CN111628735B - 一种高精度的线性霍尔传感器读出电路 - Google Patents

一种高精度的线性霍尔传感器读出电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高精度的线性霍尔传感器读出电路，包括：霍尔元件，调制电路，第一放大器，跨导放大器，第二放大器，开关电容陷波滤波器，时钟电路，缓冲器，调制电路采用旋转电流技术对霍尔电压信号进行调制，第二放大器中引入斩波开关结果实现霍尔电压信号的解调；第一放大器，跨导放大器和第二放大器构成的级联放大器结构用于对霍尔电压小信号的放大处理，开关电容陷波滤波器用于衰弱斩波频率附近的信号，时钟电路可以调节斩波开关频率，缓冲器的输出端作为高精度的线性霍尔传感器读出电路的输出端。本发明采用基于调制‑解调原理的斩波技术可以有效降低读出电路中存在的失调电压和1/f噪声，提高电路整体的精度。

Description

一种高精度的线性霍尔传感器读出电路
技术领域：
本发明涉及霍尔传感器领域，具体是涉及一种高精度的线性霍尔传感器读出电路。
背景技术：
霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁传感器，通过片内集成霍尔元件将磁场信号转换为电压信号，并由读出电路对转换电压进行处理放大，从而得到可测量的电压值。霍尔传感器由于其体积小、成本低、稳定性高、耐受力强等特点，可广泛应用于汽车、工业和消费类电子等领域中，随着霍尔传感器的应用要求日益提高，需要霍尔传感器具有良好的温度特性，高分辨率的灵敏度以及低噪声的输出。
霍尔元件通常采用CMOS工艺十字交叉型N阱结构，感应产生的霍尔电压信号非常微弱，容易受到失调电压和1/f噪声这些无用信号的影响，最终导致输出电压不精确，因此需要一种高精度的读出电路来对霍尔电压信号进行放大处理并且能有效消除霍尔元件以及读出电路运放中存在的失调电压和1/f噪声。现有的低噪声线性霍尔传感器读出电路，虽然有消除失调电压和1/f噪声，但是还存在以下问题：1、不便于对电路增益的调整，从而导致调节的灵敏度较低；2、不能实现通过较低闭环增益来扩大线性输入范围以及带宽，以及电路本身还会产生失调电压，也会导致调节灵敏度的降低；3、结构比较复杂，特别是针对温漂的设置，从而影响整个电路的灵敏度。
例如申请为201810397432.9，包括霍尔元件、旋转电流电路、第一放大器、斩波器、第二放大器、PTAT电流产生电路、开关电容陷波滤波器、缓冲器；霍尔元件与旋转电流电路相连，旋转电流电路的输出端与第一放大器的输入端连接，第一放大器的输出端连接至斩波器的输入端，斩波器的输出端与第二放大器的输入端连接，第二放大器的输出端与开关电容陷波滤波器的输入端相连，开关电容陷波滤波器的输出端与缓冲器的输入端相连，PTAT电流产生电路与第二放大器的输入端连接；缓冲器的输出端作为低噪声线性霍尔传感器读出电路的输出端。可以有效地消除电路失调电压和1/f噪声的同时还能降低电路纹波幅度，从而提高整体电路精度，如上述，该电路存在上述的缺点，从而有必要提出一种高精度的线性霍尔传感器读出电路，滤除失调电压和1/f噪声信号，以及具有更高的调节灵敏度；以及弥补第一放大器的增益温漂。
发明内容：
针对现有技术存在的不足，本发明实施例的目的在于提供一种高精度的线性霍尔传感器读出电路，以解决上述背景技术中的问题；本发明采用动态offset消除技术和斩波运算放大器结合完成斩波稳定技术的调制解调过程，然后通过开关电容陷波滤波器滤除位于斩波频率的失调电压和1/f噪声信号；同时采用一种低噪声、高带宽的第一放大器结构提高读出电路的线性输入范围，跨导放大器用来弥补第一放大器的增益温漂。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高精度的线性霍尔传感器读出电路，包括
霍尔元件、偏置电流、调制电路、第一放大器、跨导放大器、第二放大器、时钟电路、开关电容陷波滤波器和缓冲器；
其中，偏置电流的输出端和霍尔元件的输入端相连，霍尔元件的输出端连接调制电路的输入端，调制电路的输出端连接第一放大器的输入端，第一放大器的输出端连接跨导放大器的输入端，跨导放大器的输出端连接第二放大器的输入端，第二放大器的输出端连接开关电容陷波滤波器的输入端，开关电容陷波滤波器的输出端连接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端作为高精度线性霍尔传感器读出电路的输出端；时钟电路的输出端输出fchop时钟信号到调制电路和第二放大器，输出fspin时钟信号到开关电容陷波滤波器。
作为本发明进一步的方案，第二放大器包括五个电阻R1、R2、R3、R4、R5；
其中，第一电阻R1的一端连接第一放大器的正相输入端，另一端连接第三电阻R3和第五电阻R5的一端，第三电阻R3的另一端连接第一放大器的第一输出端；第二电阻R2的一端连接第一放大器的负相输入端，另一端连接第四电阻R4的一端和第五电阻R5的另一端，第四电阻R4的另一端连接第一放大器的第二输出端。
作为本发明进一步的方案，缓冲器连接有四个电阻R6、R7、R8、R9；
其中，第六电阻R6跨接在开关电容陷波滤波器的第一输出端和缓冲器的正相输入端之间；第七电阻R7跨接在开关电容陷波滤波器的第二输出端和缓冲器的负相输入端之间；第八电阻R8跨接在缓冲器的负相输入端和输出端之间；第九电阻R9一端连接缓冲器的正向输入端，另一端连接共模电压VCM。
