一种消除霍尔失调的四相电流旋转电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种消除霍尔失调的四相电流旋转电路，该电路是由16个开关管构成；时钟信号CLK1控制K11、K21、K31、K41；时钟信号CLK2控制K12、K22、K32、K42；时钟信号CLK3控制K13、K23、K33、K43；时钟信号CLK4控制K14、K24、K34、K44；开关管K11，K24，K33，K42的一端与霍尔传感器的1号端口相连，开关管K12，K23，K34，K41的一端与霍尔传感器的2号端口相连，开关管K13，K22，K31，K44的一端与霍尔传感器的3号端口相连，开关管K14，K21，K32，K43的一端与霍尔传感器的4号端口相连；开关管K11，K12，K13，K14的另一端与VDD相连，开关管K21，K22，K23，K24的另一端与V-输出相连，开关管K31，K32，K33，K34的另一端与GND相连，开关管K41，K42，K43，K44的另一端与V+输出相连。
【专利说明】—种消除霍尔失调的四相电流旋转电路
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电学【技术领域】，特别涉及一种消除霍尔失调的四相电流旋转电路。
【背景技术】
[0002]霍尔传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换元件，凭借其工艺简单、体积小、生产成本低、安装简便、工作电压范围宽、使用寿命长、测量精度高以及防尘、防油等优点，已经广泛地应用到工业变频控制、交通运输、医疗系统、电子消费品和各类智能仪表等领域。
[0003]然而基于硅工艺的霍尔传感器的磁场灵敏度低，失调很严重，必须采用相应的技术来消除失调。目前国内外消除失调电压和低频噪声的技术有旋转电流技术、斩波调制技术以及双相关采样技术等。其中双相关采样技术需要采样、保持的处理过程，因此电路的输入端会引入较大的失调电压，只适用于要求不高的数据采样系统。而斩波调制技术结合了调制、解调的优点，电路引入的残余失调较低，能够使用要求严格的连续信号处理系统。然而这两种消除失调的技术只能消除霍尔传感器自身产生的失调电压，对外部电路产生的失调效应无能为力。旋转电流法的电路结构简单、原理通俗易懂，并且能够动态消除失调电压和低频噪声，因此得到了广泛的应用。
[0004]传统的旋转电流法一般采用二相旋转电流法，并且根据不同的工作方式可以分为静态旋转电流法和动态旋转电流法。然而，二相旋转电流法总是无法将所有的残余失调全部去除，使得霍尔信号仍然带有一定的失调和噪声。而本实用新型能够很好地解决上面的问题。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于针对传统的消除霍尔失调的二相电流旋转方法提出了一种新颖的四相电流旋转方法，该方法能在最大程度上消除霍尔传感器产生的失调电压，而且电路结构简单，不会增加电路制造的成本。
[0006]本发明解决其技术问题所采取的技术方案是:本实用新型针对消除霍尔传感器的失调电压和低频噪声提出了一种消除霍尔失调的四相电流旋转电路，如图1所示，该电路是由 16 个开关管(Kll、K12、K13、K14、K21、K22、K23、K24、K31、K32、K33、K34、K41、K42、K43、K44)构成。时钟信号 CLKl 控制 Κ11、Κ21、Κ31、Κ41 ;时钟信号 CLK2 控制 Κ12、Κ22、Κ32、Κ42 ;时钟信号 CLK3 控制 Κ13、Κ23、Κ33、Κ43 ;时钟信号 CLK4 控制 Κ14、Κ24、Κ34、Κ44。