非线性补偿电路及传感装置的制作方法

【技术领域】

本发明涉及传感领域，特别涉及非线性补偿电路以及传感装置。

背景技术：

线性传感器被广泛的应用于消费电子、工业、自动驾驶和医学领域。磁场传感器属于线性传感器中的一种。流行的磁传感技术包括霍尔效应、各向异性磁阻(amr)、巨磁阻(gmr)、隧穿磁阻(tmr)和磁阻抗(mi)。然而，这些磁场传感器在超出预定磁场强度后会展示出非线性特性，也就是说，此时磁场传感器的输出不是随着磁场的变化而线性的变化。

通常，磁场传感器的传递函数可以被表示为：

其中s(h)为所述线性传感器输出的传感信号，h为磁场强度，βi为多项式中各项的系数，m为多项式的项数。该传递函数中的高阶项(2阶项、3阶项以及更高阶项)会导致所述磁场传感器在超出预定磁场强度后展示出明显的非线性特性。

因此有必要提供一种新的解决方案来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种传感装置，其对传感器输出的非线性传感信号进行补偿，从而改善其非线性。

本发明的目的之二在于提供一种非线性补偿电路，其对传感器输出的非线性传感信号进行补偿，从而改善其非线性。

根据本发明的目的，本发明提供一种传感信号的非线性补偿电路，其包括：补偿器，其接收来自传感器的传感信号，基于来自传感器的传感信号形成补偿信号；和输出电路，其结合所述补偿信号和来自传感器的传感信号得到补偿后的传感信号。

优选的，所述补偿器包括一个乘法器，所述乘法器包括接收来自传感器的传感信号的第一信号输入端、接收来自传感器的传感信号的第二信号输入端和信号输出端，所述乘法器具有预定乘积系数，所述乘法器用于对预定乘积系数、第一信号输入端输入的信号和第二信号输入端输入的信号进行乘积，并将乘积结果通过其信号输出端输出，所述乘法器的信号输出端作为所述补偿器的信号输出端输出所述补偿信号。

优选的，所述补偿器包括多个级联的乘法器以及加法器，每个乘法器均具有预定乘积系数，每个乘法器包括第一信号输入端、第二信号输入端和信号输出端，并对预定乘积系数、第一信号输入端输入的信号和第二信号输入端输入的信号进行乘积，并将乘积结果通过信号输出端输出，初级乘法器的第一信号输入端和第二信号输入端均接收来自传感器的传感信号，后级乘法器的第一信号输入端接收来自传感器的传感信号，后级乘法器的第二信号输入端与前级乘法器的信号输出端相连，所述加法器接收一个或多个乘法器的输出信号，并对接收到各个乘法器的输出信号进行加法操作，并将加法结果通过其信号输出端输出，所述加法器的信号输出端用作所述补偿器的信号输出端输出所述补偿信号。

优选的，每个乘法器还包括控制输入端，根据所述控制输入端输入的系数控制信号来确定该乘法器的预定乘积系数，通过调整所述控制输入端输入的系数控制信号能够调整该乘法器的预定乘积系数。

优选的，所述乘法器为全差分模拟乘法器，所述乘法器的第一信号输入端包括第一正差分信号输入端和第一负差分信号输入端，所述乘法器的第二信号输入端包括第二正差分信号输入端和第二负差分信号输入端，所述乘法器的控制输入端包括正差分控制输入端和负差分控制输入端，所述乘法器的信号输出端包括正差分信号输出端和负差分信号输出端，来自传感器的传感信号为差分信号，所述传感信号包括正差分传感信号和负差分传感信号，所述乘法器的第一正差分信号输入端接收所述正差分传感信号，所述乘法器的第一负差分信号输入端接收所述负差分传感信号，所述乘法器的第二正差分信号输入端接收所述正差分传感信号或与前级乘法器的正差分信号输出端相连，所述乘法器的第二负差分信号输入端接收所述负差分传感信号或与前级乘法器的负差分信号输出端相连，所述系数控制信号为差分信号，所述系数控制信号包括正差分系数控制信号和负差分系数控制信号，所述乘法器的控制输入端包括接收正差分系数控制信号的正差分控制输入端和接收负差分系数控制信号的负差分控制输入端，所述补偿器的信号输出端包括正差分信号输出端和负差分信号输出端，所述补偿信号为差分信号，所述补偿信号包括正差分补偿信号和负差分补偿信号。

