本发明涉及一种低噪声线性霍尔传感器读出电路及其工作方法。
背景技术：
近年来，基于CMOS工艺的霍尔传感器拥有低成本、低功耗、高可靠性、高集成度以及强抗干扰能力等众多优点，并且霍尔传感器可以通过一系列转换来测量压力、速度、加速度、角速度、电流等非电学量，使得霍尔传感器在汽车领域、智能家居、工业生产、电源管理、航天和军用等领域得到广泛的应用。然而，对于线性霍尔传感器，如果应用于要求高精度的汽车和工业领域，并能够在较大温度范围内稳定地工作，则对线性霍尔传感器的性能提出了更高的要求，需要霍尔传感器具有更好的温度特性和精度，同时满足低噪声输出。
利用CMOS工艺制作的霍尔传感器产生的霍尔电压信号非常微弱，一般在几百微伏到几个毫伏之间，并混杂有失调电压和噪声。由于封装应力产生的压阻效应和不同材料之间的赛贝克效应都会使霍尔元件产生较大的失调电压；此外由于CMOS工艺的缺陷导致霍尔元件N阱的厚度并不均匀，所以霍尔元件桥臂电阻并不一致，从而产生失调电压；同时读出电路也会引入一系列噪声，如热噪声、闪烁噪声等。相对于微弱的霍尔信号来说，这些非理想因素产生的无用信号会掩盖了霍尔信号，因此需要高精度的读出电路来线性放大这个微弱的信号同时消除失调电压及1/f噪声。高精度的仪表放大器就是一个比较好的选择，相比于传统的放大器，高精度仪表放大器呈现出低噪声、低失调和高共模抑制比等特点，并且可以通过相应的结构改进来提高系统精度。除了精度要求之外，霍尔传感器良好的温度特性在很多应用领域也很关键。由于霍尔元件产生的霍尔电压会随温度的变化而变化，从而导致整体系统精度变差，因此需要进行温度补偿来减小温漂，可以使霍尔传感器在较大的温度范围内能够准确而稳定地工作。
本发明提出了一种低噪声，高精度，低温漂的线性霍尔传感器读出电路，采用旋转电流技术和斩波技术，可以有效地消除电路失调电压和1/f噪声。同时引入开关电容陷波滤波器（SC Notch Filter）有效地减小电路纹波，并使用PTAT电流补偿技术来提高整体电路温度特性，从而提高电路精度。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种低噪声线性霍尔传感器读出电路及其工作方法，可以有效地消除电路失调电压和1/f噪声的同时还能降低电路纹波幅度，从而提高整体电路精度；本发明在霍尔传感器的读出电路领域有着巨大的应用。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种低噪声线性霍尔传感器读出电路，包括霍尔元件、旋转电流电路、第一放大器、斩波器、第二放大器、PTAT电流产生电路、开关电容陷波滤波器、缓冲器；所述霍尔元件与旋转电流电路的输入端相连，旋转电流电路的输出端与第一放大器的输入端连接，第一放大器的输出端连接至斩波器的输入端，斩波器的输出端与第二放大器的输入端连接，第二放大器的输出端与开关电容陷波滤波器的输入端相连，开关电容陷波滤波器的输出端与缓冲器的输入端相连，所述PTAT电流产生电路与第二放大器的输入端连接；缓冲器的输出端作为所述低噪声线性霍尔传感器读出电路的输出端。
在本发明一实施例中，所述斩波器的输出端通过电阻与第二放大器的输入端连接。
在本发明一实施例中，所述开关电容陷波滤波器的输出端通过电阻与缓冲器的输入端连接。
在本发明一实施例中，所述霍尔元件为具有四个端口的霍尔盘；所述旋转电流电路包括第一至第八MOS管，其连接关系如下：第一MOS管的一端、第二MOS管的一端相连接至霍尔盘的第一端口，第一MOS管的另一端与第二MOS管的一端相连接至电源端，第二MOS管的另一端与第四MOS管的一端相连接作为所述旋转电流电路的第一输出端，第三MOS管的另一端与第四MOS管的另一端相连接至霍尔盘的第二端口，第五MOS管的一端与第六MOS管的一端相连接至霍尔盘的第三端口，第五MOS管的另一端与第七MOS管的一端相连接至GND，第六MOS管的另一端与第八MOS管的一端相连接作为所述旋转电流电路的第二输出端，第七MOS管的另一端与第八MOS管的另一端相连接至霍尔盘的第四端口。
