是，反馈环路中的偏置电流发生器120会引入额外噪声从而恶化检测电路的信噪比。
偏置电流发生器产生的噪声电流功率谱密度
Figure BDA0002471904460000094
表示为：
Figure BDA0002471904460000091
其中n1是与电流发生器的晶体管大小及特性相关的噪声系数；k是玻尔兹曼常数；T是指温度；Ibias是指流过传感器的偏置电流，表示为：
Figure BDA0002471904460000092
其中，RMR是指传感器的直流阻值；VBP和VBN分别是传感器两端的电压，VBIAS是两者的差值，即传感器两端的电压差。
由电流发生器贡献的等效输入噪声电压功率谱密度表示为：
Figure BDA0002471904460000093
可见当偏置电流增大时，等效输入噪声电压也会增大，并逐渐成为无法忽略的重要噪声源。
图2所示为本发明的系统，旨在避免传统电流偏置电路贡献的噪声，并包含传感器阻值测量、偏置电流测量方案。本发明的检测系统包含了偏置电压发生器(Bias VoltageGenerator)204、磁阻传感器(RMR)200、第一放大级(First Amplification Stage)201、第二放大级(Second Amplification Stage)202、后级放大器(Next Stage Amplifiers)205、反馈电路(Feedback Circuit)203，还包含了自动增益控制模块(Automatic Gain Control，AGC)206，以及传感器阻值、传感器偏置电流测量模块(RMR and Bias CurrentMeasurement)207。所述偏置电压发生器与传统方案中的131相同，用于产生可设置的模拟偏置电压。
如图3所式，所述第一放大级201由第一放大器212、第二放大器213，第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2构成。所述第一放大级不含传统方案中的低通滤波和偏置电流发生器构成的反馈环路，因而第一级的输出电压VOP1-VON1不仅包括被放大的有效高频交流信号，还包括被放大的磁阻的直流差分电压信号。第一级放大方案的增益Gain1表示为：
Figure BDA0002471904460000101
其中，VRMR指磁阻传感器200两端的电压，包含直流分量和交流分量；RMR是指磁阻传感器200的直流阻值；R1和R2的阻值通常相等；
因此第一级放大输出信号的直流分量VOPN1_DC被表示为：
VOPN1_DC＝Gain1×VBIAS＝Ibias×(RMR+R1+R2) (5)
其中，VBIAS与式(2)中的涵义相同，是磁阻传感器200两端的电压差；Ibias是指流过磁阻传感器200的偏置电流；
所述反馈电路203与第二放大级202构成的反馈环路实现了与传统方案中反馈环路的重要功能，即避免放大级输出较大的直流分量，导致后级放大器饱和。所述第二放大级202包括放大器214，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6。反馈电路203包括低通滤波器216和跨导放大器217。低通滤波器(或者积分器，积分器是一种特殊的低通滤波器)216检测第二放大级的输出信号VOP2-VON2，并且将所述输出信号中的高频分量滤除。低通滤波器216的输出信号用于控制跨导放大器217的输出电流。跨导放大器217的输出电流被注入到第二放大级，所述输出电流流过电阻R3、R4，从而抵消第一级放大器输出电压的直流分量。
因而反馈电路203与第二放大级202构成的反馈环路抵消了第一放大级输出的直流分量，避免其被后级放大器205继续放大造成电路饱和。当反馈环路上电启动并稳定后，跨导放大器输出电流的直流分量IIPN_DC表示为：
Figure BDA0002471904460000102
反馈电路203所贡献的电流噪声
Figure BDA0002471904460000104
表示为：
Figure BDA0002471904460000103
n1是与提供输出电流的晶体管大小及特性相关的噪声系数；k是玻尔兹曼常数；T是指温度；
结合式(3)-(7)，反馈电路贡献的等效输入噪声电压
Figure BDA0002471904460000112
被表示为：
Figure BDA0002471904460000111
公式(8)表明，通过设置合适的电阻比例，所发明的反馈环路的等效输入噪声可以被有效衰减。同时由于所述方案的其他模块的噪声贡献可以与传统方案近似、所述方案的第二放大级的噪声被第一级有效抑制，所以所发明的检测方案的总体信噪比优于传统方案。
