CN114608622B - 一种集成温度校准的片上电磁传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电磁传感器技术领域，具体提供一种集成温度校准的片上电磁传感器，用以解决现有片上电磁传感器中面临的温度影响灵敏度与使用寿命的问题。本发明在CMOS工艺下实现了温度传感器与电磁传感器的全集成设计，并且，温度传感器产生低功耗温度感应PTAT基准电流，并作为霍尔传感器偏置电流使其与温漂电流抵消，有效降低温度对电磁感应电压的影响，即实现霍尔传感器的温度校准；同时，采用环形振荡器在PTAT电流驱动下输出PTAT感应频率，并作为时钟处理电路的内部时钟信号，既能节约外部晶振，又能实现开关电容低通滤波器的温度自适应滤波；另外，温度传感器与电磁传感器增加PD控制端，实现断电芯片保护。

Description

一种集成温度校准的片上电磁传感器
技术领域
本发明属于电磁传感器技术领域，具体提供一种集成温度校准的片上电磁传感器。
背景技术
传感器技术、通信技术和计算机技术是组成信息技术的三大基础技术，而传感技术作为信息技术的最前端技术，一直是历代科研工作者研究的重点课题。集成传感器具有体积小、成本低等特点，受到当今市场的亲睐；在一些芯片应用中，电磁传感器以其小巧的体积、低廉的成本以及出众的性能，被广泛地应用于工业控制、医疗器械、智能仪器仪表以及汽车等领域，实现电流、速度、角度和位置等测量功能。
现有CMOS全集成电磁检测传感器如图1所示，其采用CMOS工艺实现了电磁传感器的芯片全集成，具体包括：霍尔传感器、旋转电流电路、仪表运算放大器、低通滤波器和时钟处理电路，其中，所述旋转电流电路采用调制的方法将失调和噪声调制到高频信号处，用于消除所述霍尔传感器的电磁感应失调；所述仪表运算放大器用于提高电路的带负载能力；所述RC低通滤波器用于实现电路的低通滤波；所述时钟处理电路用于输出高电平不重叠的波形的时钟，防止旋转电流电路中开关的同时导通产生的影响。
更为具体的讲，上述前端CMOS线性霍尔电磁感应器件如图2所示，采用重掺杂的N-Well作为器件的有源区，高掺杂的N+作为器件的四个电极；用一层P型掺杂区来覆盖器件的有源区，减少闪烁噪声和表面损耗；由于CMOS传感器与CMOS工艺兼容，可以实现将霍尔电磁感应器与信号调理电路集成在一个芯片上，形成一个片上系统，这样能够减小了面积，节约成本；其工作原理当电流通过被垂直放置于磁场中的霍尔电磁感应器件时，载流子受到洛伦兹力的作用，方向发生改变，这种现象叫做霍尔效应，载流子的聚集会残剩感应霍尔电；一般情况下，霍尔传感器有四个电极，一对用来加偏置电流，另一对用来感应霍尔电压。
上述旋转电流电路、仪表运算放大器与低通滤波器如图3所示；选用两相旋转电流，S2和S1为时钟互补信号控制的开关，其工作方式为当S2关断，电流由H1端流向H3端，如果器件没有任何失调，将会在H2和H4端输出霍尔感应电压VH：
VH＝VH2-VH4＝0 (1)
但是往往存在一定的偏差，实际无磁场穿过时，输出不为零；假设磁场垂直向内穿过器件，S2关断，由于H2和H4端处存在电阻ΔR，导致H2点电位大于VDD/2，当磁场穿过平面时电流由H1流向H3端，在洛伦兹力的作用下，产生霍尔电压：
当S1关断时，电流由H2端流向H4端，受磁场作用产生霍尔感应电势：
所以S2打开时VO为VH-VΔR，S1打开时VO为-VH-VΔR；这样霍尔感应电压被斩波成幅度为VH、周期为输入时钟信号的周期性信号，失调为低频信号；同理，经过运放输出的霍尔信号被仪表运放放大后，通过运放和单位增益间的解调器变成低频信号，把噪声、霍尔元件及运放失调调制到高频；通过RC低通滤波器实现感应信号的读取及滤波。
上述具有高共模抑制比仪表运放对感应电压进行放大，在设计时经常使输出级运放的反馈电阻与输入级反馈电阻R2、R3相等，也就是说输出增益为1，所以该电路的闭环增益Ad为：
由于旋转电流和解调器需要数字方波控制，因此该电路结构需要外部晶振为芯片提供一个时钟，如图4所示为时钟处理电路，由外部晶振提供参考时钟，经内部反相器与或非门组成输出高电平不重叠的非交叠时钟信号。
上述CMOS全集成电磁检测传感器基于霍尔传感器实现了电磁传感器的芯片全集成，但仍然存在如下缺点：
1)需要采用外部时钟信号，外部需要提供晶振参考信号，而且高品质晶振会额外增加成本；
2)霍尔传感器本身为半导体材料，其载流子浓度会随外界环境温度的变化而变化，在磁场强度不变，输出感应电压会随着温度升高而改变，导致传感器灵敏度受温度影响严重。