在本发明一实施例中，所述第一MOS管、第四MOS管、第六MOS管、第七MOS管的控制端相连接，并作为所述旋转电流电路的第一控制端，所述第二MOS管、第三MOS管、第五MOS管、第八MOS管的控制端相连接，并作为所述旋转电流电路的第二控制端，第一控制端的控制信号、第二控制端的控制信号由两相非交叠时钟提供。
在本发明一实施例中，所述开关电容陷波滤波器包括第一至第八开关管组、第一电容、第二电容，所述第一至第八开关管组均包括两个MOS管，其一MOS管的源极与另一MOS管的漏极连接作为所述开关管组的第一端，其一MOS管的漏极与另一MOS管的源极连接作为所述开关管组的第二端，其一MOS管的栅极与另一MOS管的栅极由完全反向的时钟提供控制信号；第一开关管组的第一端与第五MOS管组的第二端相连接作为所述开关电容陷波滤波器的第一输入端，第一开关管组的第二端与第二开关管组的第二端相连接，并经第一电容与第三开关管组的第二端、第六开关管组的第二端连接，第二开关管组的第一端与第四开关管组的第二端相连接作为所述开关电容陷波滤波器的第一输出端，第三开关管组的第一端与第七开关管组的第二端相连接作为所述开关电容陷波滤波器的第二输入端，第四开关管组的第一端与第五开关管组的第一端相连接，并经第二电容与第七开关管组的第一端、第八开关管组的第一端连接，第六开关管组的第一端与第八开关管组的第二端相连接作为所述开关电容陷波滤波器的第二输出端。
在本发明一实施例中，所述PTAT电流产生电路包括PTAT电流生成电路、与温度无关的电流生成电路，其中，PTAT电流生成电路与所述第二放大器的正输入端连接，与温度无关的电流生成电路与所述第二放大器的负输入端连接。
在本发明一实施例中，所述PTAT电流生成电路包括MOS管M1、M2、M3，三极管Q1、Q2，电阻R5，放大器A4，M1的栅极、M2的栅极、M3的栅极相连接至A4的输出端，M1的源极、M2的源极、M3的源极相连接至电源端，M1的漏极与Q1的发射极、A4的负输入端连接，M2的漏极与R5的一端、A4的正输入端连接，M3的漏极连接至所述第二放大器的正输入端，R5的另一端与Q2的发射极连接，Q1的基极与Q1的集电极、Q2的基极、Q2的集电极相连接至GND。
在本发明一实施例中，所述与温度无关的电流生成电路包括MOS管M4、M5、M6，三极管Q3、Q4，电阻R6、R7、R8、R9，放大器A5、A6，M4的栅极与A6的输出端连接，M4的漏极与M5的漏极、M5的栅极、M6的栅极连接，M4的源极与R9的一端、A6的负输入端连接，M5的源极、M6的源极相连接至电源端，M6的漏极连接至所述第二放大器的负输入端，Q3的基极与Q3的集电极、Q4的基极、Q4的集电极、R9的另一端相连接至GND，Q3的发射极与R7的一端相连接至A5的正输入端，Q4的发射极经R6与R8的一端、A5的负输入端连接，R7的另一端、R8的另一端相连接至A6的正输入端、A5的输出端。
本发明还提供了一种基于上述所述低噪声线性霍尔传感器读出电路的工作方法，实现如下：
