片上磁敏式霍爾傳感器失調(diào)和噪聲消除技術(shù)的研究.pdf

1、采用CMOS或BiCMOS工藝的磁敏式霍爾傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的磁電轉(zhuǎn)換元件，憑借其工藝簡(jiǎn)單、體積小、生產(chǎn)成本低、安裝簡(jiǎn)便、工作電壓范圍寬、使用壽命長(zhǎng)、測(cè)量精度高以及防塵、防油等優(yōu)點(diǎn)，己經(jīng)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)變頻控制、交通運(yùn)輸、醫(yī)療系統(tǒng)、電子消費(fèi)品和各類智能儀表等領(lǐng)域。但是這類傳感器容易受到制造工藝、外界溫度以及機(jī)械應(yīng)力的影響，使得輸出信號(hào)中混疊較高的失調(diào)電壓和低頻噪聲，從而嚴(yán)重影響微弱霍爾信號(hào)的檢測(cè)。目前消除失調(diào)電壓和低頻噪聲的電路有

2、很多，大體包括二相或四相旋轉(zhuǎn)電流控制電路、斬波調(diào)制電路、自穩(wěn)零電路以及雙相夫采樣電路等。其中旋轉(zhuǎn)電流控制電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，既能有效放大微弱的霍爾信號(hào)，又能動(dòng)態(tài)消除失調(diào)電壓。自穩(wěn)零和雙相夫采樣電路都需要經(jīng)過采樣、保持過程，故信號(hào)的輸入端將引入較大的殘余失調(diào)，只適用于一般的數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)。而斬波調(diào)制電路引入的失調(diào)電壓較低，能夠適用于要求嚴(yán)格的連續(xù)信號(hào)處理系統(tǒng)。
　　本文設(shè)計(jì)的調(diào)理電路主要目標(biāo)是既要放大微弱的霍爾信號(hào)，又能消除失調(diào)電壓和低頻

3、噪聲。首先需要采用運(yùn)算放大器放大霍爾信號(hào)，而運(yùn)放自身的偏置又源自于帶隙基準(zhǔn)電壓源，因此二者都是本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。為了消除失調(diào)電壓，本文采用了二相旋轉(zhuǎn)電流控制電路，其需要 RC振蕩器提供時(shí)鐘控制信號(hào)，該調(diào)理電路中的高通濾波器還可以濾除信號(hào)中存在的閃爍噪聲。主要工作內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種片上磁敏式霍爾傳感器失調(diào)和噪聲消除的調(diào)理電路，該電路包括磁敏式霍爾傳感器、旋轉(zhuǎn)電流控制電路、儀用放大器、帶隙基準(zhǔn)電壓源、比較器、施密特觸發(fā)器以及RC振蕩器。首先通過旋

4、轉(zhuǎn)電流控制電路將霍爾片的輸出信號(hào)分解為極性周期性變化的霍爾電壓信號(hào)以及極性恒定不變的失調(diào)信號(hào)，再經(jīng)過儀用放大器的放大、施密特觸發(fā)器、高通濾波器以及比較電路的處理，進(jìn)而輸出開夫型霍爾信號(hào)。該調(diào)理電路不僅能夠有效地放大微弱的霍爾信號(hào)，而且還能動(dòng)態(tài)消除失調(diào)電壓和噪聲。
　　本文首先介紹了調(diào)理電路中各子電路的設(shè)計(jì)過程以及仿真分析，并且對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化，然后完成整體版圖布局與后模擬仿真。在CSMC0.5umCMOS工藝下，由Cadence仿

5、真結(jié)果表明，該調(diào)理電路能夠在2V至4V的電源電壓下正常工作，其子電路中儀用放大器的開環(huán)增益為72dB，相位裕度為60度，帶隙基準(zhǔn)電壓源的溫漂系數(shù)為3.125 PPm/℃，電源抑制比為59dB，靜態(tài)功耗為32.7uW，RC振蕩器的頻率約為0.5SMHZ，這些都能滿足該調(diào)理電路的指標(biāo)要求。并且當(dāng)磁敏式霍爾傳感器檢測(cè)到外加磁場(chǎng)頻率為1kHZ，大小5mT時(shí)，該調(diào)理電路最大可以消除14mV的失調(diào)電壓。當(dāng)失調(diào)電壓為10mV時(shí)，該調(diào)理電路至少需要4.