一种用于霍尔传感器的八相旋转电流电路的制作方法

本发明属于磁传感器技术领域，具体涉及一种用于霍尔传感器的八相旋转电流电路和动态失调消除方法，可以使霍尔传感器获得非常低的残余失调。

背景技术：

霍尔磁场传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换元件,cmos集成霍尔传感器因其体积小、成本低、功耗低、响应快、抗干扰能力强等诸多优点，已经在工业控制、汽车电子、通讯、医疗以及仪器制造等众多领域获得了广泛应用。然而cmos集成霍尔传感器存在着磁场灵敏度低和失调高的严重问题。霍尔器件光刻时版图对准误差、器件有源区离子注入引起载流子分布不均匀、封装应力引起的压阻效应、pn结的结场效应等是引起cmos霍尔器件失调高的主要原因。在低磁场条件下，cmos霍尔器件输出的霍尔电压通常小于1mv，而霍尔器件失调却可能高达几mv到几十mv，高的失调信号将微弱的霍尔信号淹没，从而使后续的信号调理电路很难将霍尔信号放大。为了消除霍尔器件的失调和低频噪声，通常采用动态旋转电流技术。广泛应用的动态失调消除电路基于传统二相旋转电流技术，然而二相旋转电流技术消除霍尔失调的效果不理想，残余失调较大，导致霍尔传感器的磁场分辨率不够高，很难满足高精度、高分辨率的磁场探测要求，因此必须采用四相和八相旋转电流技术。

相比与四相旋转电流技术，八相旋转电流技术在霍尔器件的8个对称方向上进行旋转电流操作，消除霍尔器件失调的效果更好，可获得更低的残余失调，然而八相旋转电流电路的时序和电路结构更加复杂。另一方面，八相旋转电流的调制和解调技术还不成熟，不能充分利用八相旋转电流过程中霍尔信号和失调信号的极性变化特点来最大程度地消除霍尔器件及放大电路的失调。此外，霍尔器件普遍采用霍尔电压输出的工作模式，然而这种电压模式的失调消除电路很容易受到寄生电容效应的影响而引入很大的噪声和干扰，从而降低了霍尔传感器的信噪比。

技术实现要素：

本发明针对上述现有技术的不足，提出了一种基于电流输出模式的八相旋转电流电路及其动态失调消除方法。八相旋转电流电路在八相顺序时钟控制下通过对45°旋转对称结构的八孔霍尔器件进行八相旋转电流操作，输出极性不变的霍尔电流信号和极性变化的失调信号。然后将八相旋转电流电路输出的霍尔电流和失调电流混叠信号送入电流积分放大器、采样/保持器、减法器和低通滤波器，最终消除霍尔器件的失调和低频噪声，获得非常低的残余失调。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案是一种用于霍尔传感器的八相旋转电流电路，该电路包含32只nmos管m1～m32、八孔霍尔器件、时钟信号clk1～clk8、偏置电流源和外部端口，其中m1～m8为控制偏置电流ibias流进八孔霍尔器件的开关管，m9～m16为控制偏置电流ibias流出八孔霍尔器件的开关管，m17～m24为控制霍尔器件电流输出信号流入外部端口io1的开关管，m25～m32为控制霍尔器件电流输出信号流入外部端口io2的开关管，nmos管m1～m8的漏极共同接到输入偏置电流源ib1的输出端，nmos管m1～m8的栅极分别依次接到时钟信号clk1～clk8，nmos管m1～m8的源极分别依次接八孔霍尔器件的a端口、b端口、c端口、d端口、e端口、f端口、g端口、h端口；nmos管m9～m16的源极共同接到输出偏置电流源ib2的输入端，nmos管m9～m16的栅极分别依次接到时钟信号clk1～clk8，nmos管m9～m16的漏极分别依次接到八孔霍尔器件的e端口、f端口、g端口、h端口、a端口、b端口、c端口、d端口；nmos管m17～m24的源极共同接到外部端口io1，nmos管m17～m24的栅极分别依次接到时钟信号clk1～clk8，nmos管m17～m24的漏极分别依次接到八孔霍尔器件的c端口、d端口、e端口、f端口、g端口、h端口、a端口、b端口；nmos管m25～m32的源极共同接到外部端口io2，nmos管m25～m32的栅极分别依次接到时钟信号clk1～clk8，nmos管m25～m32的漏极分别依次接到八孔霍尔器件的g端口、h端口、a端口、b端口、c端口、d端口、e端口、f端口；所有32个nmos管m1～m32的衬底接地，两个偏置电流源ib1和ib2相等，提供的偏置电流大小均为ibias，保证流进和流出八孔霍尔器件的偏置电流相等。