霍尔盘通过片外偏置电流，产生相应的霍尔电压，同时会产生失调电压和低频1/f噪声，因而由霍尔盘产生的信号是由霍尔电压VHall和失调电压Voffset及1/f噪声组成；由霍尔盘产生的信号，经过旋转电流电路后，霍尔电压VHall被调制成频率为fspin的交流信号输出，而失调电压Voffset和低频1/f噪声保持在直流状态；而后，经过第一放大器进行放大，再经过斩波频率为fchop的斩波器，交流的霍尔电压被解调至直流信号，而失调电压Voffset和低频1/f噪声则被调制成频率为fchop的交流信号，在斩波器输出端以纹波形式输出；其中，fspin与fchop设置成相同频率；斩波器输出的纹波经第二放大器及滤波处理后，残余纹波进一步被频率为fspin的开关电容陷波滤波器消除，从而降低输出纹波幅度；最后利用缓冲器双转单输出一个与磁场强度成正比的霍尔电压；
由于霍尔盘产生的霍尔电压会随着温度升高而下降，与温度成负相关，因此为了提高输出霍尔电压的线性度及温度特性，在第二放大器的正输入端注入一个与绝对温度成正相关的PTAT电流IPTAT和负输入端注入一个与温度无关电流Inontemp来进行温度补偿，提高输出霍尔电压温度特性和线性度。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明在传统的带斩波仪表放大器结构的基础上，结合旋转电流技术和斩波技术，实现对霍尔盘和运放失调电压及1/f噪声的消除，再引入SC Notch Filter来消除残余纹波，同时使用PTAT电流补偿技术来提高了输出霍尔电压温度特性和线性度，使得霍尔传感器可以在-40℃至150℃温度范围内准确稳定地工作；因此本发明中提出的霍尔传感器的读出电路可以有效地消除电路失调电压和1/f噪声的同时还能降低电路纹波幅度，从而提高整体电路精度；本发明在霍尔传感器的读出电路领域有着巨大的应用。
附图说明
图1为传统的带斩波仪表放大器结构图。
图2为线性霍尔传感器读出电路系统结构图。
图3为旋转电流电路原理图。
图4为旋转电流电路输出电压示意图。
图5为开关电容陷波滤波器结构图。
图6为开关电容陷波滤波器工作原理图。
图7为PTAT电流生成电路原理图。
图8为与温度无关的电流生成电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种低噪声线性霍尔传感器读出电路，包括霍尔元件、旋转电流电路、第一放大器、斩波器、第二放大器、PTAT电流产生电路、开关电容陷波滤波器、缓冲器；所述霍尔元件与旋转电流电路的输入端相连，旋转电流电路的输出端与第一放大器的输入端连接，第一放大器的输出端连接至斩波器的输入端，斩波器的输出端与第二放大器的输入端连接，第二放大器的输出端与开关电容陷波滤波器的输入端相连，开关电容陷波滤波器的输出端与缓冲器的输入端相连，所述PTAT电流产生电路与第二放大器的输入端连接；缓冲器的输出端作为所述低噪声线性霍尔传感器读出电路的输出端。所述斩波器的输出端通过电阻与第二放大器的输入端连接。所述开关电容陷波滤波器的输出端通过电阻与缓冲器的输入端连接。
所述霍尔元件为具有四个端口的霍尔盘；所述旋转电流电路包括第一至第八MOS管，其连接关系如下：第一MOS管的一端、第二MOS管的一端相连接至霍尔盘的第一端口，第一MOS管的另一端与第二MOS管的一端相连接至电源端，第二MOS管的另一端与第四MOS管的一端相连接作为所述旋转电流电路的第一输出端，第三MOS管的另一端与第四MOS管的另一端相连接至霍尔盘的第二端口，第五MOS管的一端与第六MOS管的一端相连接至霍尔盘的第三端口，第五MOS管的另一端与第七MOS管的一端相连接至GND，第六MOS管的另一端与第八MOS管的一端相连接作为所述旋转电流电路的第二输出端，第七MOS管的另一端与第八MOS管的另一端相连接至霍尔盘的第四端口。所述第一MOS管、第四MOS管、第六MOS管、第七MOS管的控制端相连接，并作为所述旋转电流电路的第一控制端，所述第二MOS管、第三MOS管、第五MOS管、第八MOS管的控制端相连接，并作为所述旋转电流电路的第二控制端，第一控制端的控制信号、第二控制端的控制信号由两相非交叠时钟提供。
