摘要(yào)：本文基(jī)於霍爾傳(chuán)感器輸出(chū)信號幅度小，頻率低(dī)，易受噪聲幹擾的特點(diǎn)，有針對性地提出一(yī)種(zhǒng)基於高頻(pín)調(tiáo)製(zhì)方式(shì)實(shí)現的(dí)霍爾傳(chuán)感器讀出電(diàn)路。該讀(dú)出電(diàn)路主要包括(kuò)可變(biàn)增益運算放大器，高頻調(tiáo)製電路以及1bit量化(huà)的(dí)二(èr)階sigma-delta模(mó)數(shù)轉換器。通過采用高(gāo)頻調製，減(jiǎn)少(shǎo)電(diàn)路中低頻(pín)噪(zào)聲以(yǐ)及失(shī)調的影響(xiǎng)，同時(shí)經過放(fàng)大器進行幅(fú)值放大，避免(miǎn)噪(zào)聲混(hùn)入。首先(xiān)通過MATLAB建模(mó)仿真確(què)定(dìng)設計所需(xū)參數(shù)，然(rán)後基於SMIC0.18Ixm混合信號CMOS工藝完(wán)成(chéng)整(zhěng)體(tǐ)電路設(shè)計(jì)。經(jīng)測試，電路在(zài)3.3V電源電(diàn)壓(yā)，1kHz信(xìn)號(hào)帶(dài)寬以及256kHz時(shí)鐘頻(pín)率下(xià)，經過(guò)後仿(fǎng)真得到信(xìn)噪比(SNR)為83.12dB，可滿(mǎn)足設計的要(yào)求。

關(guān)鍵詞(cí)：爾傳感器讀出電路；高頻調製電路(lù)；可變(biàn)增益(yì)放(fàng)大器；調(tiáo)製器(qì)

0引言(yán)

隨著霍爾傳感(gǎn)器廣泛(fàn)應用(yòng)於(yú)電(diàn)子(zǐ)，醫(yī)療，器械(xiè)等各(gè)個(gè)方麵，對其輸出信(xìn)號進(jìn)行(háng)準確采(cǎi)集(jí)變(biàn)得至關(guān)重要。經研究發(fā)現，在3.3V電源電壓，±0.4T磁場(cháng)強(qiáng)度(dù)條件(jiàn)下，霍(huò)爾(ěr)傳感(gǎn)器輸(shū)出(chū)信(xìn)號範圍(wéi)在±150mV之間。而在(zài)通(tōng)常(cháng)應(yīng)用(yòng)中(zhōng)，霍爾(ěr)傳感器大多(duō)處在(zài)較小(xiǎo)的磁(cí)場裏(lǐ)，一般(bān)為(wéi)mT數量(liáng)級，因此霍爾傳(chuán)感器(qì)的輸出信(xìn)號較(jiào)小，容(róng)易受到(dào)外界環境(jìng)的幹(gān)擾(rǎo)，需(xū)要(yào)對輸(shū)出信號(hào)進(jìn)行(háng)放大(dà)處理。同時，基於(yú)輸出信(xìn)號(hào)頻(pín)率(shuài)較(jiào)低的特性，需要采(cǎi)用(yòng)低頻噪聲抑製電路(lù)來(lái)降低(dī)噪聲(shēng)對信號帶(dài)來的影響(xiǎng)。後(hòu)以模(mó)數轉換器作(zuò)為信號進行(háng)數據(jù)轉(zhuǎn)換(huàn)與精(jīng)度測量的(dí)模塊也是*的。

國外對(duì)於讀(dú)出電(diàn)路(lù)的研究(jiū)已(yǐ)經較(jiào)為(wéi)成熟，而國內近些年(nián)來也(yě)有(yǒu)較大(dà)發展，如(rú)上(shàng)海華虹(hóng)，中國科(kē)學院微電(diàn)子所以(yǐ)及(jí)中國科(kē)學院大(dà)學在讀出電路設(shè)計方(fāng)麵都有(yǒu)相應成果(guǒ)，本文在(zài)這(zhè)些(xiē)研(yán)究(jiū)基(jī)礎(chǔ)上加(jiā)入(rù)噪(zào)聲(shēng)抑(yì)製電路(lù)，進(jìn)一步改善讀出電路的(dí)性能。

