信号放大系统及其霍尔检测放大系统的制作方法

本发明涉及电子电路，更具体地，本发明涉及放大电路。

背景技术：

在一些霍尔电压放大电路应用场合，要求放大电路的增益在整个温度范围内是恒定的。例如，运用霍尔传感器来进行电流检测时，由于在整个带宽内均存在白噪声，为了减小白噪声带来的影响，要求放大电路的带宽较窄。因为放大电路增益和放大电路带宽存在一定关系，这便会造成放大增益会随温度变化。现行的通常做法是通过修剪(trim)来保持增益恒定，但该方法比较繁琐复杂。

因此，需要提出一种增益在整个温度范围内恒定且电路形式简单的放大电路。

技术实现要素：

依据本发明实施例的一个方面，提出了一种放大系统。放大系统包括振荡电路和放大电路。振荡电路包括具有第一阻值R1的第一电阻和具有第一容值C1的第一电容，振荡电路提供具有频率f的振荡信号，其中，f＝k1/(R1×C1)，其中，k1为第一比例常数。放大电路耦接至振荡电路以接收振荡信号，并在振荡信号的控制下对放大电路输入端接收的输入信号进行放大，放大电路包括具有第二阻值R2的第二电阻和具有第二容值C2的第二电容，放大电路具有-3dB带宽W_-3db，其中，W_-3db＝k2/(R2×C2)，其中，k2为第二比例常数。其中，第一阻值R1和第一容值C1的乘积与第二阻值R2和第二容值C2的乘积的比值为常数。

依据本发明实施例的另一个方面，提出了一种霍尔检测放大系统，包括放大系统。放大系统包括振荡电路和放大电路。振荡电路包括具有第一阻值R1的第一电阻和具有第一容值C1的第一电容，振荡电路提供具有频率f的振荡信号，其中，f＝k1/(R1×C1)，其中，k1为第一比例常数。放大电路耦接至振荡电路以接收振荡信号，并在振荡信号的控制下对放大电路输入端接收的输入信号进行放大，放大电路包括具有第二阻值R2的第二电阻和具有第二容值C2的第二电容，放大电路具有-3dB带宽W_-3db，其中，W_-3db＝k2/(R2×C2)，其中，k2为第二比例常数。其中，第一阻值R1和第一容值C1的乘积与第二阻值R2和第二容值C2的乘积的比值为常数。霍尔检测放大系统还包括：第一晶体管和第二晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中，第一晶体管和第二晶体管的第一端接收霍尔偏置电流，第一晶体管的控制端耦接至振荡电路以接收振荡信号的反相信号，第二晶体管的控制端耦接至振荡电路以接收振荡信号；第三晶体管和第四晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中，第三晶体管和第四晶体管的第二端耦接至参考地，第三晶体管的控制端耦接至振荡电路以接收振荡信号的反相信号，第四晶体管的控制端耦接至振荡电路以接收振荡信号；第五晶体管和第六晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中，第五晶体管的第二端耦接至第二晶体管的第二端，第六晶体管的第二端耦接至第一晶体管的第二端，第五晶体管和第六晶体管的第一端耦接至放大电路的输入端，第五晶体管的控制端耦接至振荡电路以接收振荡信号，第六晶体管的控制端耦接至振荡电路以接收振荡信号的反相信号；第七晶体管和第八晶体管，具有第一端、第二端和控制端，其中，第七晶体管的第二端耦接至第三晶体管的第一端，第八晶体管的第二端耦接至第四晶体管的第一端，第七晶体管和第八晶体管的第一端耦接至放大电路的输入端，第七晶体管的控制端耦接至振荡电路以接收振荡信号，第八晶体管的控制端耦接至振荡电路以接收振荡信号的反相信号；以及霍尔传感器，具有第一接触点、第二接触点、第三接触点和第四接触点，其中，第一接触点耦接至第二晶体管的第二端，第二接触点耦接至第三晶体管的第一端，第三接触点耦接至第四晶体管的第一端，第四接触点耦接至第一晶体管的第二端。