所述开关电容陷波滤波器包括第一至第八开关管组、第一电容、第二电容，所述第一至第八开关管组均包括两个MOS管，其一MOS管的源极与另一MOS管的漏极连接作为所述开关管组的第一端，其一MOS管的漏极与另一MOS管的源极连接作为所述开关管组的第二端，其一MOS管的栅极与另一MOS管的栅极由完全反向的时钟提供控制信号；第一开关管组的第一端与第五MOS管组的第二端相连接作为所述开关电容陷波滤波器的第一输入端，第一开关管组的第二端与第二开关管组的第二端相连接，并经第一电容与第三开关管组的第二端、第六开关管组的第二端连接，第二开关管组的第一端与第四开关管组的第二端相连接作为所述开关电容陷波滤波器的第一输出端，第三开关管组的第一端与第七开关管组的第二端相连接作为所述开关电容陷波滤波器的第二输入端，第四开关管组的第一端与第五开关管组的第一端相连接，并经第二电容与第七开关管组的第一端、第八开关管组的第一端连接，第六开关管组的第一端与第八开关管组的第二端相连接作为所述开关电容陷波滤波器的第二输出端。
所述PTAT电流产生电路包括PTAT电流生成电路、与温度无关的电流生成电路，其中，PTAT电流生成电路与所述第二放大器的正输入端连接，与温度无关的电流生成电路与所述第二放大器的负输入端连接。所述PTAT电流生成电路包括MOS管M1、M2、M3，三极管Q1、Q2，电阻R5，放大器A4，M1的栅极、M2的栅极、M3的栅极相连接至A4的输出端，M1的源极、M2的源极、M3的源极相连接至电源端，M1的漏极与Q1的发射极、A4的负输入端连接，M2的漏极与R5的一端、A4的正输入端连接，M3的漏极连接至所述第二放大器的正输入端，R5的另一端与Q2的发射极连接，Q1的基极与Q1的集电极、Q2的基极、Q2的集电极相连接至GND。所述与温度无关的电流生成电路包括MOS管M4、M5、M6，三极管Q3、Q4，电阻R6、R7、R8、R9，放大器A5、A6，M4的栅极与A6的输出端连接，M4的漏极与M5的漏极、M5的栅极、M6的栅极连接，M4的源极与R9的一端、A6的负输入端连接，M5的源极、M6的源极相连接至电源端，M6的漏极连接至所述第二放大器的负输入端，Q3的基极与Q3的集电极、Q4的基极、Q4的集电极、R9的另一端相连接至GND，Q3的发射极与R7的一端相连接至A5的正输入端，Q4的发射极经R6与R8的一端、A5的负输入端连接，R7的另一端、R8的另一端相连接至A6的正输入端、A5的输出端。
本发明还提供了一种基于上述所述低噪声线性霍尔传感器读出电路的工作方法，实现如下：
霍尔盘通过片外偏置电流，产生相应的霍尔电压，同时会产生失调电压和低频1/f噪声，因而由霍尔盘产生的信号是由霍尔电压VHall和失调电压Voffset及1/f噪声组成；由霍尔盘产生的信号，经过旋转电流电路后，霍尔电压VHall被调制成频率为fspin的交流信号输出，而失调电压Voffset和低频1/f噪声保持在直流状态；而后，经过第一放大器进行放大，再经过斩波频率为fchop的斩波器，交流的霍尔电压被解调至直流信号，而失调电压Voffset和低频1/f噪声则被调制成频率为fchop的交流信号，在斩波器输出端以纹波形式输出；其中，fspin与fchop设置成相同频率；斩波器输出的纹波经第二放大器及滤波处理后，残余纹波进一步被频率为fspin的开关电容陷波滤波器消除，从而降低输出纹波幅度；最后利用缓冲器双转单输出一个与磁场强度成正比的霍尔电压；