作为本发明进一步的方案，霍尔元件的偏置电流产生电路包括一个第四放大器A4，三个PMOS管M1、M3和M4，一个NMOS管M2，六个电阻R10、R11、R12、R3、R14、R15，两个电容C1和C2；其中，第十电阻R10和第十一电阻R11串联跨接于电源VDD和第十二电阻R12的一端之间，第十三电阻R13跨接于第十二电阻R12的一端和地之间，第十二电阻R12的另一端连接第四放大器A4的负相输入端；第一电容C1跨接于第四放大器A4的负相输入端和地之间；第十五电阻R15跨接于第四放大器A4的正相输入端和地之间；第四放大器A4的输出端连接第一PMOS管M1的栅端，第一PMOS管M1的漏端接地，其源端连接第二NMOS管M2的源端，第二NMOS管M2的栅端连接内部偏置电压VBIAS1，第三PMOS管M3的栅端和漏端相连接连第二NMOS管M2的漏端和第四PMOS管的栅端，第三PMOS管M3和第四PMOS管M4的源端连接电源VDD；霍尔元件跨接于第四PMOS管M4的漏端和第四放大器A4的正相输入端之间；第十四电阻R14和第二电容C2串联并跨接于第四放大器A4的输出端和第四PMOS管M4的漏端之间。
作为本发明进一步的方案，霍尔元件为具有四个端口的霍尔盘；调制电路采用旋转电流法，包括两个PMOS管M5和M7，七个NMOS管M6、M8、M9、M10、M11、M12；
第五PMOS管M5和第七PMOS管M7的源端连接偏置电流IHall，第五PMOS管M5的漏端和第六NMOS管M6的源端连接霍尔元件的第一端口，第六NMOS管M6的漏端、第八NMOS管M8的漏端和第十二NMOS管M12的漏端相连作为调制电路的第一输出端输出VHall1，第七PMOS管M7的漏端和第八NMOS管M8的源端连接霍尔元件的第二端口，第五PMOS管M5、第六NMOS管M6、第七PMOS管M7和第八NMOS管M8的栅端分别连接时钟信号CLK1、CLK2、CLK3和CLK4；
第十NMOS管M10和第十二NMOS管M12的源端连接偏置电流IHall，第九NMOS管M9的漏端和第十NMOS管M10的漏端连接霍尔元件的第三端口，第九NMOS管M9的源端、第十一NMOS管M11的源端和第十二NMOS管M12的源端相连作为调制电路的第二输出端输出VHall2，第十一NMOS管M11的漏端和第十二NMOS管M12的漏端连接霍尔元件的第四端口，第九NMOS管M9、第十NMOS管M10、第十一NMOS管M11和第十二NMOS管M12的栅端分别连接时钟信号CLK3、CLK1b、CLK4和CLK2b；时钟信号CLK1和CLK2为两相非交叠时钟，CLK1b和CLK2为同相时钟，CLK2b和CLK1为同相时钟，CLK3和CLK4为两相非交叠时钟。
作为本发明进一步的方案，第一放大器A1包括四个PNP管Q1、Q2、Q3、Q4，两个NPN管Q5、Q6，六个PMOS管M14、M15、M16、M17、M18、M19，四个NMOS管M13、M20、M21、M22，三个电阻R16、R17和R18，两个电容C3、C4，一个放大器A5；
第一PNP管Q1的基极作为第一放大器A1的正相输入端VIN1，其集电极连接第二十一NMOS管M21的漏端和第三PNP管Q3的基极，其发射极连接第五NPN管Q5的集电极和第十四PMOS管M14的漏端；
第二PNP管Q2的基极作为第一放大器A1的负相输入端VIN2，其集电极连接第二十二NMOS管M22的漏端和第四PNP管Q4的基极，其发射极连接第六NPN管Q6的集电极和第十五PMOS管M15的漏端；
第三NPN管Q3的集电极接地，其发射极连接第十六PMOS管M16的漏端，并且作为第一放大器A1的第一输出端VOUT1；
第四NPN管Q4的集电极接地，其发射极连接第十九PMOS管M19的漏端，并且作为第一放大器A1的第二输出端VOUT2；
第五NPN管Q5的基极连接VOUT1，第六NPN管Q6的基极连接VOUT2，两者的发射极相连的同时连接第十三NMOS管M13的漏端、第五放大器A5的负相输入端；
第十三NMOS管M13的栅端连接内部偏置电压VBIAS2，其源端接地；
第十八PMOS管的栅漏相连于内部偏置电流IBIAS，并且连接第十六PMOS管M16、第十七PMOS管M17和第十九PMOS管M19的栅端，其源端和第十六PMOS管M16、第十七PMOS管M17和第十九PMOS管M19的源端均连接电源VDD；
第二十NMOS管M20的栅漏、第二十一NMOS管M21、第二十二NMOS管M22的栅端连接，其源端和第二十一NMOS管M21、第二十二NMOS管M22的源端均接地；第五放大器的正相输入端连接内部共模电压VCM，其输出端连接第十四PMOS管M14和第十五PMOS管M15的栅端，第十四PMOS管M14和第十五PMOS管M15的源端均接电源VDD；第十六电阻R16跨接于第一PNP管Q1的发射极和第二PNP管Q2的发射极之间；
第十七电阻R17和第三电容C3串联并跨接于第一PNP管Q1的发射极和第三PNP管Q3的基极之间；第十八电阻R18和第四电容C4串联并跨接于第二PNP管Q2的发射极和第四PNP管Q4的基极之间。
作为本发明进一步的方案，跨导放大器Gm，包括两个NPN管Q7和Q8，两个PMOS管M23和M24，一个NMOS管M25，四个电阻R19、R20、R21和R22，两个电容C5和C6，一个放大器A6；
第七NPN管Q7的基极作为跨导放大器Gm的正相输入端，其集电极作为跨导放大器Gm的第一输出端输出VOUT1并且连接第二十三PMOS管M23的漏端，其发射极连接第八NPN管Q8的发射极和第二十五NMOS管M25的漏端；
第八NPN管Q8的基极作为跨导放大器Gm的负相输入端，其集电极作为跨导放大器Gm的第二输出端输出VOUT2并且连接第二十四PMOS管M24的漏端；