优选的，所述输出电路包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第五电阻、第六电阻、第一运算放大器，第一运算放大器包括第一输入端、第二输入端、第一输出端和第二输出端，第一运算放大器的第一输出端和第二输出端输出补偿后的传感信号，所述补偿器的正差分信号输出端经由第三电阻与第一运算放大器的第二输入端相连，所述补偿器的负差分信号输出端经由第四电阻与第一运算放大器的第一输入端相连，来自所述传感器的正差分传感信号经过第一电阻与第一运算放大器的第二输入端相连，来自所述传感器的负差分传感信号经过第二电阻与第一运算放大器的第一输入端相连，第五电阻连接于第一运算放大器的第二输入端和第一输出端之间，第六电阻连接于第一运算放大器的第一输入端和第二输出端之间。

根据本发明的另一个方面，本发明提供一种传感装置，其包括：传感器，其得到传感信号，

如上文提到的非线性补偿电路，用于对所述传感信号进行非线性补偿得到补偿后的传感信号。所述传感器为磁场传感器。

与现有技术相比，本发明中利用补偿器基于来自传感器的传感信号形成补偿信号，随后结合所述补偿信号和来自传感器的传感信号得到补偿后的传感信号，这样可以显著的改善所述传感器的传感信号的非线性。

【附图说明】

结合参考附图及接下来的详细描述，本发明将更容易理解，其中同样的附图标记对应同样的结构部件，其中：

图1为本发明中的非线性补偿电路在一个实施例中的电路示意图；

图2为图1中的补偿器在一个实施例中的结构框图；

图3为图2中的乘法器在一个实施例中的电路图。

【具体实施方式】

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供了一种非线性补偿电路，其可以对来自传感器的传感信号进行非线性补偿，从而显著改善所述传感器的传感信号的非线性。

图1为本发明中的非线性补偿电路100在一个实施例中的电路示意图。如图1所示的，所述非线性补偿电路100包括补偿器110和输出电路120。

所述补偿器110接收来自传感器的传感信号，基于来自传感器的传感信号形成补偿信号。所述输出电路120结合所述补偿信号和来自传感器的传感信号得到补偿后的传感信号。来自传感器的传感信号具有非线性特性，其可以由多阶多项式函数表示，高阶项导致了所述传感信号的非线性。

在一个实施例中，来自传感器的传感信号为差分信号，所述传感信号包括正差分传感信号vin_p和负差分传感信号vin_n，所述补偿信号为差分信号，所述补偿信号包括正差分补偿信号vco+和负差分补偿信号vco-，所述补偿器110包括正差分信号输入端、负差分信号输入端、正差分信号输出端和负差分信号输出端，所述补偿器110的正差分信号输入端接收正差分传感信号vin_p，所述补偿器110的负差分信号输入端接收负差分传感信号vin_n，所述补偿器110的正差分信号输出端输出正差分补偿信号vco+，所述补偿器110的负差分信号输出端输出负差分补偿信号vco-，所述补偿后的传感信号为差分信号，所述补偿后的传感信号包括补偿后的正差分传感信号vout+和补偿后的负差分传感信号vout-。所述传感器可以是磁场传感器，比如amr磁场传感器，gmr磁场传感器、tmr磁场传感器和mi磁场传感器，来自磁场传感器的差分传感信号为电压差分信号。

在一个实施例中，所述输出电路120包括第一电阻rin_a1、第二电阻rin_a2、第三电阻rin_b1、第四电阻rin_b2、第五电阻rf1、第六电阻rf2和第一运算放大器op1。第一运算放大器op1包括第一输入端(+)、第二输入端(-)、第一输出端(+)和第二输出端(-)，所述第一运算放大器的第一输出端和第二输出端分别输出补偿后的正差分传感信号vout+和补偿后的负差分传感信号vout-。所述补偿器110的正差分信号输出端经由第三电阻rin_b1与第一运算放大器op1的第二输入端相连，所述补偿器110的负差分信号输出端经由第四电阻rin_b2与第一运算放大器op1的第一输入端相连。来自所述传感器的正差分传感信号vin_p经过第一电阻rin_a1与第一运算放大器op1的第二输入端相连，来自所述传感器的负差分传感信号vin_n经过第二电阻rin_a2与第一运算放大器op1的第一输入端相连，第五电阻rf1连接于第一运算放大器op1的第二输入端和第一输出端之间，第六电阻rf1连接于第一运算放大器op1的第一输入端和第二输出端之间。第一电阻rin_a1和第二电阻rin_a2的电阻值相同，第三电阻rin_b1和第四电阻rin_b2的电阻值相同，第五电阻rf1和第六电阻rf2的电阻值相同。

