CN114124074A - 一种霍尔元件失调电压的消除装置及消除方法 - Google Patents

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闫洁
周宇飞
邹治弢
高亦彤
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    • H—ELECTRICITY
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    • H03D3/00—Demodulation of angle-, frequency- or phase- modulated oscillations

Abstract

本发明涉及一种霍尔元件失调电压的消除装置及方法，包括：1）霍尔元件，输出电压信号；2）信号调制电路，对输入的霍尔电压信号进行调制；3）斩波运放，对调制的霍尔信号进行斩波；4）时钟电路，与信号调制电路与斩波运放相连；5）滤波电路，对斩波运放输出的高频失调信号进行滤波，输出精确的霍尔电压信号。通过调制电路，将霍尔元件产生的不需要的失调信号在频域中与磁场电压分离，随后的解调将磁场电压恢复至基带；同时，直流失调被调制成为高频信号，磁场电压可以通过后续的低通滤波器，而经调制的失调电压则被抑制，最终保证有用信号精确输出。本发明有益效果：利用斩波技术调制霍尔信号，有效降低霍尔传感器的输入噪声、失效电压，提升霍尔传感器的性能。

Description

一种霍尔元件失调电压的消除装置及消除方法
技术领域
本发明涉及霍尔传感器领域，具体涉及一种霍尔元件失调电压的消除装置及消除方法。
背景技术
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，其因低成本、低功耗、占地面积小等诸多优点，被广泛应用于多个领域中。其中的霍尔元件具有结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，线性度好等优点。然而，霍尔传感器产生的霍尔电压极其微弱，系统中有存在较大的失调电压和噪声，消除失调和噪声的技术显得十分关键。
随着MEMS技术的不断发展，人们逐渐关注高性能霍尔传感器的研究。霍尔传感器的失调主要来源于两个方面：后级信号处理电路的失调电压、霍尔盘的失调电压。相比于信号处理电路检测的电压，其失调电压更大，易将霍尔电压遮盖。因此，如要精确识别霍尔电压，必须采取有效的措施消除霍尔元件的失调电压。
经过对现有专利检索，中国专利《一种用于霍尔传感器的八相旋转电流电路》(专利号：CN201710376518.9)，采用的是基于电流输出模式的八相旋转电流电路及其动态失调消除方法，该方法使用一个霍尔元件就能消除失调电压，结构简单，但后级信号处理电路中的噪声没有进行抑制，不适用于制造高精度的霍尔传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种霍尔元件失调电压的消除装置，有效解决霍尔传感器的失调电压问题，提高精度。
发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
基于对信号的调制解调作用，通过调制，将不需要的失调信号在频域中与磁场电压分离，随后的解调将磁场电压恢复至基带。同时，直流失调被调制成为高频信号。磁场电压可以通过后续的低通滤波器，而经调制的失调电压则被抑制，最终保证有用信号精确输出。
高频率的斩波操作可以有效衰减信号处理电路中放大器的闪烁噪声和偏移，实现更高的采样率，从而达到更高的精度和更快的信号处理速度。
霍尔元件是敏感元件的关键组成部分，基于霍尔效应感应磁场产生的霍尔电压，是敏感元件输出信号的源头所在。霍尔元件的材质对霍尔效应影响巨大，除此之外，霍尔元件的几何形状对其性能也起着至关重要的作用。为了对磁场更均匀地感应，便于后级电路进一步信号处理，CMOS工艺的霍尔元件设计成十字交叉型的对称型结构。
斩波运放的输入级是一个具有差动输入和差动输出的相对传统的跨导放大器。斩波开关可以进行输入和输出正负极的换向，且换向是同步的。由于差动输入和输出同时换向，开关网络会在输出电容上产生恒定的信号。
跨导放大级的失调电压存在于输入开关网络，它被输出开关反向并周期性地传送到输出端。失调电压引起的输出电流会导致输出电容两端产生电压，且该电压会随着开关的换向以相同斜率上升或下降。运放内部逻辑通过平衡上升和下降时间来确保电容输出电压为零，从而实现零失调。
由于1/f（闪烁）噪声是一个缓慢的时变失调电压，斩波技术其实也抑制了这种低频范围内噪声谱密度的增加。将基带信号推移到斩波频率的范围，超过输入级的1/f频率范围。
本发明的有益效果是：利用本发明斩波技术调制霍尔信号，可以有效降低霍尔传感器的输入噪声、失效电压，同时提升霍尔传感器的性能。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的调制电路框图；
图2是本发明的解调电路框图；
图3是本发明的结构示意图；
图4是本发明十字交叉型霍尔元件的示意图；
图5是本发明斩波运放的输入级示意图；
图6是本发明斩波技术的电路模型；
图7是本发明斩波技术的时域表示；
图8是本发明斩波技术的频域表示。
具体实施方式
为使对本发明的结构特征有更进一步的认识，下面结合附图和实施例配合详细的说明，但本发明并不限于具体实施例。
在测量系统中，除了传感器输出的有效信号外，还有各种噪声和失调电压。而传感器的输出信号一般非常微弱，将有效信号从含有噪声的信号中分离出来，是异常重要的。为了便于区别有效信号与噪声，要对被测信号赋予一定特征，即是对其进行调制。调制即是用一个信号去控制另一个作为载体的信号，让后者的某一特征参数按照前者变化。常以高频正弦信号作为载体，称为载波信号，用来改变载波信号的某一参数，比如幅值、频率的信号称为调制信号。
被测信号即为调制信号，经过调制的载波信号就是已调信号解调是相反的过程，即是从已调信号中，恢复出原信号，将它和噪声分离、放大。图1和图2分别是调制过程和解调过程的原理框图。其中，是调制信号，是载频信号，是已调信号。
对于理想的霍尔元件，施加磁场强度为零时，输出的霍尔电压应该为零。但由于几何结构不对称、制造工艺误差、压阻效应等原因，使得霍尔元件在零磁场会产生一个电压值，即失调电压。本发明通过调制电路，将不需要的失调信号在频域中与磁场电压分离，随后的解调将磁场电压恢复至基带。同时，直流失调电压被调制成高频信号。磁场电压可以通过后续的低通滤波器，而经调制的失调电压则被抑制，最终保证有用信号精确输出。高频率的斩波操作可以有效衰减信号处理电路中的闪烁噪声和偏移，从而达到更高的精度。
如图3所示，是本发明斩波调制电路的结构示意图，
霍尔元件是敏感器件的关键组成部分，基于霍尔效应感应磁场产生的霍尔电压。霍尔元件的材质对霍尔效应影响巨大，同时，霍尔元件的几何形状对其性能有着至关重要的作用。为了确保均匀地感应磁场，便于后级电路进一步信号处理，CMOS工艺的霍尔元件将设计成十字交叉型的对称型结构，如图4所示，是霍尔元件的示意图。
图5是斩波运放的输入级，是一个具有差动输入和差动输出的相对传统的跨导放大器。斩波开关完成输入和输出正负极的换向，输入和输出的换向是同步的。由于差动输入和输出同时换向，开关网络将在电容C1上产生恒定的信号。跨导放大级的失调电压存在于输入开关网络，它被输出开关反向并周期性地传送到输出端。失调电压引起的输出电流会导致电容C1两端产生电压，这个电压会随着换向开关的换向而以相同斜率上升和下降。运放内部逻辑通过平衡上升和下降时间来保证电容C1输出电压为零，从而实现零失调。
如图6~8所示，输入低频信号Vin在斩波运放中主要经过
Figure DEST_PATH_IMAGE002
~
Figure DEST_PATH_IMAGE004
五个步骤进行斩波。
如图6所示， Vin为输入信号，fch为斩波频率，经第一级斩波后，时域上转换为频率为fch的方波（图7的步骤
Figure DEST_PATH_IMAGE006
），频域上被调制到fch和它的奇次谐波（图7的步骤
Figure DEST_PATH_IMAGE008
）。调制信号和斩波运放低频误差叠加（图6的步骤
Figure 750652DEST_PATH_IMAGE008
）后被放大，此时，斩波运放的输入端和输出端包含高频的调制信号和低频误差。可以发现，原始信号的频谱被搬移到频率较高的载频附近（图6的步骤
Figure DEST_PATH_IMAGE010
和图7的步骤
Figure 497154DEST_PATH_IMAGE010
），达到了调制的目的。然后，第二级斩波将调制信号重新解调到低频，低频误差则被调制到高频（图6和图7的步骤
Figure DEST_PATH_IMAGE012
）。最后，高频的调制误差则可以通过滤波器滤除，从而降低了斩波运放的输入失调和噪声，得到了高精度的输出信号Vout。此处，低频误差是指斩波运放的输入失调电压和闪烁噪声。
采用一般的霍尔元件搭配普通信号处理电路，测量其精度和线性度。再采用本发明设计的霍尔元件和本发明的斩波调制电路组成的电流传感器，测量其精度和线性度，对比二者，传感器试验前后的数据如表1所示。
表1 试验对比数据
测试参数 普通信号处理电路 采用本发明
精度 ＜0.5% ＜0.3%
线性度 ＜0.3% ＜0.1%
如表1所示，可以发现采用本发明设计出来的霍尔电流传感器具有高精度、低失调的特性，提升了传感器的性能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (2)