第二十五NMOS管的栅端连接内部偏置电压VBIAS3，其源端接地；
第六放大器A6的负相输入端连接第十九电阻R19的一端和第二十电阻R20的一端，第十九电阻R19的另一端连接VOUT1，第二十电阻R20的另一端连接VOUT2，第六放大器A6的正相输入端连接内部共模电压VCM2，其输出端连接第二十三PMOS管和第二十四PMOS管M24的栅端；
第二十三PMOS管和第二十四PMOS管M24的源端均接电源VDD；
第二十一电阻R21和第五电容C5串联并跨接于第二十三PMOS管的栅端和漏端之间；第二十二电阻R22和第六电容C6串联并跨接于第二十四PMOS管的栅端和漏端之间。
本发明的工作原理为；片内的偏置电流产生电路为霍尔元件提供恒定的偏置电流，当磁场穿过霍尔元件时，会产生相应的霍尔差分电压信号，同时也会产生失调电压和1/f噪声，通过调制电路改变偏置电流流入霍尔盘端口的方向以及输出电压的极性，由霍尔盘产生的霍尔差分电压将以频率为fchop的交流形式输出，而失调电压和1/f噪声仍为直流输出；经过第一放大器放大处理，跨导放大器将霍尔差分电压信号转换为霍尔差分电流信号，经过第二放大器A2的负反馈电阻网络从而又转换成霍尔差分电压信号，同时第二放大器为斩波结构的放大器，可以将频率为fchop的交流电压信号解调回原频带内，并且将霍尔盘产生的失调和1/f噪声以及第一放大器A1、跨导放大器Gm和第二放大器A2存在的失调电压和1/f噪声调制为fchop的交流信号；经过陷波滤波器衰弱频率为fshin及周围频带内的信号，fshin与fchop设置成相同频率信号，将被放大后的霍尔差分电压信号纹波滤除；最后通过滤波器将差分信号转换为单端输出电压，同时可以设置输出电压的共模电平。由于该读出电路采用斩波消除，使线性霍尔传感器具有较低的噪声，可以有效提高线性霍尔传感器的检测精度。
本发明提出了一种高精度的线性霍尔传感器读出电路，采用动态offset消除技术和斩波运算放大器结合完成斩波稳定技术的调制解调过程，然后通过开关电容陷波滤波器滤除位于斩波频率的失调电压和1/f噪声信号；同时采用一种低噪声、高带宽的第一放大器结构提高读出电路的线性输入范围，跨导放大器用来弥补第一放大器的增益温漂，可以有效消除霍尔元件以及读出电路运放中存在的失调电压和1/f噪声，可以提高传感器整体的精度，可用于低噪声、高精度的线性霍尔传感器设计中。
综上，经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明在传统仪表放大器结构的基础上，通过旋转电流动态消除霍尔元件的offset，斩波放大器对霍尔电压信号进行频域恢复，并采用开关电容陷波滤波器滤除纹波，可以有效降低读出电路的失调电压和1/f噪声，从而提高读出电路的精度。本发明的第一放大器结构采用内部电流反馈的仪表放大器，可以提高读出电路的线性输入范围，从而提高磁场的检测范围。本发明采用片内霍尔元件偏置电流结构，可以对偏置电流的大小和温漂进行设置，从而改变传感器的灵敏度以及灵敏度温漂，另外通过编程方法改变级联放大器的增益从而提高霍尔传感器读出电路的分辨率。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对本发明进行详细说明。
附图说明：
图1为背景技术中提到的现有的读出电路。
图2为本发明的高精度线性霍尔传感器读出电路结构图。
图3为本发明中霍尔元件偏置电流具体电路图。
图4为本发明中调制电路具体电路图。
图5为本发明中第一放大器具体电路图。
图6为本发明中跨导放大器具体电路图。
具体实施方式：
下面将结合附图和有关知识对本发明作出进一步的说明，进行清楚、完整地描述，显然，所描述的电路图应用仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图2所示，一种高精度的线性霍尔传感器读出电路，包括霍尔元件5，偏置电流，调制电路，第一放大器，跨导放大器6，第二放大器7，时钟电路，开关电容陷波滤波器，缓冲器；
偏置电流的输出端和霍尔元件的输入端相连，霍尔元件的输出端连接调制电路的输入端，调制电路的输出端连接第一放大器的输入端，第一放大器的输出端连接跨导放大器的输入端，跨导放大器的输出端连接第二放大器的输入端，第二放大器的输出端连接开关电容陷波滤波器的输入端，开关电容陷波滤波器的输出端连接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端作为高精度线性霍尔传感器读出电路的输出端；时钟电路的输出端输出fchop时钟信号到调制电路和第二放大器，输出fspin时钟信号到开关电容陷波滤波器；其中，调制电路采用旋转电流技术对霍尔电压信号进行调制，第二放大器中引入斩波开关实现霍尔电压信号的解调；第一放大器，跨导放大器和第二放大器构成的级联放大器结构用于对霍尔电压小信号的放大处理，开关电容陷波滤波器用于衰弱斩波频率附近的信号，时钟电路可以调节斩波开关频率，缓冲器的输出端作为高精度的线性霍尔传感器读出电路的输出端。本发明采用基于调制-解调原理的斩波技术可以有效降低读出电路中存在的失调电压和1/f噪声，提高电路整体的精度，另外通过编程方法改变级联放大器的增益从而提高霍尔传感器读出电路的分辨率。
在本发明一实施例中，第一电阻R1的一端连接第一放大器的正相输入端，另一端连接第三电阻R3和第五电阻R5的一端，第三电阻R3的另一端连接第一放大器的第一输出端；第二电阻R2的一端连接第一放大器的负相输入端，另一端连接第四电阻R4的一端和第五电阻R5的另一端，第四电阻R4的另一端连接第一放大器的第二输出端。本发明可以通过改变第一电阻R1、第三电阻R3和第五电阻R5的阻值来调整读出电路的增益，从而实现传感器灵敏度的调节。