霍爾傳感(gǎn)器(qì)讀出電(diàn)路的設(shè)計如圖(tú)1所示，主要由對(duì)信號(hào)進行放(fàng)大(dà)的(dí)可變增(zēng)益放大(dà)器(qì)以及對信號進行轉換(huàn)的模數轉換(huàn)器組成。其(qí)中，為避免(miǎn)低頻(pín)噪聲(shēng)和(hé)失調的影響(xiǎng)，在設(shè)計(jì)中加入了(liǎo)高頻調(tiáo)製(zhì)結(jié)構(gòu)，將噪聲(shēng)和失(shī)調轉移(yí)到(dào)信(xìn)號帶(dài)寬之外(wài)，以改(gǎi)善(shàn)整(zhěng)體(tǐ)電路性(xìng)能(néng)。

圖(tú)1霍爾傳(chuán)感器讀出(chū)電路結構

本文詳細介紹(shào)了讀出(chū)電路芯(xīn)片的(dí)設(shè)計，對電(diàn)路(lù)的(dí)基本理論與架構(gòu)進(jìn)行(háng)研究(jiū)與分(fēn)析，完(wán)成從Simulink建(jiàn)模，電(diàn)路設計(jì)到(dào)版圖(tú)布(bù)局各個(gè)環節，終進行(háng)後仿真(zhēn)，實(shí)現(xiàn)目(mù)標要求(qiú)。

1整體(tǐ)電(diàn)路(lù)建模

從讀出(chū)電(diàn)路(lù)基本(běn)理(lǐ)論(lùn)與架(jià)構出發，基於MATLAB平(píng)台對於整體電路結構(gòu)進行模(mó)型仿真。如(rú)圖(tú)2所(suǒ)示，框圖由(yóu)上(shàng)到(dào)下分別為基(jī)於(yú)高(gāo)頻調製的可(kě)變增(zēng)益運算(suàn)放(fàng)大器，sigma—delta調(tiáo)製(zhì)器以(yǐ)及降采樣(yàng)數字(zì)濾波器。具體流(liú)程如下：可(kě)變增(zēng)益運(yùn)算放大器根(gēn)據(jù)輸入信號幅(fú)度大小自動選(xuǎn)擇合(hé)適的放(fàng)大(dà)倍(bèi)數進行(háng)信號(hào)放大。放大後(hòu)的信(xìn)號由sig-ma-delta調製(zhì)器(qì)進行(háng)積分(fēn)量(liáng)化，轉化(huà)為1bit的數字信號(hào)，然後經過(guò)後級降采樣(yàng)數(shù)字濾波(bō)器的濾波和(hé)抽樣(yàng)過(guò)程，輸出(chū)高精(jīng)度(dù)的數字(zì)碼。

幽2讀(dú)出電路的MATLAB模(mó)型

該設計提出在運算放(fàng)大器的輸(shū)入(rù)與輸出節點加入(rù)高(gāo)頻(pín)調製(zhì)電路，其目的主(zhǔ)要(yào)是將運(yùn)放(fàng)產生(shēng)的(dí)1/f噪(zào)聲和失調調(tiáo)製(zhì)到信號(hào)帶(dài)寬之外，然(rán)後(hòu)在濾(lǜ)波(bō)器(qì)的(dí)作用下濾除(chú)掉(diào)，避(bì)免噪(zào)聲和(hé)失(shī)調對低頻(pín)小(xiǎo)信號產生影(yǐng)響。因此高頻調(tiáo)製電路的(dí)功能主(zhǔ)要是(shì)完成(chéng)對噪(zào)聲信號(hào)的調製。由傅裏(lǐ)葉(yè)級數(shù)可知(zhī)：假設(shè)P是周(zhōu)期為T_P占(zhān)空比為(wéi)50％的(dí)方波信號(hào)。傅(fù)裏(lǐ)葉係數(shù)設為(wéi)P_K。由此(cǐ)可(kě)以得到(dào)：

 （1）

若將(jiāng)噪(zào)聲的功(gōng)率譜(pǔ)密度(dù)（PSD）設為S_n（w），則(zé)經過一次調製(zhì)的(dí)噪聲功率譜密度(dù)S_n（w）可(kě)以表示為(wéi)：

     （2）

由式(2)可以(yǐ)得出：噪聲(shēng)頻(pín)譜S_n經過一(yī)次調製被(bèi)轉移(yí)到(dào)斬波(bō)信號(hào)P的(dí)奇次(cì)諧(xié)波(bō)上(shàng)，因而削(xiāo)弱了(liǎo)信號(hào)基(jī)帶(dài)內(nèi)的噪(zào)聲。而(ér)在(zài)高(gāo)頻調製(zhì)電(diàn)路模(mó)型搭建過程中(zhōng)，高頻(pín)調(tiáo)製電路的頻(pín)率應滿(mǎn)足(zú)：