由于所发明的方案中第一放大级舍弃了传统方案的电流偏置反馈环路，因而也会将传感器的直流偏置电压放大，于是需要设置合适的第一级增益，才能避免放大后的直流偏置电压使第一放大级饱和而无法正常工作。实际应用中，磁阻的阻值由于工艺的偏差，有近数倍的变化范围，根据式(4)可知，要设置合适的增益，需要设置合适的反馈电阻，自动增益控制模块206旨在实现这一功能。图4给出了该模块具体实施的一个示例及其算法流程图。衰减器(Attenuator)401衰减第一级的输出信号，并将原差分信号转换为单端信号VA；衰减系数(Attenuator Coefficient)对应于期望的第一级放大器的增益。比较器(CMP)402用于比较VA与参考电压VBIAS的大小。参考电压VBIAS的大小即式(2)中传感器两端的偏置电压。逻辑控制模块(Logic)403输出多比特的数字数据去控制第一级的反馈电阻R1、R2的大小(Control R1 and R2)，也即控制第一级的增益Gain1。算法流程图的具体实施为：步骤1，当系统启动时，R1、R2被设置为中间值，衰减系数被设置为期望增益的倒数；步骤2，当系统响应完成、进入稳态后，逻辑电路检测比较器的输出电压(Vocmp)；步骤3，根据比较器的输出电压状态，执行两种不同的步骤3.1或3.2；如果比较器的输出电压为高电平，执行步骤3.1，即逻辑电路自动降低一档R1、R2的大小，等待电路稳定后，逻辑电路再次检测比较器的输出电压，如果该电压依然为高电平，逻辑电路继续自动降低R1、R2，直至比较器的输出电压翻转至低电平；如果比较器的输出电压为低电平，执行步骤3.2，即逻辑电路自动增加一档R1、R2的大小，等待电路稳定后，逻辑电路再次检测比较器的输出电压，如果该电压依然为低电平，逻辑电路继续自动增加R1、R2，直至比较器的输出电压翻转至高电平；步骤4，为结束状态，此时逻辑电路对R1、R2的控制信号被锁存。此时第一级的增益将接近于期望的增益Gain1。
图5所示为反馈电路203的一种具体实施方案。放大器AMP501以及电容Cint组成了一个积分器(也可以称为低通滤波器)。具体的，501是一个通用的跨导放大器(OperationalTrans-conductance Amplifier)，其跨导表示为gmint，输出阻抗表示为Ro_int。502也是一个跨导放大器OTA，其跨导值为gmOTA。由反馈电路、第二放大级构成的反馈环路的闭环增益Gain2的传递函数表示为：
Figure BDA0002471904460000121
公式(9)表明：通过设置合适的参数，该反馈环路可以阻隔第一级输出的直流信号以及低频噪声、低频漂移。
图6所示为反馈电路203的另一种具体实施方案。该方案采用电压放大器601以及串联电阻R7、R8构成输出电流型的电路。放大器601将积分器的输出电压放大为输出电压VEP-VEN，电阻R7、R8将VEP-VEN转换为输出电流IP-IN。
本发明提供了一种低噪声信号检测系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种低噪声信号检测系统，其特征在于，包括偏置电压发生器(204)、磁阻传感器(200)、第一放大级(201)、第二放大级(202)、后级放大器(205)、自动增益控制模块(206)和反馈电路(203)；
所述磁阻传感器(200)用于噪声信号的检测与转换；
所述第一放大级(201)、第二放大级(202)、后级放大器(205)用于对信号进行多级放大；
所述反馈电路(203)与第二放大级(202)构成反馈环路；
所述偏置电压发生器(204)用于产生能够数字设置的模拟偏置电压；
所述自动增益控制模块(206)用于控制第一放大级(201)的放大系数；
所述磁阻传感器(200)包含第一端口、第二端口；
所述第一放大级(201)包含第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端、第五输入端、第六输入端，以及第一输出端、第二输出端；
所述偏置电压发生器(204)包括第一输入端，第一输出端、第二输出端；
所述自动增益(206)控制模块包含第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述第二放大级(202)包括第一输入端、第二输入端、第三输入端、第四输入端，第一输出端、第二输出端；
所述反馈电路(203)包括第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述后级放大器(205)包括第一输入端、第二输入端和第一输出端、第二输出端；
所述磁阻传感器(200)的两端与所述第一放大级(201)的第一输入端、第二输入端相连；
所述偏置电压发生器(204)的第一输出端、第二输出端分别与所述第一放大级(201)的第三输入端、第四输入端相连；
所述自动增益控制(206)的第一输入端、第二输入端分别与第一放大级(201)的第一输出端、第二输出端相连，自动增益控制(206)的第一输出端、第二输出端分别与第一放大级(201)的第五输入端、第六输入端相连；
所述第二放大级(202)的第一输入端、第二输入端分别与第一放大级(201)的第一输出端、第二输出端相连，第二放大级(202)的第一输出端、第二输出端分别与后级放大器(205)第一输入端、第二输入端相连；
所述反馈电路(203)的第一输入端、第二输入端分别与第二放大级(202)第一输出端、第二输出端相连，反馈电路(203)的第一输出端、第二输出端分别与第二放大级(202)的第三输入端、第四输入端相连；