在本发明一实施例中，第六电阻R6跨接在开关电容陷波滤波器的第一输出端和缓冲器的正相输入端之间；第七电阻R7跨接在开关电容陷波滤波器的第二输出端和缓冲器的负相输入端之间；第八电阻R8跨接在缓冲器的负相输入端和输出端之间；第九电阻R9一端连接缓冲器的正向输入端，另一端连接共模电压VCM。
在本发明一实施例中，第十电阻R10和第十一电阻R11串联跨接于电源VDD和第十二电阻R12的一端之间，第十三电阻R13跨接于第十二电阻R12的一端和地之间，第十二电阻R12的另一端连接第四放大器A4的负相输入端；第一电容C1跨接于第四放大器A4的负相输入端和地之间；第十五电阻R15跨接于第四放大器A4的正相输入端和地之间；第四放大器A4的输出端连接第一PMOS管M1的栅端，第一PMOS管M1的漏端接地，其源端连接第二NMOS管M2的源端，第二NMOS管M2的栅端连接内部偏置电压VBIAS1，第三PMOS管M3的栅端和漏端相连接连第二NMOS管M2的漏端和第四PMOS管的栅端，第三PMOS管M3和第四PMOS管M4的源端连接电源VDD；霍尔元件跨接于第四PMOS管M4的漏端和第四放大器A4的正相输入端之间；第十四电阻R14和第二电容C2串联并跨接于第四放大器A4的输出端和第四PMOS管M4的漏端之间。
在本发明一实施例中，第五PMOS管M5和第七PMOS管M7的源端连接偏置电流IHall，第五PMOS管M5的漏端和第六NMOS管M6的源端连接霍尔元件的第一端口1，第六NMOS管M6的漏端、第八NMOS管M8的漏端和第十二NMOS管M12的漏端相连作为调制电路的第一输出端输出VHall1，第七PMOS管M7的漏端和第八NMOS管M8的源端连接霍尔元件的第二端口2，第五PMOS管M5、第六NMOS管M6、第七PMOS管M7和第八NMOS管M8的栅端分别连接时钟信号CLK1、CLK2、CLK3和CLK4；第十NMOS管M10和第十二NMOS管M12的源端连接偏置电流IHall，第九NMOS管M9的漏端和第十NMOS管M10的漏端端连接霍尔元件的第三端口3，第九NMOS管M9的源端、第十一NMOS管M11的源端和第十二NMOS管M12的源端相连作为调制电路的第二输出端输出VHall2，第十一NMOS管M11的漏端和第十二NMOS管M12的漏端连接霍尔元件的第四端口4，第九NMOS管M9、第十NMOS管M10、第十一NMOS管M11和第十二NMOS管M12的栅端分别连接时钟信号CLK3、CLK1b、CLK4和CLK2b。
在本发明一实施例中，第一PNP管Q1的基极作为第一放大器A1的正相输入端VIN1，其集电极连接第二十一NMOS管M21的漏端和第三PNP管Q3的基极，其发射极连接第五NPN管Q5的集电极和第十四PMOS管M14的漏端；
第二PNP管Q2的基极作为第一放大器A1的负相输入端VIN2，其集电极连接第二十二NMOS管M22的漏端和第四PNP管Q4的基极，其发射极连接第六NPN管Q6的集电极和第十五PMOS管M15的漏端；第三NPN管Q3的集电极接地，其发射极连接第十六PMOS管M16的漏端，并且作为第一放大器A1的第一输出端VOUT1；第四NPN管Q4的集电极接地，其发射极连接第十九PMOS管M19的漏端，并且作为第一放大器A1的第二输出端VOUT2；第五NPN管Q5的基极连接VOUT1，第六NPN管Q6的基极连接VOUT2，两者的发射极相连的同时连接第十三NMOS管M13的漏端、第五放大器A5的负相输入端；第十三NMOS管M13的栅端连接内部偏置电压VBIAS2，其源端接地；第十八PMOS管的栅漏相连于内部偏置电流IBIAS，并且连接第十六PMOS管M16、第十七PMOS管M17和第十九PMOS管M19的栅端，其源端和第十六PMOS管M16、第十七PMOS管M17和第十九PMOS管M19的源端均连接电源VDD；第二十NMOS管M20的栅漏相连并且连接第二十一NMOS管M21、第二十二NMOS管M22的栅端，其源端和第二十一NMOS管M21、第二十二NMOS管M22的源端均接地；第五放大器的正相输入端连接内部共模电压VCM，其输出端连接第十四PMOS管M14和第十五PMOS管M15的栅端，第十四PMOS管M14和第十五PMOS管M15的源端均接电源VDD；第十六电阻R16跨接于第一PNP管Q1的发射极和第二PNP管Q2的发射极之间；第十七电阻R17和第三电容C3串联并跨接于第一PNP管Q1的发射极和第三PNP管Q3的基极之间；第十八电阻R18和第四电容C4串联并跨接于第二PNP管Q2的发射极和第四PNP管Q4的基极之间。
在本发明一实施例中，第七NPN管的基极作为跨导放大器Gm的正相输入端，其集电极作为跨导放大器Gm的第一输出端输出VOUT1并且连接第二十三PMOS管M23的漏端，其发射极连接第八NPN管Q8的发射极和第二十五NMOS管M25的漏端；第八NPN管的基极作为跨导放大器Gm的负相输入端，其集电极作为跨导放大器Gm的第二输出端输出VOUT2并且连接第二十四PMOS管M24的漏端；第二十五NMOS管的栅端连接内部偏置电压VBIAS3，其源端接地；第六放大器A6的负相输入端连接第十九电阻R19的一端和第二十电阻R20的一端，第十九电阻R19的另一端连接VOUT1，第二十电阻R20的另一端连接VOUT2，第六放大器A6的正相输入端连接内部共模电压VCM2，其输出端连接第二十三PMOS管和第二十四PMOS管M24的栅端；第二十三PMOS管和第二十四PMOS管M24的源端均接电源VDD；第二十一电阻R21和第五电容C5串联并跨接于第二十三PMOS管的栅端和漏端之间；第二十二电阻R22和第六电容C6串联并跨接于第二十四PMOS管的栅端和漏端之间。