     （3）

其中，K≥2，BW_signal為信號帶(dài)寬，f_corner，為噪(zào)聲角頻率(shuài)。

而對於調(tiáo)製器的(dí)設計(jì)，則應(yīng)先確定(dìng)其(qí)噪(zào)聲傳輸函(hán)數(shù)。因為(wéi)調製(zhì)器的(dí)功能(néng)相(xiāng)當(dāng)於(yú)低通的模擬(nǐ)濾(lǜ)波器(qì)，所(suǒ)以可(kě)以根(gēn)據(jù)巴特(tè)沃(wò)茲(zī)濾波(bō)器的特性(xìng)來對其(qí)進行(háng)分析，得(dé)到二(èr)階(jiē)單環(huán)調製(zhì)器的噪聲(shēng)傳輸函數(NTF)為：

      （4）

基於式(4)，由調(tiáo)製器(qì)的(dí)架構，可以(yǐ)推導所需增益(yì)以及反(fǎn)饋因子(zǐ)的範圍，然後帶(dài)入(rù)模型進行(háng)仿真(zhēn)，確(què)定(dìng)合適的值。

由於sigma-delta模(mó)數(shù)轉換(huàn)器的(dí)整體(tǐ)電路是(shì)由模擬調製器和(hé)數(shù)字濾波器(qì)共同構成，調(tiáo)製(zhì)器(qì)部分(fēn)決定(dìng)設計的(dí)精度，而(ér)數(shù)字(zì)濾波器部(bù)分決(jué)定(dìng)設(shè)計(jì)的(dí)麵(miàn)積和功耗，所以(yǐ)在(zài)對濾波(bō)器進行(háng)設計時，可以(yǐ)使用CIC濾(lǜ)波器，補(bǔ)償濾波器以(yǐ)及半(bàn)帶濾波器的(dí)組合來盡可能的(dí)降低(dī)所需的硬件開銷，以減小電路的麵(miàn)積和功(gōng)耗(hào)。

考(kǎo)慮實際電路設(shè)計中各種(zhǒng)非(fēi)理(lǐ)想(xiǎng)因(yīn)素(sù)如：KT/C噪聲(shēng)，時(shí)鐘(zhōng)抖(dǒu)動(dòng)，運(yùn)放的(dí)有(yǒu)限增益，帶(dài)寬壓(yā)擺率(shuài)以(yǐ)及(jí)開關(guān)非(fēi)綫性(xìng)等(děng)的(dí)影響，確(què)定(dìng)模型(xíng)中各(gè)個(gè)參數(shù)的(dí)指(zhǐ)標。終得(dé)到(dào)仿(fǎng)真結果(guǒ)如圖(tú)3所示(shì)，信噪比達到84.2dB，達(dá)到(dào)預期74dB的(dí)設計目(mù)標。

圖3MATLAB模(mó)型仿真結(jié)果(guǒ)

2關鍵單元電路設計(jì)

2.1高(gāo)頻調製(zhì)電路

高(gāo)頻調(tiáo)製電(diàn)路作(zuò)為降(jiàng)低(dī)電(diàn)路噪(zào)聲(shēng)及(jí)失調的關鍵模(mó)塊，其(qí)內部(bù)開關(guān)的結(jié)構(gòu)如(rú)圖(tú)4(a)和(hé)圖(tú)4(b)所(suǒ)示。