3)当温度过高时，芯片仍在工作会导致芯片损坏，传统结构在高温环境下工作会损害芯片使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于针对现有片上电磁传感器中面临的温度影响灵敏度与使用寿命的问题，提供一种集成温度校准的片上电磁传感器；本发明在CMOS工艺下实现了温度传感器与电磁传感器的全集成设计，并且，温度传感器产生低功耗温度感应PTAT(与绝对温度成正相关)基准电流，并作为霍尔传感器(电磁传感器)偏置电流使其与温漂电流抵消，有效降低温度对电磁感应电压的影响，即实现霍尔传感器的温度校准(补偿)；同时，采用环形振荡器在PTAT电流驱动下输出PTAT感应频率，并作为时钟处理电路的内部时钟信号，既能节约外部晶振，又能实现开关电容低通滤波器的温度自适应滤波；另外，温度传感器与电磁传感器增加PD控制端，实现温度监测反馈，当温度超过安全温度上限时，实现断电芯片保护。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种集成温度校准的片上电磁传感器，包括：温度传感电路与电磁传感电路；其中，所述电磁传感电路包括：霍尔传感器、旋转电流正交调制模块、仪表放大器、低通滤波器、时钟处理电路及单位增益输出模块，其特征在于，所述温度传感电路包括：温度传感器、环形振荡器、信号整形电路及频率数字转换器；所述温度传感器采用自偏置电流源，所述自偏置电流源输出PTAT电流至霍尔传感器的电流偏置端与环形振荡器的电流偏置端，所述环形振荡器输出PTAT感应频率至信号整形电路与时钟处理电路，所述时钟处理电路将PTAT感应频率作为内部时钟信号，所述信号整形电路将PTAT感应频率整形为PTAT感应方波，所述PTAT感应方波经由频率数字转换器输出温度表征数字码。
进一步的，所述低通滤波器采用开关电容低通滤波器，开关电容低通滤波器的控制信号由时钟处理电路提供。
进一步的，所述霍尔传感器与温度传感器还设置有PD控制端，根据温度传感电路的温度监测反馈以实现传感器的过温断电保护功能。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种集成温度校准的片上电磁传感器，实现在CMOS工艺下的温度传感器与电磁传感器全集成设计，并增加PD控制端，基于温度监测反馈，当温度超过安全温度上限时，实现过温断电保护功能；并且，霍尔传感器件采用额外的由温度传感器产生的PTAT电流注入，使其与霍尔传感器自身的温漂电流抵消(PTAT电流与霍尔传感器温漂电流在同一量级)，从电磁感应器本身降低温度对感应电压的影响，实现温度补偿效果；同时，根据PTAT电流得到的PTAT频率信号也用于作为内部时钟为时钟处理电路提供内部偏置，节省了片外晶振的使用。另外，由于温度升高，热噪声会变高，为了提高噪声滤波效果，需要在高温时能够实现自适应低通滤波效果；因此，本发明采用开关电容滤波器，利用温度传感器生成的与温度成比例的时钟信号控制开关切换，实现全温度下的自适应滤波，有效改善温度对输出电磁传感信号的影响；而且实现相同的滤波效果，开关电容滤波电路所使用的芯片面积会远小于RC滤波电路。
综上，本发明具有如下优点：
1、本发明采用了温度传感器与电磁传感器CMOS全集成，一方面实现了片上温度检测，另一方面也实现了温度校准的片上电磁传感器设计；
2、本发明采用了温度传感器输出的PTAT电流为霍尔传感器增加额外的电流偏置，使其与霍尔传感器件自身的温漂抵消，实现了温度补偿，提高了电磁传感灵敏度；
3、本发明在电路上利用温度传感器产生的信号，替换了外部晶振的时钟源，相比现有发明，节省了外部晶振；
4、本发明在电路上采用频率复用技术，电磁传感的后级处理电路所需要的时钟信号均基于温度传感产生的PTAT感应频率进行提供，并且利用开关电容滤波器实现在不同温度下的自适应滤波，同时节省了芯片面积。
附图说明
图1为现有CMOS全集成电磁检测传感器结构示意图。
图2为图1中电磁检测传感器中CMOS线性霍尔电磁感应器的结构示意图。
图3为图1中电磁检测传感器中正交调制(旋转电流电路)、仪表运算放大器与低通滤波器的电路原理图。
图4为图1中电磁检测传感器中时钟处理电路的电路原理图。
图5为本发明集成温度校准的片上电磁传感器的结构示意图。
图6为本发明实施例中温度传感电路的温度传感器、环形振荡器、信号整形电路的电路原理图。
