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淺談基于高頻調(diào)制的霍爾傳感器讀出電路設(shè)計(jì)與選型

更新時(shí)間:2021-04-07 點(diǎn)擊次數(shù): 1829次

劉細(xì)鳳

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

 

摘要:本文基于霍爾傳感器輸出信號(hào)幅度小、頻率低、易受噪聲干擾的特點(diǎn),有針對(duì)性地提出種基于高頻調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)的霍爾傳感器讀出電路。該讀出電路主要包括可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器,高頻調(diào)制電路以及1bit量化的二階sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通過(guò)采用高頻調(diào)制,減少電路中低頻噪聲以及失調(diào)的影響,同時(shí)經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行幅值放大,避免噪聲混入。先通過(guò)MATLAB建模仿真確定設(shè)計(jì)所需參數(shù),然后基于SMIC0.18Ixm混合信號(hào)CMOS工藝完成整體電路設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試,電路在3.3V電源電壓,1kHz信號(hào)帶寬以及256kHz時(shí)鐘頻率下,經(jīng)過(guò)后仿真得到信噪比(SNR)為83.12dB,可滿足設(shè)計(jì)的要求。

 

關(guān)鍵詞:爾傳感器讀出電路;高頻調(diào)制電路;可變?cè)鲆娣糯笃?;調(diào)制器

 

0引言

隨著霍爾傳感器廣泛應(yīng)用于電子、、器械等各個(gè)方面,對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確采集變得至關(guān)重要。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),在3.3V電源電壓,±0.4T磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下,霍爾傳感器輸出信號(hào)范圍在±150mV之間而在通常應(yīng)用中,霍爾傳感器大多處在較小的磁場(chǎng)里,般為mT數(shù)量級(jí),因此霍爾傳感器的輸出信號(hào)較小,容易受到外界環(huán)境的干擾,需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理。同時(shí),基于輸出信號(hào)頻率較低的特性,需要采用低頻噪聲抑制電路來(lái)降低噪聲對(duì)信號(hào)帶來(lái)的影響。zui以模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與精度測(cè)量的模塊也是*的。

外對(duì)于讀出電路的研究已經(jīng)較為成熟,而內(nèi)近些年來(lái)也有較大發(fā)展,如上海華虹、中科學(xué)院微電子所以及中科學(xué)院大學(xué)在讀出電路設(shè)計(jì)方面都有相應(yīng)成果,本文在這些研究基礎(chǔ)上加入噪聲抑制電路,進(jìn)步改善讀出電路的性能。

霍爾傳感器讀出電路的設(shè)計(jì)如圖1所示,主要由對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的可變?cè)鲆娣糯笃饕约皩?duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。其中,為避免低頻噪聲和失調(diào)的影響,在設(shè)計(jì)中加入了高頻調(diào)制結(jié)構(gòu),將噪聲和失調(diào)轉(zhuǎn)移到信號(hào)帶寬之外,以改善整體電路性能。

1霍爾傳感器讀出電路結(jié)構(gòu)

 

本文詳細(xì)介紹了讀出電路芯片的設(shè)計(jì),對(duì)電路的基本理論與架構(gòu)進(jìn)行研究與分析,完成從Simulink建模,電路設(shè)計(jì)到版圖布局各個(gè)環(huán)節(jié),zui終進(jìn)行后仿真,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求。

 

1整體電路建模

從讀出電路基本理論與架構(gòu)出發(fā),基于MATLAB平臺(tái)對(duì)于整體電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型仿真。如圖2所示,框圖由上到下分別為基于高頻調(diào)制的可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器,sigmadelta調(diào)制器以及降采樣數(shù)字濾波器。具體流程如下:可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器根據(jù)輸入信號(hào)幅度大小自動(dòng)選擇合適的放大倍數(shù)進(jìn)行信號(hào)放大。放大后的信號(hào)由sig-ma-delta調(diào)制器進(jìn)行積分量化,轉(zhuǎn)化為1bit的數(shù)字信號(hào),然后經(jīng)過(guò)后級(jí)降采樣數(shù)字濾波器的濾波和抽樣過(guò)程,輸出高精度的數(shù)字碼。