进一步，上述八孔霍尔器件的8个端口为45°旋转对称结构。

进一步，上述时钟clk1～clk8为八相顺序时钟信号，通过八孔霍尔器件进行八相旋转电流操作后输出极性不变的霍尔电流信号和极性变化的失调信号。

本发明还进一步提出一种利用上述用于霍尔传感器的八相旋转电流电路进行动态失调的消除方法，具体包含以下步骤：

s1：八相旋转电流电路输出的差分电流信号io1和io2送入电流积分放大器进行电流到电压的转换，输出混叠霍尔电压和失调电压的差分电压信号vo1和vo2；

s2：在八相旋转电流操作期间，电流积分放大器输出的差分电压信号分别为vo1＝8vh+vop1+vop3+vop5+vop7，vo2＝vop2+vop4+vop6+vop8，其中vh为霍尔电流ih经过积分放大器输出的霍尔电压信号，而vop1～vop8为八相霍尔失调电流iop1～iop8经过积分放大器输出的失调电压信号；

s3：电流积分放大器输出的差分电压信号经过采样/保持器进行采样/保持后再送入减法器进行相减操作，减法器输出的信号为vout＝vo1-vo2＝8vh+(vop1+vop3+vop5+vop7-vop2-vop4-vop6-vop8)；

s4：得到的霍尔电压再经过低通滤波器滤除高频谐波分量，最终输出放大后的霍尔电压信号，失调信号被有效消除，得到非常低的残余失调电压△vop＝vop1+vop3+vop5+vop7-vop2-vop4-vop6-vop8。

本发明相对于霍尔传感器的传统失调消除方法，主要存在以下几个的优点：

1、本发明提出的动态失调消除技术方案简单，电路易于实现，利用八相旋转电流调制过程中输出极性变化的失调信号和极性不变的霍尔信号，通过后续的电流积分放大，采样/保持和相减操作，可有效消除霍尔器件的失调，可获得非常低的残余失调。