图7为本发明实施例中温度传感电路的环形振荡器的结构示意图。
图8为本发明实施例中温度传感电路的频率数字转换器(FDC)的电路原理图。
图9为本发明实施例中温度传感电路的频率数字转换器的计数器的电路原理图。
图10为本发明实施例中温度传感电路的温度传感误差结果图。
图11为本发明实施例中电磁传感电路的时钟处理电路的原理图。
图12为本发明实施例中电磁传感电路的开关电容低通滤波器的电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种集成温度校准的片上电磁传感器，如图5所示，包括：温度传感电路与电磁传感电路；其中，所述电磁传感电路包括：霍尔传感器、旋转电流正交调制模块、仪表放大器、低通滤波器、时钟处理电路及单位增益输出模块，所述温度传感电路包括：温度传感器、环形振荡器、信号整形电路及频率数字转换器；所述温度传感器采用自偏置电流源，所述自偏置电流源输出PTAT电流至霍尔传感器的电流偏置端与环形振荡器的电流偏置端，所述环形振荡器输出PTAT感应频率至信号整形电路与时钟处理电路，所述时钟处理电路将PTAT感应频率作为内部时钟信号，所述信号整形电路将PTAT感应频率整形为PTAT感应方波，所述PTAT感应方波经由频率数字转换器输出温度表征数字码；进一步的，所述低通滤波器采用开关电容低通滤波器，开关电容低通滤波器的控制信号由时钟处理电路提供；所述霍尔传感器与温度传感器还设置有PD控制端(Power Down、掉电控制端)，使整个系统处于初始化状态，避免后面的电路失控，用以实现传感器的过温断电保护功能。
从工作原理上讲：
本发明中，温度传感部分采用了SBCS(自偏置电流源、Self-Biased CurrentSource)结构，产生PTAT(与绝对温度成正相关、Proportional To Absolute Temperature)电流，由该电流驱动5阶环形振荡器的尾电流源，通过控制负载电容，输出与温度相关的感应频率，并通过信号整形电路输出可供FDC(频率数字转换器、Frequency-to-DigitalConverter)识别的感应方波，最终输出数字码表征芯片温度；
上述温度传感器采用低功耗设计，使PMOS工作在亚阈值区，产生nA级别的PTAT电流，特别适用于集成在对功耗限制的电路中，由于低功耗PTAT电流与霍尔传感器因温度影响产生的温漂电流在同一量级，因此将PTAT电流注入霍尔传感器的偏置电路可以实现温度补偿。
电磁传感部分采用了如图1所示的结构，在CMOS线性霍尔传感器件电流偏置端额外引入PTAT电流作为温度补偿电流；同样采用旋转电流法(正交调制模块)，设计了仪表运放，抑制了霍尔器件带来的直流失调电压，并对感应信号进行放大；因热噪声信号会随着温度的升高而增加，因此当温度升高时候，为了进一步降低噪声影响，利用温度传感器的频率输出为正交调制模块提供可变频率控制，将噪声信号搬移至更高频率处，同时低通滤波(LPF)采用开关电容滤波器，利用前述温度输出的频率信号，就可以实现在不同温度下的自适应滤波；另外，本发明在时钟处理电路部分采用温度传感器输出频率作为内部时钟，节省了外部晶振的使用。
更为具体的讲：
(1)温度传感前端模拟电路
本发明的温度传感模拟电路部分采用自偏置电流源(SBCS)输出低功耗电流，该电流低功耗为PTAT电流、且为5阶环形振荡器提供偏置，通过控制负载电容输出PTAT感应频率，该PTAT感应频率信号通过整形电路输出可供FDC识别的感应方波信号，最终输出数字码表征芯片温度。
所述自偏置电流源如图6所示，其核心为图中互相关联的晶体管M3和M4，在此称为自级联MOSFET；本发明使用的是二极管连接方式的SCM，当晶体管M3工作在饱和区，晶体管M4工作在线性区时，输出电压VTemp可以由公式VTemp＝VTln(n)＝kT/qln(n)得出，其正比于环境温度；晶体管M4可以用等效电阻代替，但是使用晶体管会更好，因为电阻器会占用大量裸片面积，并且对工艺变化敏感；
如上所述，节点Y处为上述PTAT输出电压VTemp，由图6晶体管M3、晶体管M4组成的自级联MOSFET实现，其中，晶体管M3、晶体管M4工作在弱反型区；晶体管M6到晶体管M11组成电流传输器，实现将节点Y处的电压传输到节点X，这样节点X处电压和VTemp相等，其正比于环境温度；晶体管M1、晶体管M2实现电压-电流转换，输出PTAT电流；晶体管M8和晶体管M9是低压共源共栅器件，用于改善电源调节；PMOS器件M5和晶体管M12为单位增益电流镜，用于较小的功耗；