2讀出電路的MATLAB模型

該設(shè)計(jì)提出在運(yùn)算放大器的輸入與輸出節(jié)點(diǎn)加入高頻調(diào)制電路,其目的主要是將運(yùn)放產(chǎn)生的1/f噪聲和失調(diào)調(diào)制到信號(hào)帶寬之外,然后在濾波器的作用下濾除掉,避免噪聲和失調(diào)對(duì)低頻小信號(hào)產(chǎn)生影響因此高頻調(diào)制電路的功能主要是完成對(duì)噪聲信號(hào)的調(diào)制。由傅里葉級(jí)數(shù)可知:假設(shè)P是周期為TP占空比為50%的方波信號(hào)傅里葉系數(shù)設(shè)為PK。由此可以得到:

 

     1

若將噪聲的功率譜密度PSD設(shè)為Snw,則經(jīng)過(guò)次調(diào)制的噪聲功率譜密度Snw可以表示為:

 2

由式(2)可以得出:噪聲頻譜Sn經(jīng)過(guò)次調(diào)制被轉(zhuǎn)移到斬波信號(hào)P的奇次諧波上,因而削弱了信號(hào)基帶內(nèi)的噪聲。而在高頻調(diào)制電路模型搭建過(guò)程中,高頻調(diào)制電路的頻率應(yīng)滿足:

     3

其中,K2BWsignal為信號(hào)帶寬,fcorner,為噪聲角頻率

而對(duì)于調(diào)制器的設(shè)計(jì),則應(yīng)先確定其噪聲傳輸函數(shù)。因?yàn)檎{(diào)制器的功能相當(dāng)于低通的模擬濾波器,所以可以根據(jù)巴特沃茲濾波器的特性來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析,得到二階單環(huán)調(diào)制器的噪聲傳輸函數(shù)(NTF)為:

4

基于式(4),由調(diào)制器的架構(gòu),可以推導(dǎo)所需增益以及反饋因子的范圍,然后帶入模型進(jìn)行仿真,確定合適的值。

由于sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器的整體電路是由模擬調(diào)制器和數(shù)字濾波器共同構(gòu)成,調(diào)制器部分決定設(shè)計(jì)的精度,而數(shù)字濾波器部分決定設(shè)計(jì)的面積和功耗,所以在對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),可以使用CIC濾波器、補(bǔ)償濾波器以及半帶濾波器的組合來(lái)盡可能的降低所需的硬件開(kāi)銷(xiāo),以減小電路的面積和功耗

考慮實(shí)際電路設(shè)計(jì)中各種非理想因素如:KT/C噪聲、時(shí)鐘抖動(dòng)、運(yùn)放的有限增益、帶寬壓擺率以及開(kāi)關(guān)非線性等的影響,確定模型中各個(gè)參數(shù)的指標(biāo)。zui終得到仿真結(jié)果如圖3所示,信噪比達(dá)到84.2dB,達(dá)到預(yù)期74dB的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3MATLAB模型仿真結(jié)果

 

2關(guān)鍵單元電路設(shè)計(jì)

2.1高頻調(diào)制電路

高頻調(diào)制電路作為降低電路噪聲及失調(diào)的關(guān)鍵模塊,其內(nèi)部開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖4(a)和圖4(b)所示

4關(guān)鍵電路

 