1.一种霍尔元件失调电压的消除装置，其特征在于包括：
1）霍尔元件，输出电压信号；
2）信号调制电路，对输入的霍尔电压信号进行调制；
3）斩波运放，对调制的霍尔信号进行斩波；
4）时钟电路，与信号调制电路与斩波运放相连；
5）滤波电路，对斩波运放输出的高频失调信号进行滤波，输出精确的霍尔电压信号。
2.采用权利要求1的一种霍尔元件失调电压的消除装置消除失调电压的方法，其特征在于包括以下步骤：
基于对信号的调制解调作用，通过调制电路，将霍尔元件产生的不需要的失调信号在频域中与磁场电压分离，随后的解调将磁场电压恢复至基带；
同时，直流失调被调制成为高频信号，磁场电压可以通过后续的低通滤波器，而经调制的失调电压则被抑制，最终保证有用信号精确输出；
高频率的斩波操作可以有效衰减信号处理电路中放大器的闪烁噪声和偏移，实现更高的采样率，从而达到更高的精度和更快的信号处理速度；
斩波运放的输入级是一个具有差动输入和差动输出的相对传统的跨导放大器；
斩波开关可以进行输入和输出正负极的换向，且换向是同步的；
由于差动输入和输出同时换向，开关网络会在输出电容上产生恒定的信号；
跨导放大级的失调电压存在于输入开关网络，它被输出开关反向并周期性地传送到输出端，失调电压引起的输出电流会导致输出电容两端产生电压，且该电压会随着开关的换向以相同斜率上升或下降；
运放内部逻辑通过平衡上升和下降时间来确保电容输出电压为零，从而实现零失调；
由于1/f噪声是一个缓慢的时变失调电压，斩波技术其实也抑制了这种低频范围内噪声谱密度的增加；
将基带信号推移到斩波频率的范围，超过输入级的1/f频率范围。
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