利用本发明实施例提出的放大系统，具有恒定的增益。

附图说明

图1示出依据本发明一实施例的信号放大系统100。

图2示出依据本发明一实施例的用于图1中信号放大系统100的振荡电路200。

图3示出依据本发明一实施例的用于图1中信号放大系统100的放大电路300。

图4示出了依据本发明一实施例的用于放大电路300中的偏置部400。

图5示出依据本发明一实施例的用于放大电路300中的放大部500。

图6示出依据本发明一实施例的应用图1中信号放大系统100的霍尔检测放大系统600。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称“元件”“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

图1示出依据本发明一实施例的信号放大系统100。如图1所示，信号放大系统100包括振荡电路101和放大电路102。其中，振荡电路101包括第一电阻R1和第一电容C1，而放大电路102包括第二电阻R2和第二电容C2。在接下来的描述中，符号R1、R2、C1和C2可依据情况表示第一电阻、第二电阻、第一电容和第二电容，也可表示第一电阻所具有的第一阻值、第二电阻所具有的第二阻值、第一电容所具有的第一容值和第二电容所具有的第二容值。振荡电路101提供振荡信号Vosc，其中，振荡信号Vosc的频率f为：

f＝k1/(R1×C1) (1)

其中，k1为第一比例常数。

放大电路102耦接至振荡电路101以接收振荡信号Vosc，并在振荡信号Vosc的控制下对放大电路102接收的输入信号Vin进行放大以获得放大信号Vout。放大电路102具有-3dB带宽W_-3dB，其中，-3dB带宽W_-3dB为：

W_-3dB＝k2/(R2×C2) (2)

其中，k2为第二比例常数。

在图1所示的信号放大系统100中，第一阻值R1与第一容值C1的乘积和第二阻值R2与第二容值C2的乘积的比值为常数，即：

(R1×C1)/(R2×C2)＝k3 (3)

其中，k3为常数。

设放大电路102的闭环增益为A0，则根据放大器的相关知识可知，放大电路102的增益g可以表示为如下式所示：

将式(1)～(3)代入式(4)，则增益g可以表示为：

由(5)可见，由于k1、k2和k3均为常数，则增益g恒定。

图2示出依据本发明一实施例的用于图1中信号放大系统100的振荡电路200。如图2所示，振荡电路200包括振荡电流源IB_OSC1～IB_OSC3、振荡电阻R_OSC、第一振荡电容C_OSC1、第二振荡电容C_OSC2、第一振荡晶体管M_OSC1、第二振荡晶体管M_OSC2、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第一与非门NAND1、第二与非门NAND2、第一反相器INV1和第二反相器INV2。振荡电阻R_OSC与振荡电流源IB_OSC1串联耦接后耦接于供电电压VCC和参考地之间。第一振荡电容C_OSC1与振荡电流源IB_OSC2串联耦接后耦接于供电电压VCC和参考地之间。另外，第一振荡电容C_OSC1还与第一振荡晶体管M_OSC1并联耦接。第二振荡电容C_OSC2与振荡电流源IB_OSC3串联耦接后耦接于供电电压VCC和参考地之间。另外，第二振荡电容C_OSC2还与第二振荡晶体管M_OSC2并联耦接。第一比较器CMP1包括两个输入端和一个输出端，其中，第一比较器CMP1的两个输入端分别耦接至振荡电阻R_OSC与振荡电流源IB_OSC1的公共端和第一振荡电容C_OSC1与振荡电流源IB_OSC2的公共端。第二比较器CMP2包括两个输入端和一个输出端，其中，第二比较器CMP2的两个输入端分别耦接至振荡电阻R_OSC与振荡电流源IB_OSC1的公共端和第二振荡电容C_OSC2与振荡电流源IB_OSC3的公共端。第一与非门NAND1包括两个输入端和一个输出端，其中，第一与非门NAND1的一个输入端耦接至第一比较器CMP1的输出端。第二与非门NAND2包括两个输入端和一个输出端，其中，第二与非门NAND2的一个输入端耦接至第二比较器CMP2的输出端，第二与非门NAND2的另一个输入端耦接至第一与非门NAND1的输出端，且第二与非门NAND2的输出端耦接至第一与非门NAND1的另一个输入端。第一反相器INV1包括输入端和输出端，其中，第一反相器INV1的输入端耦接至第二与非门NAND2的输出端，且第一反相器INV1的输出端输出信号以控制第一振荡晶体管M_OSC1的导通与关断。第二反相器INV2包括输入端和输出端，其中，第二反相器INV2的输入端耦接至第一反相器INV1的输出端，且第二反相器INV2的输出端输出信号以作为振荡电路200输出的振荡信号V_OSC。该振荡信号V_OSC还用以控制第二振荡晶体管M_OSC2的导通与关断。

