低失調(diào)的磁感應傳感器放大電路設(shè)計

1、南京郵電大學畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題目低失調(diào)的磁感應傳感器放大電路設(shè)計學生姓名錢彩華班級學號B05040105專業(yè)微電子學在近年IC工藝技術(shù)發(fā)展中，一個重要趨勢就是在相同工藝下實現(xiàn)智能傳感器的集成。在標準CMOS工藝下將微傳感器和其它電路相結(jié)合，不僅可以減少電路的復雜程度，還能降低封裝價格，實現(xiàn)低成本的大批量生產(chǎn)，具有更好的市場競爭能力。同時集成的信號處理（包括A/D轉(zhuǎn)換、芯上校準等）和錯誤診斷等電路也能進一步增強微傳感器系統(tǒng)的功能。另外，集成微系統(tǒng)在功耗、面積、可靠性上也比分散式系統(tǒng)更具優(yōu)越性。然而在標準的CMOS集成工藝下實現(xiàn)的傳感器比特殊工藝實現(xiàn)的傳感器在靈敏度和精確度方面要更差，于是

2、性能上的損失必須通過一些信號處理技術(shù)來進行補償。目前常用的傳感器是磁敏開關(guān)式傳感器 ,其中使用最廣泛的是霍爾傳感器,因此研究具有高精度、高可靠性的霍爾傳感器成為迫切的要求。集成傳感器中霍爾片產(chǎn)生的霍爾信號非常微弱,一般在幾mV 到幾十mV 左右,設(shè)計一個能夠精確放大該霍爾信號的放大器是傳感器信號處理電路的關(guān)鍵。在CMOS集成電路中，運算放大器的電路性能往往受失調(diào)電壓和低頻噪聲的影響。對于微弱的霍爾信號來說,這些非理想因素甚至可以和Hall 片產(chǎn)生的有用信號相匹敵,掩蓋了需要檢測的信號。因此,必須采取措施減少電路的噪聲和失調(diào)。用于消除放大器低頻噪聲（主要是1/f噪聲）和失調(diào)電壓的技術(shù)主要有三種：

3、自動調(diào)零（A Z）、相關(guān)雙采樣技術(shù)（C D S）和斬波技術(shù)（C H S）。其中，自動調(diào)零技術(shù)是先采樣和保持失調(diào)電壓，再從信號中減去失調(diào)電壓部分；相關(guān)雙采樣技術(shù)是自動調(diào)零技術(shù)的一個特殊例子，它能實質(zhì)性地減少低頻1/f噪聲，卻會增加放大器的熱噪聲，且還會殘余下由于開關(guān)管的時鐘饋通效應所引入的失調(diào)電壓；斬波技術(shù)則是通過把輸入信號和開關(guān)型方波信號耦合，再經(jīng)同步解調(diào)和低通濾波后得到非線性小的信號。與其他兩種技術(shù)相比，斬波技術(shù)不僅可以消除放大器因失調(diào)電壓造成的非線性，且能有效地抑制器件噪聲。 一、斬波技術(shù)概述（一） 斬波技術(shù)原理斬波穩(wěn)定技術(shù)是一種調(diào)制技術(shù)。CMOS 放大器的噪聲(主要是1/ f 噪聲) 存

4、在于低頻,如果能將輸入的直流信號(或緩慢變化的信號) 調(diào)制到?jīng)]有1/ f 噪聲的高頻,然后經(jīng)過具有低頻噪聲的放大器放大,再將放大后的信號解調(diào)回原信號頻率(解調(diào)的過程同時也把放大器的低頻噪聲調(diào)制到高頻上) ,這樣就實現(xiàn)有用信號和放大器的噪聲、失調(diào)的分離,可以較好地解決抑制溫漂和放大微弱直流信號的矛盾 。這就是斬波技術(shù)的基本指導思想,原理見圖1。 （轉(zhuǎn)下頁）指導教師批閱意見該生在閱讀了大量的參考文獻后，首先闡述了斬波技術(shù)原理，分析傳統(tǒng)斬波放大器存在的缺陷和解決傳統(tǒng)斬波放大器缺陷的方法。重點分析磁感應傳感器（斬波）放大電路消除失調(diào)的方法，以及電路結(jié)構(gòu)和原理。擬定了設(shè)計的初步方案，制定了確實可行的工作

