CN114689090A - 一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法及电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法及电路。该电路包括状态调节电路、控制模块、模拟开关、多个并行霍尔条、可调电阻、放大电路和减法电路。状态调节电路用于调节霍尔条的霍尔电阻值；放大电路用于放大霍尔电压；减法电路用于将放大后的霍尔条输出电压与可调电阻两端的电压做差。控制模块用于控制模拟开关，实现测试电流不同路径的选择，并对减法电路的输出电压进行采样，然后进行峰值检测，与期望的霍尔条反常霍尔电压进行均方根误差计算，根据均方根误差计算结果来自适应调整可调电阻值大小。本方法有效的补偿了霍尔条输出端位置偏移导致的输出偏置，有助于解决器件一致性导致的应用困难等问题。

Description

一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法及电路
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法及电路。
背景技术
霍尔条的生长制作过程包括光刻和套刻两种不同的工艺，这两种工艺在加工过程中都需要使用到掩模版，而掩模版的性能直接决定了光刻和套刻的加工质量，进而影响霍尔条结构的规整。如果采用硬质掩模版结构，会导致霍尔条加工过程的精度难以把握，出现器件结构不完整或光刻、套刻的图案不对应等问题，最终导致成品的霍尔条出现输出端位置偏移。
霍尔条的输出端位置偏移，会造成对应的霍尔电阻值偏离原定的设计目标。使得在应用了霍尔条的电路中，输出结果存在一个系统误差，不利于霍尔条的应用。并且，提高制作过程的精度比较困难，因此在制作完成后针对输出端位置偏移的问题，设计一种自适应调整方法是十分有必要的。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法及电路，通过可调电阻补偿霍尔电阻值的偏移量，解决由于输出端位置偏移带来的系统误差。
一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法，具体包括以下步骤：
步骤1、在霍尔条阵列的输入端施加调节信号，调节霍尔条阵列的霍尔电阻值至最大值与最小值。撤去调节信号后，再施加测试信号，根据输出端的电压计算得到霍尔电阻值的最大值Rmax与最小值Rmin。
作为优选，所述调节信号为幅值大于霍尔条阵列临界电流的正向及负向脉冲电流信号，通过保持一定的施加时间，调节霍尔电阻值至最大值与最小值。所述测试信号为幅值小于霍尔条阵列临界电流的电流信号。
步骤2、根据步骤1得到的霍尔电阻值的最大值Rmax与最小值Rmin，计算该霍尔条阵列的反常霍尔电阻值RAHE和输出偏置电阻值ΔR：
RAHE＝(Rmax-Rmin)/2
ΔR＝(Rmax+Rmin)/2-R0
其中，R0表示一般霍尔电阻值。
步骤3、在霍尔条阵列的输入端串联一个可调电阻，然后根据步骤2的计算结果，将可调电阻的电阻值设置为ΔR+R0。
步骤4、同时向霍尔条阵列的输入端和可调电阻施加一个测试信号，然后采集霍尔条阵列的输出端电压与可调电阻两端的电压相互比较，得到差值电压信号。
作为优选，将霍尔条阵列的输出端电压经过放大电路放大后，再与可调电阻两端的电压进行比较。
步骤5、对步骤4得到的差值电压信号进行峰值检测，然后与期望理想信号进行均方根误差计算。所述期望理想信号为霍尔条阵列的反常霍尔电阻值与步骤4中测试电流的乘积。
步骤6、当步骤5计算得到的均方根误差大于设定阈值时，调整可调电阻的电阻值，并重复步骤4、5，直至均方根误差小于设定阈值，完成对霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿。
一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿电路，包括控制模块、调节模块、测试模块、减法模块和自适应模块。
所述自适应模块包括一个与可调电阻串联的霍尔条阵列。调节模块用于向霍尔条阵列的输入端施加调节信号，调节霍尔条阵列的霍尔电阻值大小。测试模块用于向向霍尔条阵列的输入端和可调电阻施加同等大小的测试信号。减法模块用于实现霍尔条阵列的输出端电压与可调电阻两端的电压比较，得到差值电压信号。控制模块对减法模块输出的差值电压信号进行采样，然后与期望理想信号进行均方根误差计算。
作为优选，还包括放大电路，用于对霍尔条阵列的输出端电压进行放大，然后再输入减法模块。
作为优选，还包括选择模块和多个自适应模块。所述选择模块用于根据控制模块的信号，选择测试信号输入哪个自适应模块。
本发明具有以下有益效果：