在图2所示的振荡电路200中，第一振荡电容C_OSC1和第二振荡电容C_OSC2采取相同的容值，均为第一容值C1；振荡电阻R_OSC具有第一阻值R1；而振荡电流源IB_OSC1～IB_OSC3采取相同的电流值。由电路原理可知，图2所示的振荡电路200输出方波形式的振荡信号V_OSC。振荡信号V_OSC的频率f和第一阻值R1以及第一容值C1有关，可具体表示为：

由公式(6)可见，图2所示的振荡电路200可产生具有公式(1)所示频率形式的振荡信号，具体地，在图2所示的振荡电路200中，第一比例常数k1＝1/2，因此，图2所示的振荡电路200可作为图1中信号放大电路100的振荡电路102。

本领域技术人员应当理解，在上述实施例中，第一振荡电容C_OSC1和第二振荡电容C_OSC2采取相同的容值，而振荡电流源IB_OSC1～IB_OSC3采取相同的电流值。然而，在其它实施例中，第一振荡电容C_OSC1和第二振荡电容C_OSC2也可采取不同的容值，此时，振荡电流源IB_OSC1～IB_OSC3相应地采取不同的电流值，只要它们的取值能够满足公式(6)即可。

图3示出依据本发明一实施例的用于图1中信号放大系统100的放大电路300。如图3所示，放大电路300包括偏置部301和放大部302。偏置部301包括第二电阻R2和偏置晶体管M_BS，其中，偏置晶体管M_BS具有宽长比W_MBS/L_MBS。偏置部301提供偏置电流IB，偏置电流IB与偏置晶体管M_BS的宽长比W_MBS/L_MBS以及第二电阻的阻值R2存在如下关系：

其中，k_NS为偏置比例常数。

放大部302包括放大晶体管M_AP和第二电容C2，放大晶体管M_AP具有宽长比W_MAP/L_MAP，其中，放大晶体管M_AP的宽长比W_MAP/L_MAP与偏置晶体管的宽长比W_MBS/L_MBS的比值为常数k_AB，即：

放大部302耦接至偏置部301以接收偏置部301提供的偏置电流IB，在偏置电流IB的作用下，将接收的输入信号Vin进行放大输出放大信号Vout。其中，放大部302具有如下的-3dB带宽W_-3dB：

其中，k_AP为放大比例常数。

将式(7)和(8)代入式(9)中，可得：

由公式(10)可见，图3所示的放大电路300可产生具有公式(2)所示形式的-3dB带宽w_-3dB，其中，因而，图3所示的放大电路300可作为图1中信号放大电路100的放大电路102。