所述后级放大器(205)的第一输入端、第二输入端分别与第二放大级(202)的第一输出端、第二输出端相连，后级放大器(205)的第一输出端和第二输出端输出放大后的信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一放大级(201)包括第一放大器(212)、第二放大器(213)、第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2；
所述第一放大器(212)、第二放大器(213)对微弱电压信号进行放大，第一反馈电阻R1和第二反馈电阻R2用于调节上述第一放大器(212)、第二放大器(213)的增益；
所述第一放大器(212)包括第一输入端、第二输入端和一个输出端；
所述第二放大器(213)包括第一输入端、第二输入端和一个输出端；
所述第一反馈电阻R1包含第一端口、第二端口；
所述第二反馈电阻R2包含第一端口、第二端口；
所述第一放大器(212)的第一输入端与所述偏置电压发生器(204)的第一输出端相连，第一放大器(212)的第二输入端与磁阻传感器(200)的第一端口相连，第一放大器(212)的输出端与第一反馈电阻R1的第二端口相连；
所述第二放大器(213)的第一输入端与所述偏置电压发生器(204)的第二输出端相连，第二放大器(213)的第二输入端与磁阻传感器(200)的第二端口相连，第二放大器(213)的输出端与第一反馈电阻R2的第二端口相连；
所述第一反馈电阻R1的第一端口与磁阻传感器(200)的第一端口相连，第一反馈电阻R1的第二端口与第一放大器(212)的输出端相连；
所述第二反馈电阻R2的第一端口与磁阻传感器(200)的第二端口相连，第二反馈电阻R2的第二端口与第二放大器(213)的输出端相连。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，第一放大级(201)的增益Gain1表示为：
Figure FDA0002471904450000031
其中，VOP1-VON1指第一级的输出电压，VRMR指磁阻传感器(200)两端的电压，RMR指磁阻传感器(200)的直流阻值。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，第一放大级(201)的输出信号的直流分量VOPN1_DC被表示为：
VOPN1_DC＝Gain1×VBIAS＝Ibias×(RMR+R1+R2) (5)
其中，VBIAS是磁阻传感器(200)两端的电压差；Ibias是指流过磁阻传感器(200)的偏置电流。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第二放大级(202)包括放大器(214)，第三电阻R3、第四电阻R4、第五电阻R5、第六电阻R6；
放大器(214)对第一级输出电压VOP1-VON1进行放大，第五电阻和第六电阻用于调节放大器(214)增益，跨导放大器(217)的输出电流流过第三电阻R3、第四电阻R4，从而抵消第一放大级(201)输出电压的直流分量；
所述放大器(214)包括第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述第三电阻R3包含第一端口、第二端口；
所述第四电阻R4包含第一端口、第二端口；
所述第五电阻R5包含第一端口、第二端口；
所述第六电阻R6包含第一端口、第二端口；
所述第三电阻R3的第一端口与第一放大器(212)的输出端相连，第三电阻R3的，第二端口与放大器(214)的第一输入端连接；
所述第四电阻R4的第一端口与第二放大器(213)的输出端相连，第四电阻R4的第二端口与放大器(214)的第二输入端连接；
所述第五电阻R5的第一端口与第三电阻R3的第二端口相连，第五电阻R5的第二端口与与放大器(214)的第一输出端连接；
所述第六电阻R6的第一端口与第四电阻R4的第二端口相连，第六电阻R6的第二端口与放大器(214)的第二输出端连接。
6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述反馈电路(203)包括低通滤波器(216)和跨导放大器(217)；所述低通滤波器(216)检测第二放大级(202)的输出信号VOP2-VON2，并且将所述输出信号中的高频分量滤除；低通滤波器(216)的输出信号用于控制跨导放大器(217)的输出电流，跨导放大器(217)的输出电流被注入到第二放大级(202)，抵消第一放大级(201)输出电压的直流分量；
所述低通滤波器(216)包括第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述跨导放大器(217)包括第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述低通滤波器(216)的第一输入端、第二输入端分别与VON2、VOP2连接，低通滤波器(216)的第一输出端、第二输出端分别与跨导放大器(217)的第一输入端、第二输入端连接；
所述跨导放大器(217)的第一输入端、第二输入端分别与低通滤波器(216)的第一输出端、第二输出端连接，跨导放大器(217)的第一输出端、第二输出端分别与放大器(214)的第一输入端、第二输入端相连接。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述跨导放大器(217)在反馈环路上电启动并稳定后，输出电流的直流分量IIPN_DC表示为：