由圖4(a)可知,在高頻調(diào)制電路中,隨著時(shí)鐘信號(hào)的交替變化,能夠選通不同的信號(hào)路徑,實(shí)現(xiàn)信號(hào)與方波相乘的功能。其中,對(duì)于方框中電路的選取只需要考慮信號(hào)能夠無(wú)損失傳輸即可。很簡(jiǎn)單的情況是使用單個(gè)NMOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的功能,但是由于單個(gè)NMOS管做開(kāi)關(guān)存在非線性以及閾值電壓變化的問(wèn)題,會(huì)在電路中引入諧波失真,影響電路性能。所以本設(shè)計(jì)采用柵壓自舉開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu),如圖4(b)所示,當(dāng)CLK為高電平時(shí),M7管截止,M3M8管導(dǎo)通,使得c3兩端的電壓為電源電壓;當(dāng)CLK為低電平時(shí),M3M8管關(guān)斷,M4M6導(dǎo)通,此時(shí),M7也處于導(dǎo)通狀態(tài)且柵源電壓為C3兩端的電壓,因此與輸入信號(hào)的大小無(wú)關(guān)。即增加了開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻的線性度。同時(shí)柵壓自舉開(kāi)關(guān)的使用方面避免了單個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電阻較大的問(wèn)題,另方面也降低了時(shí)鐘饋通等因素的影響。

 

2.2可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器

由上述sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模型結(jié)構(gòu)可以驗(yàn)證,在滿擺幅范圍內(nèi),隨著輸入信號(hào)幅度增加,模數(shù)轉(zhuǎn)換器的峰值信噪比(PSNR)也會(huì)增加,但是接近滿擺幅時(shí),會(huì)引起調(diào)制器中后級(jí)積分器出現(xiàn)過(guò)擺幅的現(xiàn)象,從而在輸出引入大量諧波,使得PSNR下降。所以盡量選擇合適的信號(hào)幅值輸入而霍爾傳感器處在不同磁場(chǎng)中,輸出信號(hào)幅度不同,這就使得通過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的精度產(chǎn)生很大差異所以該設(shè)計(jì)在霍爾傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間加入可變?cè)鲆娴倪\(yùn)算放大器,方面可以放大前端電路輸出的小信號(hào),另方面又可以調(diào)節(jié)自身輸出信號(hào)幅度以適應(yīng)后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的要求,結(jié)構(gòu)如圖5所示

5可變增益運(yùn)算放

 

在設(shè)計(jì)中,為保證電路穩(wěn)定性,運(yùn)放采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)根據(jù)不同輸入信號(hào)的幅度大小,由數(shù)字電路控制選取不同的開(kāi)關(guān)閉合,然后通過(guò)電阻比值對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的放大。其中對(duì)于阻值的選取,要考慮版圖的布局,以減小電阻失配誤差帶來(lái)的影響。此外,設(shè)計(jì)中加入了高頻調(diào)制電路,使得運(yùn)放產(chǎn)生的1If噪聲和失調(diào)移到高頻端,以降低信號(hào)帶內(nèi)噪聲。如圖6所示,虛線和實(shí)線分別為不加調(diào)制電路與加入調(diào)制電路的運(yùn)放等效輸入噪聲的仿真結(jié)果,由圖6可以看出,高頻調(diào)制電路有效地抑制了低頻噪聲。

6不加與加入凋制電路的運(yùn)放等效輸入噪聲波形

 

2.3sigma-delta調(diào)制器

傳統(tǒng)的Nyquist模數(shù)轉(zhuǎn)換器利用復(fù)雜的比較方式實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)幅度精確量化的功能但是由于近些年來(lái)工藝技術(shù)不斷發(fā)展,器件尺寸以及電源電壓不斷減小,器件的失配對(duì)于傳統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器的影響越來(lái)越大。sigma-delta調(diào)制器利用其自身的環(huán)路調(diào)節(jié)勢(shì),大地減小了器件失配對(duì)電路精度的影響,易于實(shí)現(xiàn)高精度的轉(zhuǎn)換。調(diào)制過(guò)程的實(shí)質(zhì)就是將信號(hào)帶內(nèi)大部分噪聲移到帶外,再經(jīng)過(guò)后級(jí)濾波器濾除,以提高信噪比,即提高轉(zhuǎn)換精度。該設(shè)計(jì)中sigmadelta調(diào)制器主要是由開(kāi)關(guān)電容積分器、量化器、反饋DAC以及兩相非交疊時(shí)鐘4個(gè)模塊構(gòu)成。