所述补偿器的传递函数为：

其中vco为所述补偿器输出的补偿信号，其等于正差分补偿信号vco+和负差分补偿信号vco-的差，vin为所述补偿器输出的传感信号，其等于正差分传感信号vin_p和负差分传感信号vin_n的差，αi为第i项的系数，n为所述补偿器的传递函数的项数，n可以大于等于1。

可以根据所述传感器的传感信号的非线性特性，来设定所述补偿器的传递函数的项数，设定各项的系数。

所述非线性补偿电路的传递函数为：

其中rf为第五电阻和第六电阻的电阻值，

rin_a为第一电阻和第二电阻的电阻值，

rin_b为第三电阻和第四电阻的电阻值，

vout为所述输出电路120输出的补偿后的传感信号，其等于补偿后的正差分传感信号vout+和补偿后的负差分传感信号vout-。

可以看出，所述输出电路120对所述补偿信号vco进行增益放大，对所述传感信号vin进行增益放大，并将增益放大后的补偿信号vco和增益放大后的传感信号vin相加得到补偿后的传感信号vout。所述补偿信号vco是与所述传感信号有关的高阶多项式函数，将所述补偿信号vco和所述传感信号相加，可以改善补偿后的传感信号vout的线性。

图2为图1中的补偿器110在一个实施例中的结构框图。如图2所示的，所述补偿器110包括多个级联的乘法器1111，1112，……，111n以及加法器112，每个乘法器均具有预定乘积系数，不同的乘法器的预定乘积系数可以不同，也可以相同。图2中示意出了n个乘法器，n为所述补偿器的传递函数的项数，也是所述乘法器的个数，其中n大于等于1，n等于1时相当于只有一个乘法器，此时加法器112则不需要了。

每个乘法器包括第一信号输入端v1、第二信号输入端v2和信号输出端vo，并对预定乘积系数、第一信号输入端v1输入的信号和第二信号输入端输入v1的信号进行乘积，并将乘积结果通过信号输出端vo输出。如果n大于等于2，初级乘法器(第一个乘法器)的第一信号输入端v1和第二信号输入端v2均接收来自传感器的传感信号vin，后级乘法器的第一信号输入端v1接收来自传感器的传感信号vin，后级乘法器的第二信号输入端v2与前级乘法器的信号输出端vo相连，比如，乘法器1112的第二信号输入端vo与乘法器1111的信号输出端vo相连，第n个乘法器的第二信号输入端vo与第n-1个乘法器的信号输出端vo相连。每个乘法器还包括控制输入端v3，根据所述控制输入端v3输入的系数控制信号vb1、vb2、vbn来确定该乘法器的预定乘积系数，通过调整所述控制输入端输入的系数控制信号能够调整该乘法器的预定乘积系数。

所述乘法器的传递函数为：

其中αi是第i乘法器的预定乘积系数，vin为来自传感器的传感信号，vin＝vin_p-vin_n，voi为第i个乘法器的输出信号，其中i大于等于1小于等于n。通过系数控制信号vb1、vb2、vbn来确定该乘法器的预定乘积系数αi。

所述加法器112接收每个乘法器的输出信号vo1、vo2、von，并对接收到各个乘法器的输出信号vo1、vo2、von进行加法操作，并将加法结果通过其信号输出端输出，所述加法器的信号输出端用作所述补偿器110的信号输出端输出所述补偿信号vco。这样，可以使得所述补偿器110的传递函数为公式(2)。

图3为图2中的乘法器在一个实施例中的电路图。

实际上，所述乘法器为全差分模拟乘法器，所述乘法器的第一信号输入端v1包括第一正差分信号输入端v1+和第一负差分信号输入端v1-，所述乘法器的第二信号输入端v2包括第二正差分信号输入端v2+和第二负差分信号输入端v2-，所述乘法器的控制输入端v3包括正差分控制输入端v3+和负差分控制输入端v3-，所述乘法器的信号输出端vo包括正差分信号输出端vo+和负差分信号输出端vo-。

所述乘法器的第一正差分信号输入端v1+接收所述正差分传感信号vin_p，所述乘法器的第一负差分信号输入端v1-接收所述负差分传感信号vin_n，所述乘法器的第二正差分信号输入端v2+接收所述正差分传感信号vin_p或与前级乘法器的正差分信号输出端vo+相连，所述乘法器的第二负差分信号输入端v2-接收所述负差分传感信号vin_n或与前级乘法器的负差分信号输出端vo-相连，所述乘法器的正差分控制输入端v3+接收正差分系数控制信号vbi+，所述乘法器的负差分控制输入端v3-接收负差分系数控制信号vbi-。