图4示出了依据本发明一实施例的用于放大电路300中的偏置部400。如图4所示，偏置部400包括偏置晶体管M_BS1～M_BS7以及第二电阻R2。偏置晶体管M_BS1～M_BS7均具有第一端、第二端和控制端，第二电阻R2具有第一端和第二端。偏置晶体管M_BS1的第一端耦接至供电电压VCC，偏置晶体管M_BS1的第二端耦接至第二电阻R2的第一端，偏置晶体管M_BS1的控制端耦接至第二电阻R2的第二端。偏置晶体管M_BS2的第一端耦接至供电电压VCC，偏置晶体管M_BS2的控制端耦接至偏置晶体管M_BS1的第二端。偏置晶体管M_BS3的第一端耦接至第二电阻R2的第二端，偏置晶体管M_BS3的第二端耦接至参考地。偏置晶体管M_BS4的第一端耦接至偏置晶体管M_BS2的第二端，偏置晶体管M_BS4的第二端耦接至参考地，偏置晶体管M_BS4的控制端耦接至偏置晶体管M_BS3的控制端以及偏置晶体管M_BS4的第一端。偏置晶体管M_BS5的控制端亦耦接至偏置晶体管M_BS3的控制端，偏置晶体管M_BS5的第二端耦接至参考地。偏置晶体管M_BS6的第一端耦接至供电电压VCC，偏置晶体管M_BS6的第二端耦接至偏置晶体管M_BS5的第一端以及偏置晶体管M_BS6的控制端。偏置晶体管M_BS7的第一端耦接至供电电压VCC，偏置晶体管M_BS7的控制端耦接至偏置晶体管M_BS6的控制端。偏置晶体管M_BS7的第二端作为偏置部400的输出，提供偏置电流IB。

在一个实施例中，偏置晶体管M_BS1～M_BS7的第一端均为源极端，偏置晶体管M_BS1～M_BS7的第二端均为漏极端。

在一个实施例中，偏置晶体管M_BS1和M_BS3～M_BS6具有相同的尺寸，其宽长比为W_MBS/L_MBS，而偏置晶体管M_BS2的尺寸是偏置晶体管M_BS1的尺寸的m1倍，偏置晶体管M_BS7的尺寸是偏置晶体管M_BS6的尺寸的m2倍，则由电路相关知识可知，偏置部400提供的偏置电流IB为：

其中，μ为制作偏置晶体管的半导体中的载流子迁移率，C_OX为偏置晶体管器件的单位面积的栅氧化层电容，为偏置晶体管M_BS1的器件宽长比，R2表示第二电阻的阻值。

在一个实施例中，m1＝4，m2＝10，则偏置电流IB为：

由公式(12)可见，图4所示的偏置部400可产生具有公式(7)所示形式的-3dB带宽w_-３dB，其中，因而，图4所示的偏置部400可作为图3中放大电路300的偏置部。

图5示出依据本发明一实施例的用于放大电路300中的放大部500。如图5所示，放大部500包括晶体管M_AP1和M_AP2。放大晶体管M_AP1和M_AP2均具有第一端、第二端和控制端。放大晶体管M_AP1和M_AP2的第一端耦接在一起并接收偏置电流IB，放大晶体管M_AP1和M_AP2的控制端接收输入信号vin+和vin-，放大晶体管M_AP1和M_AP2的第二端提供输出信号vout+和vout-。在一个实施例中，放大晶体管M_AP1和M_AP2的第一端为源极端，而放大晶体管M_AP1和M_AP2的第二端为漏极端。

在一个实施例中，放大晶体管M_AP1和M_AP2具有相同尺寸，其宽长比为则由电路相关知识可知，图5所示放大部500的放大增益gm为：

由电路相关知识还可知，图5所示放大部500的-3dB带宽w_-3dB为：

其中C2为第二电容的容值。应当注意的是，在图5所示放大部500中，仅示出放大电路的输入级，因而并未包括第二电容C2，该第二电容C2位于下游的放大电路输出级(未示出)中，为米勒补偿电容。