本发明的工作过程为：
片内的偏置电流产生电路为霍尔元件提供恒定的偏置电流，当磁场穿过霍尔元件时，会产生相应的霍尔差分电压信号，同时也会产生失调电压和1/f噪声，通过调制电路改变偏置电流流入霍尔盘端口的方向以及输出电压的极性，由霍尔盘产生的霍尔差分电压将以频率为fchop的交流形式输出，而失调电压和1/f噪声仍为直流输出；经过第一放大器放大处理，跨导放大器将霍尔差分电压信号转换为霍尔差分电流信号，经过第二放大器A2的负反馈电阻网络从而又转换成霍尔差分电压信号，同时第二放大器为斩波结构的放大器，可以将频率为fchop的交流电压信号解调回原频带内，并且将霍尔盘产生的失调和1/f噪声以及第一放大器A1、跨导放大器Gm和第二放大器A2存在的失调电压和1/f噪声调制为fchop的交流信号；经过陷波滤波器衰弱频率为fshin及周围频带内的信号，fshin与fchop设置成相同频率信号，将被放大后的霍尔差分电压信号纹波滤除；最后通过滤波器将差分信号转换为单端输出电压，同时可以设置输出电压的共模电平。由于该读出电路采用斩波消除，使线性霍尔传感器具有较低的噪声，可以有效提高线性霍尔传感器的检测精度。
参照图1所示，现有的低噪声线性霍尔传感器读出电路及其工作方法中，由霍尔元件产生的信号，经过两相旋转电流电路后，霍尔电压VHall被调制成频率为fspin的交流信号输出，而失调电压Voffset和低频1/f噪声保持在直流状态。经过第一级运放进行放大，再经过斩波频率为fchop的斩波器CH1，交流的霍尔电压被解调至直流信号，而霍尔元件和放大器本身的失调电压Voffset和低频1/f噪声则被调制成频率为fchop的交流信号，在斩波器CH1输出端以纹波形式输出。为了保证准确的解调霍尔电压，fspin与fchop设置成相同频率。该纹波被由R1、R2、C1和A2组成的一阶低通滤波作用进行滤除，残余纹波进一步被频率为fspin的SC Notch Filter消除，从而可以有效地降低输出纹波幅度。最后利用缓冲器A2双转单输出一个与磁场强度成正比的霍尔电压。由于霍尔元件产生的霍尔电压会随着温度升高而下降，与温度成负相关，因此为了提高输出霍尔电压的线性度及温度特性，在第二级运放A2的正输入端注入一个与绝对温度成正相关的PTAT电流I1和负输入端注入一个与温度无关电流Inontemp来进行温度补偿。利用在电阻R2上产生的一个随温度升高而上升的压降，来补偿随温度升高而下降的霍尔电压，从而提高了输出霍尔电压温度特性和线性度；
而本发明采用片内霍尔元件偏置电流结构，可以对偏置电流的大小和温漂进行设置，从而改变传感器的灵敏度以及灵敏度温漂；通过改变第一电阻R1、第三电阻R3和第五电阻R5的阻值来调整读出电路的增益，从而实现传感器灵敏度的调节；以及通过第一放大器作为读出电路的前置放大器，通过较低闭环增益来扩大线性输入范围以及带宽，同时以三极管为输入对管的结构可以降低第一放大器的噪声；由于第一放大器的闭环增益中Q5的跨导值引入了热电压VT，这是随温度成正比变化的量，会影响整个读出电路增益的温漂特性，采用跨导放大器引入三极管的跨导值来对热电压进行抵消；同时跨导放大器可以将差分电压信号转换为差分电流信号，通过第二放大器的负反馈电阻网络，对第二放大器的反馈电阻网络以及跨导放大器的尾电流进行设置和修调，从而可以改变传感器整体的灵敏度，同时保证灵敏度具有较低的温漂特性，因此本发明的线性霍尔传感器读出电路具有更高的灵敏度，以及灵敏度可调节。
以下提供本发明的具体实施例
实施例1
参考图2，本发明提供的高精度的线性霍尔传感器读出电路，包括霍尔元件，偏置电流，调制电路，第一放大器，跨导放大器，第二放大器，时钟电路，开关电容陷波滤波器，缓冲器；偏置电流的输出端和霍尔元件的输入端相连，霍尔元件的输出端连接调制电路的输入端，调制电路的输出端连接第一放大器的输入端，第一放大器的输出端连接跨导放大器的输入端，跨导放大器的输出端连接第二放大器的输入端，第二放大器的输出端连接开关电容陷波滤波器的输入端，开关电容陷波滤波器的输出端连接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端作为高精度线性霍尔传感器读出电路的输出端；时钟电路的输出端输出fchop时钟信号到调制电路和第二放大器，输出fspin时钟信号到开关电容陷波滤波器；第一电阻R1的一端连接第一放大器的正相输入端，另一端连接第三电阻R3和第五电阻R5的一端，第三电阻R3的另一端连接第一放大器的第一输出端；第二电阻R2的一端连接第一放大器的负相输入端，另一端连接第四电阻R4的一端和第五电阻R5的另一端，第四电阻R4的另一端连接第一放大器的第二输出端。
根据上述的读出电路结构，可以提供的增益为：
可以通过改变第一电阻R1、第三电阻R3和第五电阻R5的阻值来调整读出电路的增益，从而实现传感器灵敏度的调节。
参考图3，上述偏置电流电路包括一个放大器A4，三个PMOS管M1、M3和M4，一个NMOS管M2，六个电阻R10、R11、R12、R3、R14、R15，两个电容C1和C2；其中：第十电阻R10和第十一电阻R11串联跨接于电源VDD和第十二电阻R12的一端之间，第十三电阻R13跨接于第十二电阻R12的一端和地之间，第十二电阻R12的另一端连接第四放大器A4的负相输入端；第一电容C1跨接于第四放大器A4的负相输入端和地之间；第十五电阻R15跨接于第四放大器A4的正相输入端和地之间；第四放大器A4的输出端连接第一PMOS管M1的栅端，第一PMOS管M1的漏端接地，其源端连接第二NMOS管M2的源端，第二NMOS管M2的栅端连接内部偏置电压VBIAS1，第三PMOS管M3的栅端和漏端相连接连第二NMOS管M2的漏端和第四PMOS管的栅端，第三PMOS管M3和第四PMOS管M4的源端连接电源VDD；霍尔元件跨接于第四PMOS管M4的漏端和第四放大器A4的正相输入端之间；第十四电阻R14和第二电容C2串联并跨接于第四放大器A4的输出端和第四PMOS管M4的漏端之间。