5、計劃。該生對所選課題理解深入、正確，文獻資料查找詳細，同意開題。 指導教師(簽名)： 年 月 日（接上頁）圖1 斬波技術(shù)原理圖1 中:Vin和Vout分別是輸入和輸出信號電壓; A 是放大器的增益; m1 ( t) 和m2 ( t) 分別是周期為T = 1/ f chop的調(diào)制和解調(diào)信號; f chop是斬波信號的頻率; Vos和Vn為運放的低頻輸入失調(diào)電壓和噪聲。（二） 傳統(tǒng)斬波放大器存在的缺陷傳統(tǒng)斬波穩(wěn)定技術(shù)最大的不足是輸出仍會存在一定的殘余失調(diào),它主要是由調(diào)制器的非理想性(主要是時鐘饋通和電荷注入) 造成的。另一個缺陷是如果要將放大器的失調(diào)電壓以及噪聲消除,需要將輸出信號進行低通濾波處理

6、 ,濾除調(diào)制到高頻的失調(diào)電壓和噪聲,而該低通濾波器要占據(jù)很大的芯片面積。針對傳統(tǒng)斬波技術(shù)的這些缺陷提出了改進的方法,對解調(diào)器進行了改進,利用開關(guān)電容技術(shù)設(shè)計了一種T/ H 解調(diào)器。具有該解調(diào)器的斬波放大器能夠有效的消除失調(diào)電壓和噪聲,而不需要額外的低通濾波器,并且能有效的減少由調(diào)制器引入的殘余失調(diào)。（三） 解決傳統(tǒng)斬波放大器缺陷的方法（1） 采用CMOS 開關(guān)進行調(diào)制解調(diào)為了避免單溝道MOS 開關(guān)的非線性效應,通常電路中使用的開關(guān)都用CMOS 開關(guān)。它們的控制時鐘都是在一個片內(nèi)的振蕩器產(chǎn)生的時鐘信號基礎(chǔ)上進行分頻得到的。基本原理是讓相反的電荷量由兩個溝道相互注入。但是PMOS 器件和NMOS

7、器件的溝道電荷很難完全匹配,該方法不能只減少放大器的殘余失調(diào),不能完全消除。（2） 采用跟蹤 - 保持解調(diào)器能有效減少調(diào)制器開關(guān)引起的殘余失調(diào)而不需要額外的濾波器的方法是在傳統(tǒng)解調(diào)器中增加了一個信號保持功能 。如圖5所示，由于解調(diào)器輸出時,開關(guān)CK1、CK2將電容跟前面的調(diào)制器斷開,因此由調(diào)制器開關(guān)引起的時鐘饋通和電荷注入對電路的輸出不造成影響。該解調(diào)器在不加任何濾波器的情況下,跟傳統(tǒng)的斬波放大器相比,不僅能夠有效地消除放大器的輸入失調(diào)和噪聲,還能改善由調(diào)制器引起的殘余失調(diào)。二、 磁感應傳感器（斬波）放大電路的低失調(diào)控制本課題所設(shè)計的斬波放大器用于消除磁感應集成傳感器中的失調(diào)電壓，并對微弱的霍

8、爾信號進行放大。總體電路框圖如圖2所示。輸入開關(guān)霍爾片儀用放大器一信號發(fā)生電路施密特觸發(fā)器儀用放大器二圖2 總體電路框圖（一） 開關(guān)霍爾片工作原理 最簡單的動態(tài)失調(diào)消除技術(shù)是使用旋轉(zhuǎn)電流法，即在一片含有四個觸點的方形霍爾片上，通過對處于對角線上的一對觸點施加周期性置換方向的電壓，在另一對觸點上產(chǎn)生接入下一級信號發(fā)生電路（相加電路）的輸入，如圖3所示。由互補時鐘CK1和CK1-bar產(chǎn)生0度和90度兩種狀態(tài)。Vh、Vop分別為霍爾電壓和霍爾片產(chǎn)生的失調(diào)電壓。 圖4 開關(guān)霍爾片圖3（a） 旋轉(zhuǎn)電流法原理；（b）時鐘、霍爾電壓和失調(diào)電壓波形 如圖4所示，電路中用到了三個時鐘，CK1，CK2，CK3，