本发明针对霍尔条输出端位置偏移，导致的霍尔电阻值偏大的问题，设计了自适应调整的补偿方法及电路，通过循环迭代，调整与霍尔条串联的可调电阻的电阻值，使其逼近ΔR+R0，最终令测量得到的霍尔电阻值更加精确，弥补了制作工艺不足带来的缺陷。
附图说明
图1为霍尔条输出端位置偏移示意图；
图2为一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法流程图；
图3为一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿电路示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
实施例1
如图1所示，由于制作过程中精度把控不准，霍尔条的输出端容易出现位置偏移，并不呈完美的十字型结构，从而导致霍尔电阻值偏大的现象。为了解决这个问题，本申请提出了一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法，与配合该方法的补偿电路。
如图2所示，一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法，具体包括以下步骤：
步骤1、在霍尔条阵列的输入端施加调节信号，对霍尔电阻值进行调节。在本实施例中，所述调节信号为恒定周期为1ms、占空比为30us、幅值大于霍尔条阵列临界电流的正向与负向脉冲电流信号，并保持一定的施加时间，使得霍尔条阵列的霍尔电阻值被调节至最大与最小。在调节霍尔电阻值的过程中，可以在平行于该脉冲电流信号的方向上施加一个面内辅助磁场，该面内辅助磁场强度不小于霍尔条阵列的磁滞回线的矫顽力，可以辅助霍尔电阻值的改变。
撤去调节信号后，再施加测试信号，根据输出端的电压计算得到霍尔电阻值的最大值Rmax与最小值Rmin。在本实施例中，所述测试信号为频率为107Hz、峰峰值为1mA的正弦波信号。
步骤2、霍尔电阻Rxy的理论计算公式为：
Rxy＝ΔR+R0+RAHE*mz/Ms
其中，ΔR为偏置电阻，R0为一般霍尔电阻，RAHE为反常霍尔电阻，Ms为饱和磁化强度，mz为当前磁矩在z轴方向上的分量。一般霍尔电阻R0由一般霍尔效应导致的，仅与载流子密度有关。反常霍尔电阻RAHE受反常霍尔效应的影响，在给霍尔条通电荷流时，大部分电荷流会流至重金属层，由于重金属层强的自旋轨道耦合作用，会激发产生自旋霍尔效应产生自旋流，在磁性层界面发生自旋积累，进而改变相应的磁矩，从而影响磁矩在z轴方向上的分量mz，霍尔条输出端信号只与反常霍尔效应有关，自旋霍尔效应和普通霍尔效应不同方向自旋电子数目是一样的，不存在电势差。当霍尔条磁矩完全向上时，mz/Ms＝1，当霍尔条磁矩完全向下时，mz/Ms＝-1，因此有：
Rmax＝ΔR+R0+RAHE
Rmin＝ΔR+R0-RAHE
根据步骤1得到的霍尔电阻值的最大值Rmax与最小值Rmin，可以计算该霍尔条阵列的反常霍尔电阻值RAHE和输出偏置电阻值ΔR：
RAHE＝(Rmax-Rmin)/2
ΔR＝(Rmax+Rmin)12-R0
步骤3、在霍尔条阵列的输入端串联一个可调电阻，然后根据步骤2的计算结果，将可调电阻的电阻值设置为ΔR+R0。
步骤4、同时向霍尔条阵列的输入端和可调电阻施加一个测试信号。由于霍尔条的霍尔电阻值比较小，只有零点几欧姆，在施加幅值较小的测试电流后，得到的霍尔电压也较小，因此将霍尔条阵列的输出端电压进行放大，再与可调电阻两端的电压相互比较，得到差值电压信号。
步骤5、对步骤4得到的差值电压信号进行峰值检测，然后与期望理想信号进行均方根误差计算。所述期望理想信号为霍尔条阵列的反常霍尔电阻值与步骤4中测试电流的乘积经过放大后的信号。
步骤6、当步骤5计算得到的均方根误差大于设定阈值时，调整可调电阻的电阻值，并重复步骤4、5，直至均方根误差小于设定阈值，完成对霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿。
实施例2
在本实施例中，设置步骤1中的调节信号为占空比为100ms、幅值分别为-10mA与+10mA的负向和正向脉冲电流信号。测试信号为幅值为1mA的直流信号。
实施例3
本实施例提供一种使用了上述方法，并且可以对多个霍尔条阵列进行自适应补偿的电路，包括控制模块、调节模块、选择模块、测试模块、放大电路、减法模块和多个自适应模块。
如图3所示，所述自适应模块包括一个与可调电阻串联的霍尔条阵列。
选择模块用于根据控制模块的信号，选择进行补偿的自适应模块。选择模块通过模拟开关电路实现。
调节模块用于向选通的自适应模块提供调节信号，所述调节信号被施加在霍尔条阵列的输入端，对霍尔条阵列的霍尔电阻值大小进行调节。
测试模块用于向霍尔条阵列的输入端和可调电阻施加同等大小的测试信号。