所述加法器的信号输出端也会包括正差分信号输出端和负差分信号输出端，它们分别作为所述补偿器的正差分信号输出端和负差分信号输出端。

如图3所示的，所述乘法器包括第二运算放大器op2、第一场效应晶体管m1、第二场效应晶体管m2、第三场效应晶体管m3、第四场效应晶体管m4、第五场效应晶体管m5、第六场效应晶体管m6、第七场效应晶体管m7、第八场效应晶体管m8。

第二运算放大器op2包括第一输入端(+)、第二输入端(-)、第一输出端(+)和第二输出端(1)，第二运算放大器的第一输出端为所述乘法器的正差分信号输出端vo+，第二运算放大器的第二输出端为所述乘法器的负差分信号输出端vo-。

第一场效应晶体管的第一连接端和第二场效应晶体管的第一连接端相连，并作为所述乘法器的第一负差分信号输入端v1-，第三场效应晶体管的第一连接端和第四场效应晶体管的第一连接端相连，并作为所述乘法器的第一正差分信号输入端v1+。第一场效应晶体管m1的第二连接端和第四场效应晶体管m4的第二连接端相连，并与第二运算放大器op2的第二输入端相连，第二场效应晶体管m2的第二连接端和第三场效应晶体管m3的第二连接端相连，并第二运算放大器op2的第一输入端相连。第五场效应晶体管m5的第一连接端和第六场效应晶体管m6的第一连接端相连，并与第二运算放大器op2的第二输入端相连，第七场效应晶体管m7的第一连接端和第八场效应晶体管m8的第一连接端相连，并与第二运算放大器op2的第一输入端相连。第五场效应晶体管m5的第二连接端和第八场效应晶体管m8的第二连接端相连，并与第二运算放大器op2的第一输出端相连，第六场效应晶体管m6的第二连接端和第七场效应晶体管m7的第二连接端相连，并与第二运算放大器op2的第二输出端相连，第一场效应晶体管m1的控制端和第三场效应晶体管m3的控制端作为所述乘法器的第二正差分信号输入端v2+，第二场效应晶体管m2的控制端和第四场效应晶体管m4的控制端作为所述乘法器的第二负差分信号输入端v2-，第五场效应晶体管m5的控制端和第七场效应晶体管m7的控制端作为所述乘法器的正差分控制输入端v3+，第六场效应晶体管m6的控制端和第八场效应晶体管m8的控制端作为所述乘法器的负差分控制输入端v3-。

所述场效应晶体管可以为pmos晶体管或nmos晶体管。

各个场效应晶体管的第一连接端可以是该场效应晶体管的漏极，也可以是该场效应晶体管的源极。同样的，各个场效应晶体管的第二连接端可以是该场效应晶体管的源极，也可以是该场效应晶体管的漏极。实际应用中，场效应晶体管的漏极和源极是可以互换的。

所述乘法器的传递函数为：

其中voi为第i个乘法器的输出信号，δv1为所述乘法器的第一正差分信号输入端和第一负差分信号输入端的信号差，δv2为所述乘法器的第二正差分信号输入端和第二负差分信号输入端的信号差，δv3为所述乘法器的正差分控制输入端和负差分控制输入端的信号差，

为第i个乘法器的预定乘积系数

kin为所述乘法器的各个场效应晶体管的输入传导参数，kout为所述乘法器的各个场效应晶体管的输出传导参数，vbi为第i个乘法器的系数控制信号,kin和kout是常数项。

在实际应用中，可以根据需要设计所述乘法器的预定乘积系数αi，也可以根据需要设计乘法器的个数，比如2个、3个或更多个。

在一个改变的实施例中，所述补偿器可能只需要所述多阶多项式中的一项或几项，可以通过加法器来实现具体选择使用哪一项来进行补偿，比如可能只需要三阶函数进行补偿，那么所述加法器只需要保留第二个乘法器的输出信号就可以了，同理，如果只需要四阶函数进行补偿，那么所述加法器只需要保留第四个乘法器的输出信号就可以了。

本发明也可以提供一种传感装置，其包括传感器以及上文中描述的非线性补偿装置。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于所述具体实施方式。