由于霍尔盘产生的霍尔电压会随着温度升高而下降，与温度成负相关，因此为了提高输出霍尔电压的线性度及温度特性，在第二放大器的正输入端注入一个与绝对温度成正相关的PTAT电流IPTAT和负输入端注入一个与温度无关电流Inontemp来进行温度补偿，提高输出霍尔电压温度特性和线性度。
以下为本发明的具体实现过程。
本发明设计主要由前端霍尔元件，旋转电流电路，放大器A1，斩波器CH1，放大器A2，SC Notch Filter，PTAT电流产生电路以及缓冲器A3组成。本发明基于旋转电流技术和斩波技术，同时结合PTAT电流补偿技术，研究并设计了一种应用于线性霍尔传感器的高精度、低噪声、低温漂读出电路。传统的应用于霍尔传感器读出电路的带斩波仪表放大器结构如图1所示。本设计在传统结构的基础上采用了两相旋转电流技术，实现了霍尔电压与霍尔失调电压的分离，同时结合斩波技术及引入SC Notch Filter来消除失调电压及1/f噪声，并且能有效地抑制输出纹波幅度，从而大大提高了整体电路的精度。利用PTAT电流补偿技术来提高电路温度特性，降低温漂，使霍尔传感器能在-40℃至150℃温度范围内准确稳定地工作。本发明设计采用SMIC 0.18μm CMOS工艺实现，电源电压为3.6V，斩波频率fchop为250kHz，通过Spectre仿真，整体电路-3dB带宽为11kHz，纹波抑制比可达39.6dB，等效输入参考噪声功率谱密度PSD为15nV/√Hz，静态输出电压为1.8V，整体电路能在温度为-40℃至150℃范围内稳定准确的工作，整体设计的仿真结果达到了低噪声、高精度和高稳定性霍尔传感器的读出电路要求。
整体系统的结构图如图2所示。霍尔元件直接与旋转电流电路直接相连，旋转电流电路输出端与该通路中的第一级运放A1相连，运放A1的输出端直接连接到斩波器CH1，斩波器CH1的输出端通过电阻R1与该通路中的第二级运放A2相连，运放A2输出端与SC Notch Filter相连，SC Notch Filter的输出端通过电阻R3与该通路中的缓冲器A3相连。同时，PTAT电流补偿电路直接连接到A2的输入端。霍尔元件通过片外偏置电流，产生相应的霍尔电压，由于工艺缺陷等原因，会使霍尔元件产生很严重的失调电压和低频1/f噪声，因而由霍尔元件产生的信号是由霍尔电压VHall和失调电压Voffset及1/f噪声组成。由霍尔元件产生的信号，经过两相旋转电流电路后，霍尔电压VHall被调制成频率为fspin的交流信号输出，而失调电压Voffset和低频1/f噪声保持在直流状态。经过第一级运放A1进行放大，再经过斩波频率为fchop的斩波器CH1，交流的霍尔电压被解调至直流信号，而霍尔元件和放大器本身的失调电压Voffset和低频1/f噪声则被调制成频率为fchop的交流信号，在斩波器CH1输出端以纹波形式输出。为了保证准确的解调霍尔电压，fspin与fchop设置成相同频率。该纹波被由R1、R2、C1和A2组成的一阶低通滤波作用进行滤除，残余纹波进一步被频率为fspin的SC Notch Filter消除，从而可以有效地降低输出纹波幅度。最后利用缓冲器A2双转单输出一个与磁场强度成正比的霍尔电压。由于霍尔元件产生的霍尔电压会随着温度升高而下降，与温度成负相关，因此为了提高输出霍尔电压的线性度及温度特性，在第二级运放A2的正输入端注入一个与绝对温度成正相关的PTAT电流I1和负输入端注入一个与温度无关电流Inontemp来进行温度补偿。利用在电阻R2上产生的一个随温度升高而上升的压降，来补偿随温度升高而下降的霍尔电压，从而提高了输出霍尔电压温度特性和线性度。