放大电路用于对霍尔条阵列的输出端电压进行放大，然后再输入减法模块。放大电路通过型号为AD620的仪表放大器实现。
减法模块用于实现经放大器放大后的霍尔条阵列的输出端电压与可调电阻两端的电压比较，得到差值电压信号。所述减法模块通过型号为OP37精密运算放大器实现，该模块具有噪声低、带负载能力强、输出电阻小的特点。
控制模块通过型号为AD7606的模数转换器，对减法模块输出的差值电压信号进行采样，然后输入单片机MCU中，进行峰值检测，再与期望理想信号进行均方根误差计算。所述峰值检测通过硬件电路或软件程序，实现对差值电压信号进行最大值、最小值的检测。控制模块通过将均方根误差计算结果与设定的阈值进行比较，判断下一步的可调电阻阻值调整方向。

Claims (8)

1.一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤1、在霍尔条阵列的输入端施加调节信号，调节霍尔条阵列的霍尔电阻值至最大值与最小值；撤去调节信号后，再施加测试信号，根据输出端的电压计算得到霍尔电阻值的最大值Rmax与最小值Rmin；
步骤2、根据步骤1得到的霍尔电阻值的最大值Rmax与最小值Rmin，计算该霍尔条阵列的反常霍尔电阻值RAHE和输出偏置电阻值ΔR：
RAHE＝(Rmax-Rmin)/2
ΔR＝(Rmax+Rmin)/2-R0
其中，R0表示一般霍尔电阻值；
步骤3、在霍尔条阵列的输入端串联一个可调电阻，然后根据步骤2的计算结果，将可调电阻的电阻值设置为ΔR+R0；
步骤4、同时向霍尔条阵列的输入端和可调电阻施加一个测试信号，然后采集霍尔条阵列的输出端电压与可调电阻两端的电压相互比较，得到差值电压信号；
步骤5、对步骤4得到的差值电压信号进行峰值检测，然后与期望理想信号进行均方根误差计算；所述期望理想信号为霍尔条阵列的反常霍尔电阻值与步骤4中测试电流的乘积；
步骤6、当步骤5计算得到的均方根误差大于设定阈值时，调整可调电阻的电阻值，并重复步骤4、5，直至均方根误差小于设定阈值，完成对霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿。
2.如权利要求1所述一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法，其特征在于：所述调节信号为幅值大于霍尔条阵列临界电流的脉冲电流信号，通过保持一定的施加时间，调节霍尔电阻值至最大值与最小值；所述测试信号为幅值小于霍尔条阵列临界电流的电流信号。
3.如权利要求1或2所述一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法，其特征在于：所述调节信号为恒定周期为1ms、占空比为30us、幅值大于霍尔条阵列临界电流的脉冲电流信号；或占空比为100ms、幅值大于霍尔条阵列临界电流的脉冲电流信号。
4.如权利要求1或2所述一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法，其特征在于：所述测试信号为频率为107Hz、峰峰值为1mA的正弦波信号或幅值为1mA的直流信号。
5.如权利要求1所述一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿方法，其特征在于：在调节霍尔电阻值的过程中，施加一个平行于调节信号的面内辅助磁场，磁场强度不小于霍尔条阵列的磁滞回线的矫顽力。
6.一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿电路，其特征在于：使用如权利要求1、2、5任一所述的方法进行工作；该电路包括控制模块、调节模块、测试模块、减法模块和自适应模块；
所述自适应模块包括一个与可调电阻串联的霍尔条阵列；调节模块用于向霍尔条阵列的输入端施加调节信号，调节霍尔条阵列的霍尔电阻值大小；测试模块用于向霍尔条阵列的输入端和可调电阻施加同等大小的测试信号；减法模块用于实现霍尔条阵列的输出端电压与可调电阻两端的电压比较，得到差值电压信号；控制模块对减法模块输出的差值电压信号进行采样，然后与期望理想信号进行均方根误差计算。
7.如权利要求6所述一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿电路，其特征在于：还包括放大电路，用于对霍尔条阵列的输出端电压进行放大，然后再将放大后的霍尔条阵列的输出端电压输入减法模块。
8.如权利要求6所述一种霍尔条阵列输出偏置的自适应补偿电路，其特征在于：还包括选择模块和多个自适应模块；所述选择模块用于根据控制模块的信号，选择测试信号输入哪个自适应模块。
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