霍尔元件的偏置电流大小为：
参考图4，上述调制电路包括两个PMOS管M5和M7，七个NMOS管M6、M8、M9、M10、M11、M12；其中：第五PMOS管M5和第七PMOS管M7的源端连接偏置电流IHall，第五PMOS管M5的漏端和第六NMOS管M6的源端连接霍尔元件的第一端口1，第六NMOS管M6的漏端、第八NMOS管M8的漏端和第十二NMOS管M12的漏端相连作为调制电路的第一输出端输出VHall1，第七PMOS管M7的漏端和第八NMOS管M8的源端连接霍尔元件的第二端口2，第五PMOS管M5、第六NMOS管M6、第七PMOS管M7和第八NMOS管M8的栅端分别连接时钟信号CLK1、CLK2、CLK3和CLK4；第十NMOS管M10和第十二NMOS管M12的源端连接偏置电流IHall，第九NMOS管M9的漏端和第十NMOS管M10的漏端端连接霍尔元件的第三端口3，第九NMOS管M9的源端、第十一NMOS管M11的源端和第十二NMOS管M12的源端相连作为调制电路的第二输出端输出VHall2，第十一NMOS管M11的漏端和第十二NMOS管M12的漏端连接霍尔元件的第四端口4，第九NMOS管M9、第十NMOS管M10、第十一NMOS管M11和第十二NMOS管M12的栅端分别连接时钟信号CLK3、CLK1b、CLK4和CLK2b。
当CLK1为低电平时，CLK2为高电平，偏置电流从第一端口1流入，从第三端口3流出，此时第二端口2电压高于第四端口4电压，因此在CLK4为高电平，CLK3为低电平时，输出的霍尔电压电压差为：
VHall1-VHall4＝V2-V4＝Vmag (3)
当CLK1为高电平时，CLK2为低电平，偏置电流从第二端口2流入，从第三端口3流出，此时第三端口3电压高于第一端口1电压，因此在CLK4为低电平，CLK3为高电平时，输出的霍尔电压电压差为：
VHall1-VHall4＝V1-V3＝-Vmag (4)
其中，Vmag为霍尔元件在恒定偏置电流下穿过同等磁通量所感应出来的电压幅度，可以看出，霍尔电压通过旋转电流法被调制到频率为CLK1的斩波频率上，霍尔元件的失调电压仍为直流输出。
参考图5，上述第一放大器包括包括四个PNP管Q1、Q2、Q3和Q4，两个NPN管Q5、Q6，六个PMOS管M14、M15、M16、M17、M18和M19，四个NMOS管M13、M20、M21、M22，三个电阻R16、R17和R18，两个电容C3、C4，一个放大器A5；其中：第一PNP管Q1的基极作为第一放大器A1的正相输入端VIN1，其集电极连接第二十一NMOS管M21的漏端和第三PNP管Q3的基极，其发射极连接第五NPN管Q5的集电极和第十四PMOS管M14的漏端；第二PNP管Q2的基极作为第一放大器A1的负相输入端VIN2，其集电极连接第二十二NMOS管M22的漏端和第四PNP管Q4的基极，其发射极连接第六NPN管Q6的集电极和第十五PMOS管M15的漏端；第三NPN管Q3的集电极接地，其发射极连接第十六PMOS管M16的漏端，并且作为第一放大器A1的第一输出端VOUT1；第四NPN管Q4的集电极接地，其发射极连接第十九PMOS管M19的漏端，并且作为第一放大器A1的第二输出端VOUT2；第五NPN管Q5的基极连接VOUT1，第六NPN管Q6的基极连接VOUT2，两者的发射极相连的同时连接第十三NMOS管M13的漏端、第五放大器A5的负相输入端；第十三NMOS管M13的栅端连接内部偏置电压VBIAS2，其源端接地；第十八PMOS管的栅漏相连于内部偏置电流IBIAS，并且连接第十六PMOS管M16、第十七PMOS管M17和第十九PMOS管M19的栅端，其源端和第十六PMOS管M16、第十七PMOS管M17和第十九PMOS管M19的源端均连接电源VDD；第二十NMOS管M20的栅漏相连并且连接第二十一NMOS管M21、第二十二NMOS管M22的栅端，其源端和第二十一NMOS管M21、第二十二NMOS管M22的源端均接地；第五放大器的正相输入端连接内部共模电压VCM，其输出端连接第十四PMOS管M14和第十五PMOS管M15的栅端，第十四PMOS管M14和第十五PMOS管M15的源端均接电源VDD；第十六电阻R16跨接于第一PNP管Q1的发射极和第二PNP管Q2的发射极之间；第十七电阻R17和第三电容C3串联并跨接于第一PNP管Q1的发射极和第三PNP管Q3的基极之间；第十八电阻R18和第四电容C4串联并跨接于第二PNP管Q2的发射极和第四PNP管Q4的基极之间。
第一PNP管Q1和第二PNP管Q2为恒定偏置，输入差分电压体现在第十六电阻R16的压降上，输出电压反馈至第五NPN管Q5和第六NPN管Q6构成的差分对结构的输入端，由差分电压产生的差分电流同样体现在第十六电阻R16上，因此该第一放大器的闭环增益为：
该结构的第一放大器作为读出电路的前置放大器，通过较低闭环增益来扩大线性输入范围以及带宽，同时以三极管为输入对管的结构可以降低第一放大器的噪声。