2、本发明采用电流模式的旋转电流操作，输出的霍尔电流进行积分放大，可获得很强的抗干扰能力和低的功耗。

3、本发明输出的霍尔电压大小可通过电流积分放大器和相减器调节，具有很大灵活性。

附图说明

图1是本发明提出的基于电流输出模式的八相旋转电流操作原理示意图。

附图标记说明：a，b，c，d，e，f，g，h分别表示八孔霍尔器件的a端口，b端口，c端口d端口，e端口，f端口，g端口和h端口。

图2是具有45°旋转对称结构的八孔霍尔器件结构示意图。

附图标记说明：a，b，c，d，e，f，g，h分别表示八孔霍尔器件的a端口，b端口，c端口d端口，e端口，f端口，g端口和h端口。

图3是基于电流输出模式的八相旋转电流电路原理图。

图4是图3所示的八相旋转电流电路的时钟信号图以及输出霍尔电流信号和失调电流信号示意图。

图5是基于八相旋转电流技术的动态失调消除方法原理图。

附图标记说明：a，b，c，d，e，f，g，h分别表示八孔霍尔器件的a端口，b端口，c端口d端口，e端口，f端口，g端口和h端口。

图6是图5所示的八相旋转电流失调消除方法的时钟信号图。

具体实施方式

现结合说明书附图对本发明专利作进一步的详细说明。

本发明提出的一种基于电流输出模式的八相旋转电流电路，其工作原理如图1所示。八孔霍尔器件工作在电流输出模式下，即偏置电流ibias从霍尔器件的一个输入端口流入，然后再从和输入端口平行的另一个输出端口流出。八孔霍尔器件另外两个和输入端口相垂直的输出端口输出差分电流信号，该差分电流信号是霍尔电流和失调电流混叠信号。八孔霍尔器件的结构示意图如图2所示。该八孔霍尔器件具有45°旋转对称结构，具有正八边形的n阱或深n阱作为霍尔器件的有源区，8个n+接触孔分布在正八边形n阱的边缘，相邻两个接触孔中心之间的夹角为45°。正八边形n阱的中心表面覆盖一层正八边形的p+注入层，用来降低n阱表面载流子的复合，从而减小霍尔器件的噪声。当进行第一相旋转电流时，偏置电流ibias先从霍尔器件的a端口流入，然后再从e端口流出,霍尔器件c端口和g端口输出电流信号分别接到外部端口io1和io2；当进行第二相旋转电流时，偏置电流ibias先从霍尔器件b端口流入，然后再从f端口流出,霍尔器件d端口和h端口输出电流信号分别接到外部端口io1和io2；当进行第三相旋转电流时，偏置电流ibias先从霍尔器件c端口流入，然后再从g端口流出,霍尔器件e端口和a端口输出电流信号分别接到外部端口io1和io2；当进行第四相旋转电流时，偏置电流ibias先从霍尔器件d端口流入，然后再从h端口流出,霍尔器件f端口和b端口输出电流信号分别接到外部端口io1和io2；当进行第五相旋转电流时，偏置电流ibias先从霍尔器件e端口流入，然后再从a端口流出,霍尔器件g端口和c端口输出电流信号分别接到外部端口io1和io2；当进行第六相旋转电流时，偏置电流ibias先从霍尔器件f端口流入，然后再从b端口流出,霍尔器件h端口和d端口输出电流信号分别接到外部端口io1和io2；当进行第七相旋转电流时，偏置电流ibias先从霍尔器件g端口流入，然后再从c端口流出,霍尔器件a端口和e端口输出电流信号分别接到外部端口io1和io2；当进行第八相旋转电流时，偏置电流ibias先从霍尔器件h端口流入，然后再从d端口流出,霍尔器件b端口和f端口输出电流信号分别接到外部端口io1和io2。

根据图1所示的基于电流输出模式的八相旋转电流操作原理图，本发明提出的基于电流输出模式的八相旋转电流电路原理图如图3所示，图4为图3中的时钟控制信号图以及输出霍尔电流信号和失调电流信号示意图。

本发明提出的八相旋转电流电路结构如下所述：由32只nmos管m1～m32构成，其中m1～m8为控制偏置电流ibias流进八孔霍尔器件的开关管，m9～m16为控制偏置电流ibias流出八孔霍尔器件的开关管，m17～m24为控制霍尔器件电流输出信号流入外部端口io1的开关管，而m25～m32为控制霍尔器件电流输出信号流入外部端口io2的开关管。nmos管m1～m8的漏极共同接到输入偏置电流源ib1的输出端，nmos管m1～m8的栅极分别依次接到时钟信号clk1～clk8，nmos管m1～m8的源极分别依次接八孔霍尔器件的a端口、b端口、c端口、d端口、e端口、f端口、g端口、h端口；nmos管m9～m16的源极共同接到输出偏置电流源ib2的输入端，nmos管m9～m16的栅极分别依次接到时钟信号clk1～clk8，nmos管m9～m16的漏极分别依次接到八孔霍尔器件的e端口、f端口、g端口、h端口、a端口、b端口、c端口、d端口；nmos管m17～m24的源极共同接到外部端口io1，nmos管m17～m24的栅极分别依次接到时钟信号clk1～clk8，nmos管m17～m24的漏极分别依次接到八孔霍尔器件的c端口、d端口、e端口、f端口、g端口、h端口、a端口、b端口；nmos管m25～m32的源极共同接到外部端口io2，nmos管m25～m32的栅极分别依次接到时钟信号clk1～clk8，nmos管m25～m32的漏极分别依次接到八孔霍尔器件的g端口、h端口、a端口、b端口、c端口、d端口、e端口、f端口；所有32个nmos管m1～m32的衬底接地。两个偏置电流源ib1和ib2相等，提供的偏置电流大小均为ibias，保证流进和流出八孔霍尔器件的偏置电流相等。