开关管Κ11，Κ24，Κ33，Κ42的一端与霍尔传感器的I号端口相连，开关管Κ12，Κ23，Κ34，Κ41的一端与霍尔传感器的2号端口相连，开关管Κ13，Κ22，K3LK44的一端与霍尔传感器的3号端口相连，开关管Κ14，Κ21，Κ32，Κ43的一端与霍尔传感器的4号端口相连。开关管Κ11，Κ12，Κ13，Κ14的另一端与VDD相连，开关管Κ21，Κ22，Κ23，Κ24的另一端与V-输出相连，开关管Κ31，Κ32，Κ33，Κ34的另一端与GND相连，开关管Κ41，Κ42，Κ43，Κ44的另一端与V+输出相连。该电路的霍尔磁传感器件内部是对称的结构，通常有四个输入/输出端口，其中两个端口输入偏置电压或电流，另外两个端口输出霍尔信号，四个端口分别用端口 I，2，3，4表示，如果端口 I和端口 3之间接入偏置电压或电流，则端口 2和端口 4之间输出霍尔信号；如果端口 2和端口 4之间接入偏置电压或电流，则端口 I和端口 3之间输出霍尔信号。
[0007]本实用新型整体电路主要由电流旋转电路，放大电路，高通滤波器，双相关采样电路，具有采样保持功能的加法电路和低通滤波器实现。霍尔传感器的四个端口接入电流旋转电路，并在时钟信号的控制下使霍尔传感器不断在四种不同的工作方式下变化。霍尔信号经电流旋转电路后引入放大电路，放大电路与高通滤波器相连，高通滤波器的另一端与双相关采样电路相连，解调后的信号输入具有采样保持功能的加法电路，将前后周期产生的信号相加，后经低通滤波器输出。
[0008]有益效果:
[0009]本实用新型所述四相电流旋转方法相对于传统的消除霍尔传感器的失调电压的方法，主要存在以下几个突出的优点:
[0010]1、本实用新型的电路结构简单；该电路只需要十六只NMOS管即可实现功能，相对于其他消除失调的电路更加简单，可以节省面积，降低制造成本。
[0011]2、本实用新型能够最大程度消除失调；本实用新型将四种工作方式下的霍尔信号进行相加减，在最大程度上消除霍尔传感器的失调电压，相对于传统的二相电流旋转法效果更加明显。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本实用新型提出的实现四相电流旋转的开关控制原理图。
[0013]标识说明:1-表不I号端口 ；2_表不2号端口 ；3_表不3号端口 ；4_表不4号端□。
[0014]图2是利用四相旋转电流法来消除霍尔传感器的失调电压的整体电路原理图。
[0015]图3是四相电流旋转所实现的四种具体的霍尔传感器的工作方式示意图。
[0016]标识说明:1-表不I号端口 ；2_表不2号端口 ；3_表不3号端口 ；4_表不4号端□。
[0017]图4是图1提出的开关控制电路的具体实现电路流程图。
[0018]标识说明:1-表不I号端口 ；2_表不2号端口 ；3_表不3号端口 ；4_表不4号端□。
[0019]图5是图4中控制四组开关电路的四相时钟信号的时序图。
【具体实施方式】
[0020]以下结合说明书附图对本实用新型专利作进一步的详细说明。
[0021]实施例一
[0022]如图1所示，本实用新型的电路由16个开关管(K11、K12、K13、K14、K21、K22、K23、Κ24、Κ31、Κ32、Κ33、Κ34、Κ41、Κ42、Κ43、Κ44)构成。时钟信号 CLKl 控制 Κ11、Κ21、Κ31、Κ41 ；时钟信号CLK2控制Κ12、Κ22、Κ32、Κ42 ;时钟信号CLK3控制Κ13、Κ23、Κ33、Κ43 ;时钟信号CLK4控制Κ14、Κ24、Κ34、Κ44。开关管Κ11，Κ24，Κ33，Κ42的一端与霍尔传感器的I号端口相连，开关管Κ12，Κ23，Κ34，Κ41的一端与霍尔传感器的2号端口相连，开关管Κ13，Κ22，Κ31，K44的一端与霍尔传感器的3号端口相连，开关管K14，K21，K32，K43的一端与霍尔传感器的4号端口相连。开关管Kll，K12，K13，K14的另一端与VDD相连，开关管K21，K22，K23，K24的另一端与V-输出相连，开关管K31，K32，K33，K34的另一端与GND相连，开关管K41，K42，K43，K44的另一端与V+输出相连。本实用新型电路的霍尔磁传感器件内部是对称的结构，通常有四个输入/输出端口，其中两个端口输入偏置电压或电流，另外两个端口输出霍尔信号，四个端口分别用端口 1，2，3，4表示，如果端口 I和端口 3之间接入偏置电压或电流，则端口 2和端口 4之间输出霍尔信号；如果端口 2和端口 4之间接入偏置电压或电流，贝IJ端口 I和端口 3之间输出霍尔信号。