其中,積分器作為調(diào)制器實(shí)現(xiàn)低通濾波功能的主要模塊,結(jié)構(gòu)如圖7所示,由兩相非交疊時(shí)鐘來(lái)控制電路的采樣與積分過(guò)程,同時(shí)為避免溝道電荷注入引入非線性誤差,在每個(gè)過(guò)程中,

控制靠近運(yùn)放輸入端的開(kāi)關(guān)先斷開(kāi),這樣避免了與輸入信號(hào)有關(guān)的電荷對(duì)運(yùn)放輸出產(chǎn)生影響,但是這種方式會(huì)在電路中引入直流偏移,而直流偏移的影響能夠通過(guò)全差分結(jié)構(gòu)來(lái)。

7積分器電路結(jié)構(gòu)

 

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中,如果考慮運(yùn)放有限增益以及寄生電容的影響,其傳輸函數(shù)為:

5

其中,,分別為積分器的增益誤差以及極點(diǎn)誤差。

由式(5)可以看出,由于非理想因素的影響使得傳輸函數(shù)的極點(diǎn)由原點(diǎn)處發(fā)生了偏移,這樣會(huì)削弱積分器電路對(duì)于帶內(nèi)噪聲的抑制作用所以設(shè)計(jì)積分器參數(shù)時(shí)對(duì)于各種非理想因素造成的影響要在前面模型設(shè)計(jì)中進(jìn)行詳細(xì)分析,在非理想情況下,確定合適的參數(shù)值。同可變?cè)鲆孢\(yùn)放樣,積分器中也可以加入高頻調(diào)制電路,以避免低頻噪聲影響但在調(diào)制器設(shè)計(jì)中只需要考慮第yi階積分器的噪聲即可。可以證明:假設(shè)在n階單環(huán)調(diào)制器中,第i個(gè)積分器的等效輸入噪聲為En,i,則整個(gè)調(diào)制器的等效輸入噪聲Ei可以表示為:

6

(6)成立的條件是當(dāng)n2時(shí),調(diào)制器處于穩(wěn)定狀態(tài)其中,K1,K2,a分別為diyi及第二個(gè)積分器的增益衰減因子。從式子可以看出,除diyi階積分器之外,第i(i>1)階積分器都受到i-1階的調(diào)制作用。所以在進(jìn)行調(diào)制器設(shè)計(jì)時(shí),只需要在diyi階調(diào)制器中加入高頻調(diào)制電路對(duì)于量化器的設(shè)計(jì),從降低功耗角度考慮,本文采用動(dòng)態(tài)鎖存比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖8所示,其工作過(guò)程主要分為2個(gè)階段:預(yù)置期和再建期。在預(yù)置階段,將CLKl置為低電平,CLK2置為高電平,M11M14導(dǎo)通,Cd兩點(diǎn)被充電到電源電壓。而開(kāi)關(guān)管M2a作為復(fù)位管,電流流經(jīng)M2a使得a、b兩點(diǎn)的電位差迅速減小,且與此時(shí)的輸入電壓差成正比。下時(shí)刻,CLKl被置為高電平,CLK2為低電平。比較器進(jìn)入再建期即比較階段,將復(fù)位后a、b兩點(diǎn)的差值作為比較電壓的初始值,之后在正反饋?zhàn)饔孟拢?/font>a、b兩點(diǎn)電壓被拉到電源電壓和地,得出比較結(jié)果。