参考图6，上述跨导放大器包括两个NPN管Q7和Q8，两个PMOS管M23和M24，一个NMOS管M25，四个电阻R19、R20、R21和R22，两个电容C5和C6，一个放大器A6；其中：第七NPN管的基极作为跨导放大器Gm的正相输入端，其集电极作为跨导放大器Gm的第一输出端输出VOUT1并且连接第二十三PMOS管M23的漏端，其发射极连接第八NPN管Q8的发射极和第二十五NMOS管M25的漏端；第八NPN管的基极作为跨导放大器Gm的负相输入端，其集电极作为跨导放大器Gm的第二输出端输出VOUT2并且连接第二十四PMOS管M24的漏端；第二十五NMOS管的栅端连接内部偏置电压VBIAS3，其源端接地；第六放大器A6的负相输入端连接第十九电阻R19的一端和第二十电阻R20的一端，第十九电阻R19的另一端连接VOUT1，第二十电阻R20的另一端连接VOUT2，第六放大器A6的正相输入端连接内部共模电压VCM2，其输出端连接第二十三PMOS管和第二十四PMOS管M24的栅端；第二十三PMOS管和第二十四PMOS管M24的源端均接电源VDD；第二十一电阻R21和第五电容C5串联并跨接于第二十三PMOS管的栅端和漏端之间；第二十二电阻R22和第六电容C6串联并跨接于第二十四PMOS管的栅端和漏端之间。
由于第一放大器的闭环增益中Q5的跨导值引入了热电压VT，这是随温度成正比变化的量，会影响整个读出电路增益的温漂特性，采用跨导放大器引入三极管的跨导值来对热电压进行抵消，第一放大器和跨导放大器构成的增益为：
同时跨导放大器可以将差分电压信号转换为差分电流信号，通过第二放大器的负反馈电阻网络，通过对第二放大器的反馈电阻网络以及跨导放大器的尾电流进行设置和修调，从而可以改变传感器整体的灵敏度，同时保证灵敏度具有较低的温漂特性。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，仅是本发明的优选实施方式。本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种高精度的线性霍尔传感器读出电路，其特征在于，包括
霍尔元件、偏置电流、调制电路、第一放大器、跨导放大器、第二放大器、时钟电路、开关电容陷波滤波器和缓冲器；
其中，偏置电流的输出端和霍尔元件的输入端相连，霍尔元件的输出端连接调制电路的输入端，调制电路的输出端连接第一放大器的输入端，第一放大器的输出端连接跨导放大器的输入端，跨导放大器的输出端连接第二放大器的输入端，第二放大器的输出端连接开关电容陷波滤波器的输入端，开关电容陷波滤波器的输出端连接缓冲器的输入端，缓冲器的输出端作为高精度线性霍尔传感器读出电路的输出端；时钟电路的输出端输出fchop时钟信号到调制电路和第二放大器，输出fspin时钟信号到开关电容陷波滤波器；
霍尔元件的偏置电流产生电路包括一个第四放大器A4，三个PMOS管M1、M3和M4，一个NMOS管M2，六个电阻R10、R11、R12、R3、R14、R15，两个电容C1和C2；其中，第十电阻R10和第十一电阻R11串联跨接于电源VDD和第十二电阻R12的一端之间，第十三电阻R13跨接于第十二电阻R12的一端和地之间，第十二电阻R12的另一端连接第四放大器A4的负相输入端；第一电容C1跨接于第四放大器A4的负相输入端和地之间；第十五电阻R15跨接于第四放大器A4的正相输入端和地之间；第四放大器A4的输出端连接第一PMOS管M1的栅端，第一PMOS管M1的漏端接地，其源端连接第二NMOS管M2的源端，第二NMOS管M2的栅端连接内部偏置电压VBIAS1，第三PMOS管M3的栅端和漏端相连接连第二NMOS管M2的漏端和第四PMOS管的栅端，第三PMOS管M3和第四PMOS管M4的源端连接电源VDD；霍尔元件跨接于第四PMOS管M4的漏端和第四放大器A4的正相输入端之间；第十四电阻R14和第二电容C2串联并跨接于第四放大器A4的输出端和第四PMOS管M4的漏端之间；
霍尔元件为具有四个端口的霍尔盘；调制电路采用旋转电流法，包括两个PMOS管M5和M7，七个NMOS管M6、M8、M9、M10、M11、M12；
第五PMOS管M5和第七PMOS管M7的源端连接偏置电流IHall，第五PMOS管M5的漏端和第六NMOS管M6的源端连接霍尔元件的第一端口，第六NMOS管M6的漏端、第八NMOS管M8的漏端和第十二NMOS管M12的漏端相连作为调制电路的第一输出端输出VHall1，第七PMOS管M7的漏端和第八NMOS管M8的源端连接霍尔元件的第二端口，第五PMOS管M5、第六NMOS管M6、第七PMOS管M7和第八NMOS管M8的栅端分别连接时钟信号CLK1、CLK2、CLK3和CLK4；
第十NMOS管M10和第十二NMOS管M12的源端连接偏置电流IHall，第九NMOS管M9的漏端和第十NMOS管M10的漏端连接霍尔元件的第三端口，第九NMOS管M9的源端、第十一NMOS管M11的源端和第十二NMOS管M12的源端相连作为调制电路的第二输出端输出VHall2，第十一NMOS管M11的漏端和第十二NMOS管M12的漏端连接霍尔元件的第四端口，第九NMOS管M9、第十NMOS管M10、第十一NMOS管M11和第十二NMOS管M12的栅端分别连接时钟信号CLK3、CLK1b、CLK4和CLK2b；时钟信号CLK1和CLK2为两相非交叠时钟，CLK1b和CLK2为同相时钟，CLK2b和CLK1为同相时钟，CLK3和CLK4为两相非交叠时钟；
第一放大器A1包括四个PNP管Q1、Q2、Q3、Q4，两个NPN管Q5、Q6，六个PMOS管M14、M15、M16、M17、M18、M19，四个NMOS管M13、M20、M21、M22，三个电阻R16、R17和R18，两个电容C3、C4，一个放大器A5；