上述SBCS在-50至130℃的温度范围内输出近似与绝对温度成正比(PTAT)的电流，且输出电流范围在nA级别，在满足驱动后级5阶环形振荡器的要求下功耗较低，实现了低功耗设计的要求。
所述5阶环形振荡器如图7所示，环形振荡器的输出信号频率fOSC如公式(5)所示：
其中，N为环振的阶数、VDD为电源电压、C为负载电容，I为支路流过的电流；
在本发明中，当支路电流I与温度相关，那么环形振荡器输出的频率也与温度相关；
由于环形振荡器输出波形不是规则方波，直接进入后级数字电路会产生误判；所以本发明中添加波形整形电路，其输出为标准方波，方便后续数字电路操作。
所述FDC数字电路如图8所示，温度传感器启动后，感温电路输出频率随温度变化的信号；参考计数器对参考时钟fREF(可为外部晶振或者输入参考频率)进行计数，输出一个选通脉冲信号；计数器在该选通脉冲内对随温度变化的时钟fTEMP进行计数，便可完成温度信号的量化，量化后的温度信息可以由MCU处理，也可以通过编码形成以摄氏度为单位的数字码；
进一步的，本实施例中N位计数器如图9所示，清零信号作为使能端，输入信号位选通时间窗，在高电平期间，对时间窗内的信号fTEMP进行计数；第P位D锁存器的Q端作为第P+1位D锁存器的CLK输入端，每一次上升沿过来，计数器输出实现加一，最终输出的24位数字码，利用前述所述的D锁存器组成24位的寄存器，对输出的数字信息进行锁存。
最终，本实施例中温度传感电路的温度传感测量误差如图10所示，由图可见，在全温度范围内，测量误差最大值不超过2℃，具有很好的测温性能。
(2)电磁传感前端模拟电路
本实施例中采用如图2所示的CMOS线性霍尔电磁感应器、如图3所示的旋转电流正交调制模块与仪表放大器模块；而在低通滤波电路中，采用开关电容低通滤波器代替RC低通滤波器，一方面可以节省电阻面积，另一方面可以利用温度传感电路输出的PTAT频率进而复用而实现自适应低通滤波。
所述时钟处理电路如图11所示，由温度传感电路产生的PTAT感应频率作为内部时钟信号，省掉了外部晶振的使用；进一步时钟信号经过非交叠时钟电路，利用门级电路之间的延迟，输出高电平不重叠的波形的时钟，防止开关的同时导通产生不必要的影响。
所述低通滤波器采用开关电容滤波器，如图12所示；一方面，利用开关电容电路来模拟电阻的好处之一是大大节省面积；另一方面，对温度传感器输出的PTAT感应频率进行频率复用，可以实现温度自适应低通滤波，其输出低通拐点会随着调制信号频率的改变而跟随改变，使得信号带宽内的噪声保持极低值；
在时钟的控制下，两个开关S3、S4周而复始地闭合与断开，在一个时钟周期T以内(假定没有寄生电容)，从V1流到V2的电荷量等于C(V1-V2)；因此，电路中流向V2的平均电流Iavg为：
由此，可推导出开关电容的等效模拟电阻Requ为：
该滤波器的时间常数τ＝ReqC2＝TC2/C1，因此，只需提供精度足够的时钟作为开关信号，就可以无需调谐直接实现高精度的滤波特性；那么，在本发明中，因为温度传感电路会输出与温度成正相关的时钟频率，基于此采用频率复用技术，采用与温度成正相关的时钟控制开关S3、S4，实现全温度下的自适应滤波，进而改善温度对输出传感信号的影响。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (1)

1.一种集成温度校准的片上电磁传感器，包括：温度传感电路与电磁传感电路；其中，所述电磁传感电路包括：霍尔传感器、旋转电流正交调制模块、仪表放大器、低通滤波器、时钟处理电路及单位增益输出模块，其特征在于，所述温度传感电路包括：温度传感器、环形振荡器、信号整形电路及频率数字转换器；所述温度传感器采用自偏置电流源，所述自偏置电流源输出PTAT电流至霍尔传感器的电流偏置端与环形振荡器的电流偏置端，所述环形振荡器输出PTAT感应频率至信号整形电路与时钟处理电路，所述时钟处理电路将PT AT感应频率作为内部时钟信号，所述信号整形电路将PTAT感应频率整形为PTAT感应方波，所述PTAT感应方波经由频率数字转换器输出温度表征数字码；所述低通滤波器采用开关电容低通滤波器，开关电容低通滤波器的控制信号由时钟处理电路提供；所述霍尔传感器与温度传感器还设置有PD控制端，根据温度传感电路的温度监测反馈以实现传感器的过温断电保护功能。
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