此外,在比較器設(shè)計(jì)過(guò)程中需要著重考慮復(fù)位管M2a的尺寸問(wèn)題。若管子尺寸設(shè)計(jì)較小,則管子電阻變大,流過(guò)M2a的電流將減小,繼而降低了ab兩點(diǎn)平衡的速度,增加了復(fù)位階段的時(shí)間;但若管子尺寸設(shè)計(jì)的較大,管子的電阻變小,使得復(fù)位后a、b兩點(diǎn)的電壓差較小,降低了再建速度。所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照要求折衷考慮。比較器設(shè)計(jì)中還需要考慮到比較器的kick-back噪聲和失調(diào)的影響,其中,kickback噪聲是比較器的輸出通過(guò)管子的寄生電容耦合到輸入引起的,可以通過(guò)引入開(kāi)關(guān)電容的采樣電路來(lái)降低其影響。而失調(diào)主要是由輸入管的匹配精度決定,所以在比較器的版圖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意輸入管的擺放。

由于調(diào)制器輸入擺幅設(shè)計(jì)為1V,要實(shí)現(xiàn)12bits的有效精度,比較器的zui小精度達(dá)到1/2個(gè)LSB即可,通過(guò)仿真,比較器能實(shí)現(xiàn)精度為0.1mV的比較,滿足設(shè)計(jì)要求。

 

3、版圖與仿真

本設(shè)計(jì)是基于SMIC0.18um混合信號(hào)CMOS工藝實(shí)現(xiàn)的,在3.3V電源電壓下整體電路的功耗為2.1mW,讀出電路的版圖布局,如圖9所示,面積為1.05mmX0.73mm。

圖8霍爾傳感器版圖設(shè)計(jì)

基于整體版圖設(shè)計(jì),進(jìn)行寄生參數(shù)提取,然后在輸入信號(hào)為4mV,前端放大器放大100倍,時(shí)鐘頻率為256kHz的條件下進(jìn)行后仿真。仿真結(jié)果如圖10所示,信噪比為83.12dB,有效位數(shù)為13.5bits,滿足了設(shè)計(jì)的要求。

圖9讀山電路FFT分析結(jié)果

 

4安科瑞霍爾傳感器產(chǎn)品選型

4.1產(chǎn)品介紹

霍爾電流傳感器主要適用于交流、直流、脈沖等復(fù)雜信號(hào)的隔離轉(zhuǎn)換,通過(guò)霍爾效應(yīng)原理使變換后的信號(hào)能夠直接被AD、DSP、PLC、二次儀表等各種采集裝置直接采集和接受,響應(yīng)時(shí)間快,電流測(cè)量范圍寬精度高,過(guò)載能力強(qiáng),線性好,抗干擾能力強(qiáng)。適用于電流監(jiān)控及電池應(yīng)用、逆變電源及太陽(yáng)能電源管理系統(tǒng)、直流屏及直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)、電鍍、焊接應(yīng)用、變頻器,UPS伺服控制等系統(tǒng)電流信號(hào)采集和反饋控制。

 

4.2產(chǎn)品選型

4.2.1開(kāi)口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

 1

4.2.2閉口式開(kāi)環(huán)霍爾電流傳感器

 2

4.2.3閉環(huán)霍爾電流傳感器

3

4.2.4直流漏電流傳感器

 4

5實(shí)驗(yàn)結(jié)論

本文基于石墨烯霍爾傳感器輸出信號(hào)的特點(diǎn),完成了其讀出電路的設(shè)計(jì)。采用可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大,再由過(guò)采樣ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與精度測(cè)量。而在整個(gè)過(guò)程中,通過(guò)高頻調(diào)制方式降低低頻噪聲以及失調(diào)的影響,以改善電路的性能。zui終在smico.18μM1P6MCOS工藝條件下,對(duì)整體電路進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明電路滿足12bits的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

 

【參考文獻(xiàn)】

[1] 孫海燕,趙雅靜,張曉波,戴瀾.基于高頻調(diào)制的霍爾傳感器讀出電路設(shè)計(jì)術(shù)

[2] 陳鋮穎,蔣見(jiàn)花,胡曉宇.種基于石墨烯霍爾器件的讀出電路設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2013,12(30):137—141.

[3] 安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè)2020.06版

 

作者簡(jiǎn)介:劉細(xì)鳳,現(xiàn)任職于安科瑞電氣股份有限公司,主要從事隔離式柵研究發(fā)展

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