[0023]本实用新型图1所示的16只开关管可由16只NMOS管实现，如图4所示，本实用新型的丽2、丽7、丽10、丽15的栅极与时钟信号CLKl相连；丽1、MN8、MN9、丽16的栅极与时钟信号CLK2相连；丽3、丽5、丽11、丽13的栅极与时钟信号CLK3相连；MN4、丽6、丽12、丽14的栅极与时钟信号CLK4相连。^2、MN6、^11、^16的漏极与霍尔传感器的I号端口相连；丽1、丽5、丽12、丽15的漏极与霍尔传感器的2号端口相连；丽3、MN8、丽10、丽14的漏极与霍尔传感器的3号端口相连；MN4、丽7、MN9、丽13的漏极与霍尔传感器的4号端口相连。MN1、MN2、MN3、MN4的源极与VDD相连；MN5、MN6、MN7、MN8的源极与V-输出相连；MN9、丽10、丽11、丽12的源极与GND相连；丽13、丽14、丽15、丽16的源极与V+输出相连。
[0024]如图2所示，本实用新型整体电路主要由电流旋转电路，放大电路，高通滤波器，双相关采样电路，具有采样保持功能的加法电路和低通滤波器实现。霍尔传感器的四个端口接入电流旋转电路，并在时钟信号的控制下使霍尔传感器不断在四种不同的工作方式下变化。霍尔信号经电流旋转电路后引入放大电路，放大电路与高通滤波器相连，高通滤波器的另一端与双相关采样电路相连，解调后的信号输入具有采样保持功能的加法电路，将前后周期产生的信号相加，后经低通滤波器输出。
[0025]实施例二
[0026]如图4所示，本实用新型四相电流旋转电路的电流旋转工作过程主要分为以下四个周期:
[0027](I)第一周期:开关管丽2、丽7、丽10、丽15闭合，其余开关管关断，霍尔传感器的I端口接VDD，2端口接V+输出，3端口接GND，4端口接V-输出。规定该周期的霍尔电压为VTH，2、4方向上产生的失调电压为V0P1，所以第一周期输出的信号为(VTH+V0P1)。
[0028](2)第二周期:开关管丽1、1^8、1^9、丽16闭合，其余开关管关断，霍尔传感器的I端口接V+输出，2端口接VDD，3端口接V-输出，4端口接GND。由于磁场变化频率远小于时钟信号频率，而且电流流向的旋转，该周期的霍尔电压变为_VTH，1、3方向上产生的失调电压为V0P2，所以第二周期输出的信号为(-VTH+V0P2)。
[0029](3)第三周期:开关管丽3、丽5、丽11、丽13闭合，其余开关管关断，霍尔传感器的I端口接GND，2端口接V-输出，3端口接VDD，4端口接V+输出。由于电流流向相对第一周期旋转180度，同时V+和V-的位置发生对调，该周期的霍尔电压为VTH，2、4方向上产生的失调电压为-VOPI，所以第三周期输出的信号为(VTH-VOPI)。
[0030](4)第四周期:开关管MN4、MN6、丽12、丽14闭合，其余开关管关断，霍尔传感器的I端口接V-输出，2端口接GND，3端口接V+输出，4端口接VDD。由于电流流向相对第二周期旋转180度，同时V+和V-的位置发生对调，该周期的霍尔电压为-VTH，1、3方向上产生的失调电压为-V0P2，所以第三周期输出的信号为(-VTH-V0P2)。
[0031 ] 放大阶段:由于霍尔电压非常微弱(ImT的磁场差不多产生IOOuV的霍尔电压)，因此在测量IOOmT以内的磁场时必须放大霍尔电压。由于旋转电流法可以调制霍尔信号，所以放大必须在交流状态下完成。并将放大后的信号通过高通滤波器过滤掉低频噪声。