9、前兩個時鐘CK1、CK2用于定義兩個積分態(tài)，即0度和90度態(tài)，而CK3用于實現(xiàn)加法功能。電流旋轉(zhuǎn)過程中，由于供給電壓和霍爾片上的觸點對沿用一個方向旋轉(zhuǎn)，故霍爾電壓Vh保持極性不變而失調(diào)電壓Vop雖峰值不變，但極性反轉(zhuǎn)。（二） 信號發(fā)生電路原理 圖5為一簡單完整的開關(guān)霍爾傳感器電路，其中SWP塊為前面所介紹的開關(guān)霍爾片。此信號發(fā)生電路作為準斬波放大器，對從前級SWP塊所得的霍爾電壓進行采樣和保持，即CK1周期內(nèi)，采樣信號保持在電容C1上，CK2周期內(nèi)，采樣信號保持在電容C2上，最后在開關(guān)CK3周期內(nèi)通過電容C3實現(xiàn)信號相加功能。 信號發(fā)生電路中的相加電路在消除霍爾失調(diào)電壓和噪聲的同時也會引入自身

10、的失調(diào)和噪聲，通常使用的兩輸入反向求和運放，包含一個由四個采樣保持電路組成的全差分結(jié)構(gòu)采樣保持電路和求和運放，將會對信號發(fā)生電路引入很大的不可忽視的失調(diào)。因此，本設(shè)計中使用電容CK3對采樣信號進行相加，使電容數(shù)量由四個縮減為三個，且線路簡單，既簡化了設(shè)計，又大大縮減了芯片面積。 圖5 霍爾傳感器的信號發(fā)生電路三、主要參數(shù)設(shè)計低失調(diào)的磁感應傳感器放大電路主要考慮的參數(shù)指標：1、電源電壓：2.54V ；2、最小輸入電壓：1mV；3、失調(diào)電壓100uV；4、單位增益帶寬BW100kHz；5、工作溫度：-10度80度。6、標準數(shù)字信號輸出。在設(shè)計中使用上華公司0.5um CMOS工藝。四、具體進度計劃

11、第一、二周：收集有關(guān)資料，撰寫開題報告；第三、四周：參考有關(guān)文獻研究、對比各種動態(tài)失調(diào)消除技術(shù)，仔細研究斬波技術(shù)基本原理及低失調(diào)、低噪聲斬波放大器的電路結(jié)構(gòu)；第五周：設(shè)計一個滿足技術(shù)要求的低失調(diào)、低噪聲斬波放大器，并進行相關(guān)的理論計算；第六周：熟悉HSpice軟件。 第七周：熟悉Cadence相關(guān)的仿真工具和版圖設(shè)計工具，進行中期檢查；第八周：進行電路靜態(tài)工作點的模擬；第九周：使用HSpice完成斬波放大器各項仿真工作。第十、十一周：將設(shè)計轉(zhuǎn)入Cadence完成斬波放大器各項仿真工作，并達到設(shè)計要求。第十二、十三周：撰寫畢業(yè)設(shè)計（論文）報告；第十四周：答辯前準備工作，進行畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯。

12、五、 參考資料：1 Alberto Bilotti, Gerardo Monreal, and Ravi Vig，Monolithic Magnetic Hall Sensor Using Dynamic Quadrature Offset Cancellation，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS , 1997，32（6）：829-8352 Yue Hu, Wen-Rong Yang，CMOS Hall Sensor Using Dynamic Quadrature Offset Cancellation ，IEEE JOURNAL OF SOLID-

13、STATE CIRCUITS , 2006，37（4）：79-823 Johan F. Witte, Kofi A. A. Makinwa, Johan H. Huijsing，A CMOS Chopper Offset-Stabilized Opamp，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, 2007， 42（7）：1529-15354 Anton Bakker, Kevin Thiele, Johan H. Huijsing, A CMOS Nested-Chopper Instrumentation Amplifier with 100-nV Offset，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, 2000，35（12）：1877-18845 寧偉超,程東方,張春燕,王書凱，CMOS 磁場傳感器芯片中斬波放大器的設(shè)計，儀表技術(shù)與傳感器，2007，26（4）：53-536 吳孫桃，林凡，郭東輝，李靜，基于斬波技術(shù)的