Figure FDA0002471904450000051
反馈电路(203)所贡献的电流噪声
Figure FDA0002471904450000052
表示为：
Figure FDA0002471904450000053
n1是与提供输出电流的晶体管大小及特性相关的噪声系数；k是玻尔兹曼常数；T是指温度；反馈电路(203)贡献的等效输入噪声电压
Figure FDA0002471904450000054
被表示为：
Figure FDA0002471904450000055
8.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述反馈电路(203)包括放大器AMP(501)、电容Cint、电压放大器(601)以及串联电阻R7和R8；
所述放大器AMP(501)和电容Cint组成低通滤波器；
所述电压放大器(601)将低通滤波器的输出电压放大为输出电压VEP-VEN；所述串联电阻R7、R8将VEP-VEN转换为输出电流IP-IN；
所述放大器AMP(501)包括第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述电压放大器(601)包括第一输入端、第二输入端，第一输出端、第二输出端；
所述电容Cint包含第一、第二端口；
所述串联电阻R7包含第一、第二端口；
所述串联电阻R8包含第一、第二端口；
所述放大器AMP(501)的第一输入端、第二输入端分别与VOP2、VON2连接，放大器AMP(501)的第一输出端、第二输出端分别与电容Cint的第一端口、第二端口连接；
所述电压放大器(601)的第一输入端、第二输入端分别与放大器AMP(501)的第一输出端、第二输出端连接，电压放大器(601)的第一输出端、第二输出端分别与串联电阻R7的第一端口、串联电阻R8的第一端口连接；
所述电容Cint的第一端口、第二端口分别与放大器AMP(501)的第一输出端、第二输出端及电压放大器(601)第一输入端、第二输入端连接；
所述串联电阻R7的第一端口、串联电阻R8的第一端口分别与电压放大器(601)的第一输出端、第二输出端相连，串联电阻R7的第二端口和串联电阻R8的第二端口分别与放大器(214)的第二输入端、第一输入端相连接。
9.根据权利要求7或8所述的系统，其特征在于，还包括自动增益控制模块(206)，自动增益控制模块(206)包括衰减器(401)、比较器(402)和逻辑控制模块(403)；所述衰减器(401)衰减第一放大级(201)的输出信号，并将所述输出信号转换为单端信号VA；衰减器(401)的衰减系数对应于期望的第一放大级(201)的增益；所述比较器(402)用于比较单端信号VA与参考电压VBIAS的大小；所述逻辑控制模块(403)输出多比特的数字数据去控制第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2的大小；
所述衰减器(401)包括第一输入端、第二输入端，以及一个输出端；
所述比较器(402)包括第一输入端、第二输入端，以及一个输出端；
所述逻辑控制模块(403)包含一个输入端，一个输出端；
所述衰减器(401)的第一输入端、第二输入端分别与VOP1、VON1连接，衰减器(401)的输出端和比较器(402)的第一输入端连接；
所述比较器(402)的第一输入端与衰减器(401)的输出端连接，比较器(402)的第二输入端与参考电压VBIAS连接，比较器(402)的输出端和逻辑控制模块(403)的输入端连接；
所述逻辑控制模块(403)的输入端与比较器(402)的输出端连接，逻辑控制模块(403)的输出与第一放大级(201)连接。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述自动增益控制模块(206)通过执行如下步骤完成系统的自动增益：
步骤1，当系统启动时，第一反馈电阻R1、第二反馈电阻R2被设置为中间值，衰减系数被设置为期望的第一放大级(201)的增益的倒数；
步骤2，当系统响应完成、进入稳态后，逻辑控制模块(403)检测比较器(402)的输出电压；
步骤3，根据比较器(402)的输出电压状态，执行两种不同的步骤3.1或步骤3.2：
如果比较器(402)的输出电压为高电平，执行步骤3.1，即逻辑电路自动降低一档R1、R2的大小，等待电路稳定后，逻辑电路再次检测比较器(402)的输出电压，如果该输出电压依然为高电平，逻辑电路继续自动降低R1、R2，直至比较器(402)的输出电压翻转至低电平；
如果比较器(402)的输出电压为低电平，执行步骤3.2，即逻辑电路自动增加一档R1、R2的大小，等待电路稳定后，逻辑电路再次检测比较器(402)的输出电压，如果该输出电压依然为低电平，逻辑电路继续自动增加R1、R2，直至比较器(402)的输出电压翻转至高电平；
步骤4，自动增益进入结束状态，此时逻辑电路对R1、R2的控制信号被锁存。
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