[0032]双相关采样阶段:本实用新型主要是对霍尔传感器的失调现象通过双相关采样技术来进行消除。在设计模拟电路时，采用一种能够工作在不同运放的双相关采样电路和采样保持电路。这种电路的主要功能是能够使得带有失调电压的霍尔信号相减，进而消除失调电压，注意这种电路所采用的时钟信号频率必须大于外加磁场的最大频率。该技术主要基于开关电容电路，它是由二路时钟信号CLK5和CLK6控制，如图5所示。因此，本实用新型可得双相关采样电路的第二周期输出的信号为前两周期信号相减的结果，为(-2VTH+V0P2-V0P1)。第四周期输出的信号为三四周期信号相减的结果，为(-2VTH-V0P2+V0P1)。
[0033]加法阶段:具有采样保持功能的加法器可以将第二周期从采样电路输出的信号保持住，等待第四周期输入加法器后将两者相加，本实用新型从上一阶段已知，第二周期输入加法器的信号为(-2VTH+V0P2-V0PI )，第四周期输入加法器的信号为(-2VTH-V0P2+V0PI)。该阶段将两者相加可将端口 2、4方向上的失调电压VOPl和端口 1、3方向上的失调电压V0P2抵消，结果为-4VTH，并将结果经过低通滤波器后输出。
【权利要求】
1.一种消除霍尔传感器失调的四相电流旋转电路，其特征在于:所述电路是由KU、K12、K13、K14、K21、K22、K23、K24、K31、K32、K33、K34、K41、K42、K43、K44 的 16 个开关管构成，16个开关管均由NMOS管实现，并连接霍尔磁传感器件的四个输入/输出端口 ；时钟信号 CLKl 控制 K11、K21、K31、K41 ;时钟信号 CLK2 控制 Κ12、Κ22、Κ32、Κ42 ;时钟信号 CLK3 控制 Κ13、Κ23、Κ33、Κ43 ;时钟信号 CLK4 控制 Κ14、Κ24、Κ34、Κ44 ;开关管 Kll, Κ24, Κ33, Κ42的一端与霍尔传感器的I号端口相连，开关管Κ12，Κ23，Κ34，Κ41的一端与霍尔传感器的2号端口相连，开关管Κ13，Κ22，Κ31，Κ44的一端与霍尔传感器的3号端口相连，开关管Κ14，Κ21,Κ32, Κ43的一端与霍尔传感器的4号端口相连；开关管Kll，Κ12，Κ13，Κ14的另一端与VDD相连，开关管Κ21,Κ22, Κ23，Κ24的另一端与V-输出相连，开关管Κ31，Κ32，Κ33，Κ34的另一端与GND相连，开关管Κ41，Κ42，Κ43，Κ44的另一端与V+输出相连。
2.根据权利要求1所述的一种消除霍尔传感器失调的四相电流旋转电路，其特征在于:所述电路中的霍尔磁传感器件内部是对称的结构，有四个输入/输出端口，其中两个端口输入偏置电压或电流，另外两个端口输出霍尔信号，四个端口分别用端口 I，2，3，4表示，如果端口 I和端口 3之间接入偏置电压或电流，则端口 2和端口 4之间输出霍尔信号；如果端口 2和端口 4之间接入偏置电压或电流，则端口 I和端口 3之间输出霍尔信号；霍尔信号和失调信号经过放大，高通滤波，双相关采样和相加运算。
3.根据权利要求1或2所述的一种消除霍尔传感器失调的四相电流旋转电路，其特征在于:所述电路中的霍尔信号经电流旋转电路后弓I入放大电路，放大电路与高通滤波器相连，高通滤波器的另一端与双相关采样电路相连，解调后的信号输入具有采样保持功能的加法电路，将前后周期产生的信号相加，后经低通滤波器输出。
【文档编号】G01D3/036GK203519021SQ201320658379
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年10月24日 优先权日:2013年10月24日
【发明者】徐跃, 王凱玄, 谢小朋, 陈小青, 岳恒 申请人:南京邮电大学