将公式(13)代入公式(14)中，可进一步得到放大部500的-3dB带宽w_-3dB为：

由公式(15)可见，图5所示的放大部500可产生具有公式(9)所示形式的-3dB带宽w_-3dB，其中，因而，图5所示的放大部500可作为图3中放大电路300的放大部。

将图4所示偏置部400、图5所示放大部500耦接在一起形成放大电路，并进一步与图2所示的振荡电路耦接在一起形成信号放大系统。则可将式(12)代入式(15)，得到放大电路的-3dB带宽W_-3dB为:

取则：

再进一步地，将式(6)和式(17)代入式(4)中，由电路的相关知识可获得信号放大系统的增益g为：

由于(R1×C1)/(R2×C2)＝k3，即比值恒定，则信号放大系统的增益g恒定不变。

图6示出依据本发明一实施例的应用图1中信号放大系统100的霍尔检测放大系统600。如图6所示，霍尔检测放大系统600包括晶体管M1～M8，晶体管M1～M8均具有第一端、第二端和控制端。晶体管M1和M2的第一端接收霍尔偏置电流I_BH以对接下来即将描述的霍尔传感器H进行偏置。晶体管M3和M4的第二端耦接至参考地。晶体管M5和M6的第二端耦接至晶体管M1和M2的第二端。晶体管M7和M8的第二端耦接至晶体管M3和M4的第一端。晶体管M1、M3、M6和M8的控制端耦接至图1中的振荡电路101以接收振荡信号的反相信号，而晶体管M2、M4、M5和M7的控制端耦接至图1中的振荡电路101以接收振荡信号。为便于描述，振荡电路101未在图6中示出。另外，在图6中，振荡电路101产生的振荡信号表示为CK，而振荡信号的反相信号表示为在一个实施例中，晶体管M1～M8的第一端为源极端且其第二端为漏极端。在另一实施例中，晶体管M1和M2为P型晶体管，而晶体管M3～M8为N型晶体管。

如图6所示，霍尔检测放大系统600还包括霍尔传感器H，霍尔传感器H具有四个接触点H1～H4，其中，接触点H1耦接至晶体管M2的第二端，接触点H2耦接至晶体管M3的第一端，接触点H3耦接至晶体管M4的第一端，接触点H4耦接至晶体管M1的第二端。霍尔检测放大系统600还包括图1中的放大电路，此处表示为放大电路A。放大电路A具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中，放大电路A的第一输入端耦接至晶体管M5和M6的第一端，放大电路A的第二输入端耦接至晶体管M7和M8的第一端，放大电路A的输出端输出放大信号V1以作为霍尔检测放大系统600的输出。

这样，当振荡信号CK为低电平时，即CK＝0，时，晶体管M2、M3、M6和M8导通，而晶体管M1、M4、M5和M7关断。因而，霍尔传感器H的接触点H1和H2接收霍尔偏置电流I_BH，而接触点H3和H4分别耦接至放大电路A的两个输入端。此时，可以得到放大电路A的输入电压为：

V_IN＝V_H+V_OFFSET (19)

其中，V_H为霍尔电压，其与霍尔传感器H的磁通密度、霍尔板的灵敏度以及施加在霍尔板上的偏置电流有关；V_OFFSET表示霍尔板的偏移量、放大电路A的输入参考偏移量以及霍尔板上产生的1/f噪声。

当振荡信号CK为高电平时，即CK＝1，时，晶体管M2、M3、M6和M8关断，而晶体管M1、M4、M5和M7导通。因而，霍尔传感器H的接触点H3和H4接收霍尔偏置电流I_BH，而接触点H1和H2分别耦接至放大电路A的两个输入端。此时，可以得到放大电路A的输入电压为：

V_IN＝-V_H+V_OFFSET (20)

由式(19)和式(20)可知，有效的霍尔电压值得到了调制。

由于应用图1所示的信号放大系统，霍尔检测放大系统600的放大增益恒定，使得霍尔检测放大系统600的带宽可以做得较窄，从而能够减小白噪声的影响。

虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。