第一PNP管Q1的基极作为第一放大器A1的正相输入端VIN1，其集电极连接第二十一NMOS管M21的漏端和第三PNP管Q3的基极，其发射极连接第五NPN管Q5的集电极和第十四PMOS管M14的漏端；
第二PNP管Q2的基极作为第一放大器A1的负相输入端VIN2，其集电极连接第二十二NMOS管M22的漏端和第四PNP管Q4的基极，其发射极连接第六NPN管Q6的集电极和第十五PMOS管M15的漏端；
第三NPN管Q3的集电极接地，其发射极连接第十六PMOS管M16的漏端，并且作为第一放大器A1的第一输出端VOUT1；
第四NPN管Q4的集电极接地，其发射极连接第十九PMOS管M19的漏端，并且作为第一放大器A1的第二输出端VOUT2；
第五NPN管Q5的基极连接VOUT1，第六NPN管Q6的基极连接VOUT2，两者的发射极相连的同时连接第十三NMOS管M13的漏端、第五放大器A5的负相输入端；第十三NMOS管M13的栅端连接内部偏置电压VBIAS2，其源端接地；
第十八PMOS管的栅漏相连于内部偏置电流IBIAS，并且连接第十六PMOS管M16、第十七PMOS管M17和第十九PMOS管M19的栅端，其源端和第十六PMOS管M16、第十七PMOS管M17和第十九PMOS管M19的源端均连接电源VDD；
第二十NMOS管M20的栅漏、第二十一NMOS管M21、第二十二NMOS管M22的栅端连接，其源端和第二十一NMOS管M21、第二十二NMOS管M22的源端均接地；第五放大器的正相输入端连接内部共模电压VCM，其输出端连接第十四PMOS管M14和第十五PMOS管M15的栅端，第十四PMOS管M14和第十五PMOS管M15的源端均接电源VDD；第十六电阻R16跨接于第一PNP管Q1的发射极和第二PNP管Q2的发射极之间；
第十七电阻R17和第三电容C3串联并跨接于第一PNP管Q1的发射极和第三PNP管Q3的基极之间；第十八电阻R18和第四电容C4串联并跨接于第二PNP管Q2的发射极和第四PNP管Q4的基极之间。
2.如权利要求1的一种高精度的线性霍尔传感器读出电路，其特征在于，第二放大器包括五个电阻R1、R2、R3、R4、R5；
其中，第一电阻R1的一端连接第一放大器的正相输入端，另一端连接第三电阻R3和第五电阻R5的一端，第三电阻R3的另一端连接第一放大器的第一输出端；第二电阻R2的一端连接第一放大器的负相输入端，另一端连接第四电阻R4的一端和第五电阻R5的另一端，第四电阻R4的另一端连接第一放大器的第二输出端。
3.如权利要求2的一种高精度的线性霍尔传感器读出电路，其特征在于，缓冲器连接有四个电阻R6、R7、R8、R9；
其中，第六电阻R6跨接在开关电容陷波滤波器的第一输出端和缓冲器的正相输入端之间；第七电阻R7跨接在开关电容陷波滤波器的第二输出端和缓冲器的负相输入端之间；第八电阻R8跨接在缓冲器的负相输入端和输出端之间；第九电阻R9一端连接缓冲器的正向输入端，另一端连接共模电压VCM。
4.如权利要求1的一种高精度的线性霍尔传感器读出电路，其特征在于，跨导放大器Gm，包括两个NPN管Q7和Q8，两个PMOS管M23和M24，一个NMOS管M25，四个电阻R19、R20、R21和R22，两个电容C5和C6，一个放大器A6；
第七NPN管Q7的基极作为跨导放大器Gm的正相输入端，其集电极作为跨导放大器Gm的第一输出端输出VOUT1并且连接第二十三PMOS管M23的漏端，其发射极连接第八NPN管Q8的发射极和第二十五NMOS管M25的漏端；
第八NPN管Q8的基极作为跨导放大器Gm的负相输入端，其集电极作为跨导放大器Gm的第二输出端输出VOUT2并且连接第二十四PMOS管M24的漏端；
第二十五NMOS管的栅端连接内部偏置电压VBIAS3，其源端接地；
第六放大器A6的负相输入端连接第十九电阻R19的一端和第二十电阻R20的一端，第十九电阻R19的另一端连接VOUT1，第二十电阻R20的另一端连接VOUT2，第六放大器A6的正相输入端连接内部共模电压VCM2，其输出端连接第二十三PMOS管和第二十四PMOS管M24的栅端；
第二十三PMOS管和第二十四PMOS管M24的源端均接电源VDD；
第二十一电阻R21和第五电容C5串联并跨接于第二十三PMOS管的栅端和漏端之间；第二十二电阻R22和第六电容C6串联并跨接于第二十四PMOS管的栅端和漏端之间。
5.如权利要求4的一种高精度的线性霍尔传感器读出电路，其特征在于，片内的偏置电流产生电路为霍尔元件提供恒定的偏置电流，当磁场穿过霍尔元件时，会产生相应的霍尔差分电压信号，同时也会产生失调电压和1/f噪声，通过调制电路改变偏置电流流入霍尔盘端口的方向以及输出电压的极性，由霍尔盘产生的霍尔差分电压将以频率为fchop的交流形式输出，而失调电压和1/f噪声仍为直流输出；经过第一放大器放大处理，跨导放大器将霍尔差分电压信号转换为霍尔差分电流信号，经过第二放大器A2的负反馈电阻网络从而又转换成霍尔差分电压信号，同时第二放大器为斩波结构的放大器，可以将频率为fchop的交流电压信号解调回原频带内，并且将霍尔盘产生的失调和1/f噪声以及第一放大器A1、跨导放大器Gm和第二放大器A2存在的失调电压和1/f噪声调制为fchop的交流信号；经过陷波滤波器衰弱频率为fshin及周围频带内的信号，fshin与fchop设置成相同频率信号，将被放大后的霍尔差分电压信号纹波滤除；最后通过滤波器将差分信号转换为单端输出电压，同时可以设置输出电压的共模电平。
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