TWI771048B

TWI771048B - 磁場感應裝置與磁場感應方法

Info

Publication number: TWI771048B
Application number: TW110120782A
Authority: TW
Inventors: 天來李; 陳文濱
Original assignee: 應廣科技股份有限公司
Priority date: 2021-06-08
Filing date: 2021-06-08
Publication date: 2022-07-11
Also published as: TW202248669A

Abstract

本發明提供了一種磁場感應裝置，包含：一霍爾板(Hall plate)，其感應一磁場變化而產生一電子訊號；一截波器，其根據所接收的一時脈而將該電子訊號的高頻與低頻部分做切換；至少兩級放大電路，包括：第一級放大電路，其將該截波器輸出的訊號放大；及第二級放大電路，其將該第一級放大電路輸出的訊號再予放大；以及一栓鎖輸出級，根據該至少兩級放大電路之輸出，產生最終輸出。

Description

磁場感應裝置與磁場感應方法

本發明係有關一種磁場感應裝置與磁場感應方法，特別是指一種具有多級放大增益且能夠快速反應產生輸出訊號的磁場感應裝置與磁場感應方法。

第1圖顯示先前技術的一種磁場感應裝置。霍爾板(Hall plate)10感應磁場變化而產生電子訊號，經由截波器11根據所接收的時脈CLK而將霍爾板所產生電子訊號的端點(nodes)做切換(此過程將所要的訊號轉換為高頻訊號)，所得的訊號經過差分放大器A1放大後，再經過截波器13根據所接收的時脈CLK而將差分放大器A1所產生訊號的端點做切換(此過程將所要的訊號轉換為低頻訊號)，再經過低通濾波器LPF的濾波後，由栓鎖輸出級15最終輸出。

第1圖先前技術具有以下缺點。第一、整體裝置僅有單級放大(如圖中虛線所示)，這造成電路設計上的兩難。如果以較低的電壓來驅動差分放大器A1，因為訊號的幅度和增益不夠大，雜訊將佔據相對較高的比例，這將使得訊噪比(S/N ratio)不佳。另一方面，如果以較高的電壓來驅動差分放大器A1，固然可以增大訊號的幅度和增益而改善訊噪比，但將造成較大的耗能、較大的電路面積、且需要在電路中設計提供較高電壓的電源產生電路。第二、低通濾波器的反應速度較慢，因此，整體裝置對磁場變化的反應緩慢，並不理想。

本發明針對解決上述問題，提供一種具有多級放大增益且能夠快速反應產生輸出訊號的磁場感應裝置。

就其中一個觀點言，本發明提供了一種磁場感應裝置，包含：一霍爾板(Hall plate)，其感應一磁場變化而產生一電子訊號；一截波器，其根據所接收的一時脈而將該電子訊號的端點(nodes)做切換；至少兩級放大電路，包括：第一級放大電路，其將該截波器輸出的訊號放大；及第二級放大電路，其將該第一級放大電路輸出的訊號再予放大；以及一栓鎖輸出級，根據該至少兩級放大電路之輸出，產生最終輸出。

在一較佳實施例中，該第二級放大電路以相關性雙取樣(CDS, Correlated Double Sampling)方式產生輸出。

在一較佳實施例中，該第一級放大電路包含一差分放大器。

在一較佳實施例中，該第二級放大電路包含一差分放大器、以及兩切換電容電路，分別耦接於該差分放大器的其中一個輸入端和一個對應輸出端之間。

在一較佳實施例中，各該切換電容電路包含並聯的第一與第二電路，第一電路包含一第一開關；第二電路包含一電容與一第二開關的串聯電路。

在一較佳實施例中，該至少兩級放大電路之各級放大電路間，以及該至少兩級放大電路與該栓鎖輸出級之間，做直流隔離。

在一較佳實施例中，該至少兩級放大電路包含三級或更多級的放大電路。

就另一個觀點言，本發明提供了一種磁場感應方法，包含：感應一磁場變化而產生一電子訊號；根據一時脈而將該電子訊號的端點做切換而產生切換後訊號；以至少兩級放大電路將該切換後訊號放大：以及根據該至少兩級放大電路之輸出，產生最終輸出；其中，至少兩級放大電路之第二級(含)以後的放大電路以相關性雙取樣(CDS, Correlated Double Sampling)方式產生輸出。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各電路組成部分間之相互關係，至於形狀與尺寸則並未依照比例繪製。

第 2圖顯示本發明的一個實施例。請參閱第2圖，本發明之磁場感應裝置包括：霍爾板(Hall plate)10、截波器11、至少兩級的放大電路(本實施例中顯示第一級放大電路22與第二級放大電路24)、以及栓鎖輸出級15。霍爾板10感應磁場變化而產生電子訊號；截波器11根據所接收的時脈CLK而將霍爾板10所產生電子訊號的端點做切換；第一級放大電路22在本實施例中包含一個差分放大器A11，第一級放大電路22將截波器11輸出的訊號放大；第二級放大電路24再將第一級放大電路22輸出的訊號再予放大，之後，由栓鎖輸出級15最終輸出。

在一較佳實施例中，第二級放大電路24包含一個差分放大器A12、以及切換電容電路SC1與SC2。切換電容電路SC1與SC2分別耦接於差分放大器A12的其中一個輸入端和一個對應輸出端之間。切換電容電路SC1與SC2與差分放大器A12的結合，構成對資料的相關性雙取樣(CDS, Correlated Double Sampling)，可以快速而準確地取得所要的訊號，傳送給栓鎖輸出級15。