前端霍尔元件通常采用N阱工艺制成，包含四个端口，可以将其等效为一个惠斯通电桥。由于霍尔元件掺杂浓度的不均匀性以及N阱深度的不同，都会使霍尔传感器产生很严重的失调电压和低频1/f噪声，而且霍尔传感器产生的霍尔信号在经过仪表放大器放大时，也会叠加一些放大器的失调和噪声。这些非理想因素的量级很大，很多情况下其量级大到掩盖了霍尔元件输出的信号。因此，必须采取相关技术来消除霍尔传感器的失调和噪声。旋转电流技术作为一种消除动态失调的方法被应用于霍尔传感器中，通过改变霍尔元件控制端与输出端的位置来改变霍尔电压VHall和失调电压Voffset的极性，实现霍尔电压与霍尔失调电压的分离。两相旋转电流技术的电路原理图如图3所示。其中1a、1b、1c、1d为霍尔元件控制端口，2a、2b、2c、2d、3a、3b、3c、3d为MOS开关管。其工作原理为：当CLK=1，CLK’=0时（CLK和CLK’为控制MOS开关管的两相非交叠时钟），开关管3a、2b、2d、3d导通，开关管3b、2a、2c、3d断开。此时1a接电源电压，1c接地，电流由1a流向1c。1b接VO+，1d接VO-，旋转电流电路输出的电压为VHall+Voffset。当CLK=0，CLK’=1时，开关管3a、2b、2d、3d断开，开关管3b、2a、2c、3d导通；此时1b接电源电压，1d接地，电流由1b流向1d。1a接VO+，1c接VO-，旋转电流电路输出的电压为-VHall+Voffset。霍尔元件输出信号经过旋转电流电路处理后实现了霍尔电压VHall与失调电压Voffset的分离，同时霍尔电压VHall被调制到频率为fspin的交流信号，而失调电压Voffset保持在直流状态，如图4所示。
为了进一步消除电路纹波，引入了SC Notch Filter电路，如图5所示，其中CH和CHB是一组完全反向时钟。为了实现连续时间信号的采样，使用了两个采样电容C2和C3，两者交替进入采样、保持阶段：当C2采样输入端信号时，C3保持上一个阶段采样得到的信号；之后C3进入采样周期，而C2进入保持周期。陷波滤波器的工作原理如图6所示，陷波滤波器的开关频率与斩波频率相同，但是相位延迟了90°，这样陷波滤波器里的采样电容就可以采样到斩波器CH1输出电压的中间值，也就是整体电路的输入电压。陷波滤波器的纹波抑制的倍数与时钟的准确度直接相关，需要确保陷波滤波器的时钟与斩波时钟要有准确的90°的相位延迟。
为了提高输出霍尔电压的温度特性和线性度，引入了PTAT电流补偿技术。PTAT电流生成电路如图7所示，与温度无关的电流生成电路如图8所示。PTAT电流是一个与绝对温度成正比的电流，使用以VT为基准的偏置源来产生。MOS管M1和M2完全相同，这样可以使得I1=I2=IPTAT。三极管Q1和Q2类型相同，发射极面积比例为1：N，实际设计中通常取1：8。由运放的负反馈功能可以得到A点和B点电压相等，所以在这里取三极管Q1和Q2的发射极面积比为1：8，那么输出电流I1为：
由于VT是一个正温度系数相关的工艺参数，所以可以得到一个PTAT电流。当温度变化时，霍尔盘会产生一个随温度上升而下降的电压，所以会产生较大的温漂，所以需要温度补偿来减小温漂。其工作原理为：当温度上升△T时，霍尔盘会产生一个下降的电压△V，利用以VT为基准的偏置源来产生一个与绝对温度成正比的PTAT电流IPTAT，并接入第二级运放A2的正输入端。再利用一个简单的带隙基准产生一个与温度无关的电流Inontemp，并接入第二级运放A2的负输入端，利用在电阻R2上产生的一个随温度升高而上升的压降，来补偿随温度升高而下降的霍尔电压，从而提高了输出霍尔电压温度特性和线性度。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。