八相旋转电流电路的工作原理如下所述：当时钟信号clk1高电平而其余时钟信号低电平时，nmos管m1、m9、m17和m25导通，其余nmos管截止。偏置电流源ib1流出的偏置电流ibias经过nmos开关管m1流入霍尔器件的a端口，然后偏置电流ibias再从霍尔器件的e端口流出，经过nmos开关管m9流入偏置电流源ib2。霍尔器件端口c输出的电流信号经过nmos开关管m17接到外部端口io1，而霍尔器件端口g输出的电流信号经过nmos开关管m25接到外部端口io2；当时钟信号clk2高电平而其余时钟信号低电平时，nmos管m2、m10、m18和m26导通，其余nmos管截止。偏置电流源ib1流出的偏置电流ibias经过nmos开关管m2流入霍尔器件的b端口，然后偏置电流ibias再从霍尔器件的f端口流出，经过nmos开关管m10流入偏置电流源ib2。霍尔器件端口d输出的电流信号经过nmos开关管m18接到外部端口io1，而霍尔器件端口h输出的电流信号经过nmos开关管m26接到外部端口io2；当时钟信号clk3高电平而其余时钟信号低电平时，nmos管m3、m11、m19和m27导通，其余nmos管截止。偏置电流源ib1流出的偏置电流ibias经过nmos开关管m3流入霍尔器件的c端口，然后偏置电流ibias再从霍尔器件的g端口流出，经过nmos开关管m11流入偏置电流源ib2。霍尔器件端口e输出的电流信号经过nmos开关管m19接到外部端口io1，而霍尔器件端口a输出的电流信号经过nmos开关管m27接到外部端口io2；当时钟信号clk4高电平而其余时钟信号低电平时，nmos管m4、m12、m20和m28导通，其余nmos管截止。偏置电流源ib1流出的偏置电流ibias经过nmos开关管m4流入霍尔器件的d端口，然后偏置电流ibias再从霍尔器件的h端口流出，经过nmos开关管m12流入偏置电流源ib2。霍尔器件端口f输出的电流信号经过nmos开关管m20接到外部端口io1，而霍尔器件端口b输出的电流信号经过nmos开关管m28接到外部端口io2；当时钟信号clk5高电平而其余时钟信号低电平时，nmos管m5、m13、m21和m29导通，其余nmos管截止。偏置电流源ib1流出的偏置电流ibias经过nmos开关管m5流入霍尔器件的e端口，然后偏置电流ibias再从霍尔器件的a端口流出，经过nmos开关管m13流入偏置电流源ib2。霍尔器件端口g输出的电流信号经过nmos开关管m21接到外部端口io1，而霍尔器件端口c输出的电流信号经过nmos开关管m29接到外部端口io2；当时钟信号clk6高电平而其余时钟信号低电平时，nmos管m6、m14、m22和m30导通，其余nmos管截止。偏置电流源ib1流出的偏置电流ibias经过nmos开关管m6流入霍尔器件的f端口，然后偏置电流ibias再从霍尔器件的b端口流出，经过nmos开关管m14流入偏置电流源ib2。霍尔器件端口h输出的电流信号经过nmos开关管m22接到外部端口io1，而霍尔器件端口d输出的电流信号经过nmos开关管m30接到外部端口io2；当时钟信号clk7高电平而其余时钟信号低电平时，nmos管m7、m15、m23和m31导通，其余nmos管截止。偏置电流源ib1流出的偏置电流ibias经过nmos开关管m7流入霍尔器件的g端口，然后偏置电流ibias再从霍尔器件的c端口流出，经过nmos开关管m15流入偏置电流源ib2。霍尔器件端口a输出的电流信号经过nmos开关管m23接到外部端口io1，而霍尔器件端口e输出的电流信号经过nmos开关管m31接到外部端口io2；当时钟信号clk8高电平而其余时钟信号低电平时，nmos管m8、m16、m24和m32导通，其余nmos管截止。偏置电流源ib1流出的偏置电流ibias经过nmos开关管m8流入霍尔器件的h端口，然后偏置电流ibias再从霍尔器件的d端口流出，经过nmos开关管m16流入偏置电流源ib2。霍尔器件端口b输出的电流信号经过nmos开关管m24接到外部端口io1，而霍尔器件端口f输出的电流信号经过nmos开关管m32接到外部端口io2。外部端口io1和io2差分输出的电流信号为霍尔电流ih和失调电流iop的混叠信号即io1-io2＝ih+iop。对八孔霍尔器件进行八相旋转电流操作期间，霍尔电流信号ih的极性始终保持不变，而失调电流iop1～iop8的极性随时钟信号发生周期性变化。