相較於先前技術，本發明具有以下優點：第一、由於使用了兩級以上的放大級，整體放大增益為所有各級放大增益的乘積，但每一級電路卻不必使用較高的電壓來驅動，在電路設計上解決了兩難的問題，也不必使用特別設計的電源電路；第二、由於第二級放大電路24對資料進行相關性雙取樣，可以快速而準確地取得所要的訊號，整體電路反應速度遠較採用低通濾波的第1圖先前技術來得快速許多。

為使各級電路之間的訊號不會互相干擾，在一較佳實施例中，於第一級放大電路22與第二級放大電路24之間、以及於第二級放大電路24與栓鎖輸出級15之間，可安排直流隔離C1與C2，例如以電容來達成(參閱第3圖)。

請參閱第3圖，顯示第二級放大電路24的一種具體實施例。本實施例中，各切換電容電路SC1與SC2包含並聯的兩路，一路是開關、另一路是電容與開關的串聯電路。當電容與開關的串聯電路導通時，可將差分放大器A12的輸出端的電壓儲存在電容內，以備傳送給下一級電路；而當單純開關的一路導通時，就重置了差分放大器A12的輸出訊號。

請參閱第4圖，顯示本發明之磁場感應裝置的另一個實施例。本實施例顯示：可以設置更多級的放大電路，如此可以達成更高的增益效果。在本實施例中，在第二級放大電路24之後，還設置了第三級放大電路24’，第三級放大電路24’包含一個差分放大器A12’、以及切換電容電路SC1’與SC2’。第三級放大電路24’與第二級放大電路24的結構相同，因此不重複說明。在第三級放大電路24’與栓鎖輸出級15之間，可設置直流隔離C2’。

從另一個觀點而言，本發明也提供了一種磁場感應方法。本發明提供的磁場感應方法包含：感應磁場變化而產生電子訊號，並根據時脈而將該電子訊號的端點做切換而產生切換後訊號；之後，以至少兩級放大電路將該切換後訊號放大，並據此產生最終輸出。其中，至少兩級放大電路之第二級(含)以後的放大電路以相關性雙取樣(CDS, Correlated Double Sampling)方式產生輸出。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。各實施例所示的內容，可以相互組合。此外，實施例電路圖中所示直接連接的兩元件或兩電路，其間可以插置不影響整體電路主要作用的元件或電路，例如開關、緩衝器、電阻等；因此，本發明之用語「耦接」包括直接連接與間接連接。本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。

10:霍爾板(Hall plate) 11:截波器 13:截波器 15:栓鎖輸出級 22:第一級放大電路 24:第二級放大電路 24’:第三級放大電路 A1、A11、A12、A12’:差分放大器 C1、C2、C2’:直流隔離 CLK:時脈 LPF:低通濾波器 SC1、SC2、SC1’、SC2’:切換電容電路

第1圖顯示一種先前技術的磁場感應裝置。第2-4圖顯示本發明之磁場感應裝置的數種實施例。

10:霍爾板(Hall plate)

11:截波器

15:栓鎖輸出級

22:第一級放大電路

24:第二級放大電路

A11、A12:差分放大器

C1、C2:直流隔離

CLK:時脈

SC1、SC2:切換電容電路

Claims

一種磁場感應裝置，包含：一霍爾板(Hall plate)，其感應一磁場變化而產生一電子訊號；一截波器，其根據所接收的一時脈而將該電子訊號的高頻與低頻部分做切換；至少兩級放大電路，包括：第一級放大電路，其將該截波器輸出的訊號放大；及第二級放大電路，其將該第一級放大電路輸出的訊號再予放大，並以相關性雙取樣(CDS,Correlated Double Sampling)方式產生輸出；以及一栓鎖輸出級，根據該至少兩級放大電路之輸出，產生最終輸出。
如請求項1所述之磁場感應裝置，其中該磁場感應裝置中之截波器僅有上述一個單一截波器，且該磁場感應裝置中不使用低通濾波器。
如請求項1所述之磁場感應裝置，其中該第一級放大電路包含一差分放大器。
如請求項1所述之磁場感應裝置，其中該第二級放大電路包含一差分放大器、以及兩切換電容電路，分別耦接於該差分放大器的其中一個輸入端和一個對應輸出端之間。
如請求項4所述之磁場感應裝置，其中各該切換電容電路包含並聯的第一與第二電路，第一電路包含一第一開關；第二電路包含一電容與一第二開關的串聯電路。
如請求項1所述之磁場感應裝置，其中該至少兩級放大電路之各級放大電路間，以及該至少兩級放大電路與該栓鎖輸出級之間，做直流隔離。
如請求項1所述之磁場感應裝置，其中該至少兩級放大電路包含三級或更多級的放大電路。
一種磁場感應方法，包含：感應一磁場變化而產生一電子訊號；根據一時脈而將該電子訊號的高頻與低頻部分做切換而產生切換後訊號；以至少兩級放大電路將該切換後訊號放大：以及根據該至少兩級放大電路之輸出，產生最終輸出；其中，至少兩級放大電路之第二級(含)以後的放大電路以相關性雙取樣(CDS,Correlated Double Sampling)方式產生輸出。
如請求項8所述之磁場感應方法，其中該第二級(含)以後的放大電路包含一差分放大器、以及兩切換電容電路，分別耦接於該差分放大器的其中一個輸入端和一個對應輸出端之間。
如請求項9所述之磁場感應方法，其中各該切換電容電路包含並聯的第一與第二電路，第一電路包含一第一開關；第二電路包含一電容與一第二開關的串聯電路。