本发明还提出基于电流模式的八相旋转电流动态失调消除方法，图5为八相旋转电流技术的动态失调消除方法原理图，图6为图5中所需的时钟信号图。基于电流模式的八相旋转电流的动态失调消除方法如下所述：八相旋转电流电路输出的差分电流信号io1和io2送入电流积分放大器进行电流到电压的转换，输出混叠霍尔电压和失调电压的差分电压信号vo1和vo2。在八相旋转电流操作期间，电流积分放大器输出的差分电压信号分别为vo1＝8vh+vop1+vop3+vop5+vop7，而vo2＝vop2+vop4+vop6+vop8。其中vh为霍尔电流ih经过积分放大器输出的霍尔电压信号，而vop1～vop8为八相霍尔失调电流iop1～iop8经过积分放大器输出的失调电压信号。电流积分放大器输出的差分电压信号经过采样/保持器进行采样/保持后再送入减法器进行相减操作，减法器输出的信号为vout＝vo1-vo2＝8vh+(vop1+vop3+vop5+vop7-vop2-vop4-vop6-vop8)。最后得到的霍尔电压再经过低通滤波器滤除高频谐波分量，最终输出放大后的霍尔电压信号，而失调信号被有效消除，得到非常低的残余失调电压△vop＝vop1+vop3+vop5+vop7-vop2-vop4-vop6-vop8。

现结合附图对具体方法进行说明：当时钟信号clks为高电平期间，八相顺序时钟clk1～clk8依次为高电平，从而控制八相旋转电流电路进行旋转电流操作，八相旋转电流电路输出的差分电流信号io1和io2送入电流积分放大器。在时钟信号clks为高电平期间，电流积分放大器中nmos管开关m1和m2导通，而nmos管开关m3和m4因时钟信号clkr为低电平而截止。于是电流积分放大器对输入电流进行电流到电压的转换，输出的差分电压分别为vo1＝8vh+vop1+vop3+vop5+vop7，而vo2＝vop2+vop4+vop6+vop8。其中vh为霍尔电流ih经过积分放大器输出的霍尔电压信号，而vop1～vop8为八相霍尔失调电流iop1～iop8经过积分放大器输出的失调电压信号。当时钟信号clks变为低电平时，电流积分放大器中nmos管开关m1和m2截止，八相旋转电流电路输出的电流不再送入电流积分放大器。此时，八相顺序时钟clk1～clk8均为低电平，八相旋转电流电路也不再进行旋转电流操作。在信号clks变为低电平后，采样/保持器的时钟信号clks/h先变为高电平，此时采样/保持器中nmos管开关m5和m6导通，对电流积分放大器输出的差分电压vo1和vo2进行采样并保持；减法器将采样/保持器输出的双端差分电压信号进行相减操作，得到输出电压为vout＝vo1-vo2＝8vh+(vop1+vop3+vop5+vop7-vop2-vop4-vop6-vop8)，减法器输出的电压信号再经过低通滤波器滤除高频谐波分量最终输出放大后的霍尔电压信号，而失调信号被有效消除，获得非常低的残余失调电压△vop＝vop1+vop3+vop5+vop7-vop2-vop4-vop6-vop8。当时钟信号clks/h变为低电平后时钟信号clkr才开始变为高电平，电流积分放大器中nmos管开关m3和m4导通，而此时nmos管开关m1和m2截止，电容c1和c2上的电荷被清零，准备下一次八相旋转电流和电流积分操作。