圖4關鍵(jiàn)電路

由圖4(a)可(kě)知，在高(gāo)頻(pín)調製(zhì)電路(lù)中，隨(suí)著時鐘信(xìn)號(hào)的交(jiāo)替變(biàn)化(huà)，能夠(gòu)選通不(bù)同的信號(hào)路徑(jìng)，實現(xiàn)信(xìn)號(hào)與方(fāng)波(bō)相(xiāng)乘(chéng)的(dí)功(gōng)能(néng)。其(qí)中，對於方(fāng)框中電路(lù)的(dí)選取隻需(xū)要(yào)考慮信(xìn)號能夠(gòu)無(wú)損失傳(chuán)輸(shū)即(jí)可(kě)。很簡單的(dí)情況(kuàng)是使(shǐ)用(yòng)單個NMOS管來實(shí)現開(kāi)關(guān)的功能(néng)，但是由於單個NMOS管做(zuò)開(kāi)關(guān)存在(zài)非綫(xiàn)性以(yǐ)及(jí)閾值電壓(yā)變(biàn)化的問題(tí)，會在(zài)電(diàn)路中引入諧波失真(zhēn)，影響電路性能。所(suǒ)以(yǐ)本(běn)設計(jì)采(cǎi)用柵(zhà)壓(yā)自舉開關的結構(gòu)，如(rú)圖(tú)4(b)所(suǒ)示，當CLK為(wéi)高(gāo)電平時(shí)，M7管截止(zhǐ)，M3和M8管導通，使(shǐ)得c3兩端的電壓(yā)為(wéi)電(diàn)源(yuán)電壓(yā)；當(dāng)CLK為(wéi)低(dī)電(diàn)平(píng)時(shí)，M3和M8管(guǎn)關(guān)斷，M4和M6導通(tōng)，此時，M7也(yě)處於導通(tōng)狀態且(qiě)柵源電(diàn)壓(yā)為C3兩端(duān)的(dí)電壓，因此與(yǔ)輸入信號(hào)的大小無關(guān)。即增(zēng)加了開關導通電阻的綫性(xìng)度。同(tóng)時柵壓自(zì)舉(jǔ)開關的使用(yòng)一方(fāng)麵(miàn)避(bì)免了(liǎo)單(dān)個開關(guān)導(dǎo)通時電阻較大的(dí)問(wèn)題(tí)，另一方(fāng)麵(miàn)也降(jiàng)低(dī)了時鐘(zhōng)饋通等(děng)因素(sù)的影響。

2.2可變增益運算放大器

由上(shàng)述sigma-delta模(mó)數(shù)轉(zhuǎn)換器(qì)的(dí)模型結構可(kě)以驗證，在滿(mǎn)擺幅(fú)範圍(wéi)內(nèi)，隨著(zhuó)輸入(rù)信號幅度增加，模數轉換器(qì)的(dí)峰值(zhí)信噪比(PSNR)也會增加，但(dàn)是接近滿(mǎn)擺幅時(shí)，會引(yǐn)起調製器中(zhōng)後級積分器(qì)出(chū)現(xiàn)過擺幅(fú)的(dí)現象(xiàng)，從而在輸出引入大量(liáng)諧波，使(shǐ)得PSNR下(xià)降。所以(yǐ)盡(jìn)量選擇合適(shì)的信(xìn)號(hào)幅值輸入(rù)。而霍爾傳感器處(chǔ)在不同(tóng)磁(cí)場中，輸出信(xìn)號幅(fú)度不同(tóng)，這(zhè)就(jiù)使(shǐ)得(dé)通過(guò)轉換器轉換(huàn)得(dé)到(dào)的(dí)精(jīng)度產生很大差(chà)異。所以(yǐ)該(gāi)設計(jì)在(zài)霍爾傳感器和模(mó)數轉(zhuǎn)換器(qì)之間(jiān)加入(rù)可變(biàn)增益的(dí)運算放(fàng)大(dà)器(qì)，一方麵(miàn)可以(yǐ)放大端電(diàn)路輸(shū)出的(dí)小信號(hào)，另(lìng)一方麵(miàn)又(yòu)可(kě)以(yǐ)調節(jié)自(zì)身(shēn)輸(shū)出(chū)信(xìn)號幅(fú)度以適應後級模數(shù)轉換(huàn)電路(lù)的要求，結構如圖5所示(shì)。

圖(tú)5可變增益運算(suàn)放大器(qì)

在設(shè)計中(zhōng)，為保(bǎo)證(zhèng)電(diàn)路(lù)穩定性，運(yùn)放采(cǎi)用閉(bì)環結構(gòu)。根(gēn)據(jù)不同輸(shū)入信號的幅(fú)度大(dà)小(xiǎo)，由(yóu)數字電路控製(zhì)選(xuǎn)取不同的開關閉合，然後通過(guò)電阻比值對(duì)信號(hào)進行相應倍數的(dí)放(fàng)大。其中對於阻值的選(xuǎn)取，要考慮(lǜ)版(bǎn)圖(tú)的(dí)布(bù)局(jú)，以減(jiǎn)小電(diàn)阻失(shī)配誤(wù)差(chà)帶來的(dí)影響。此外(wài)，設(shè)計中加(jiā)入了高頻調(tiáo)製電(diàn)路，使得運放(fàng)產生的(dí)1If噪聲和(hé)失(shī)調(tiáo)移到(dào)高頻端，以降低信號帶內噪聲。如(rú)圖6所示(shì)，虛(xū)綫和實(shí)綫分別(bié)為不加調(tiáo)製(zhì)電路與(yǔ)加入調製電(diàn)路的運(yùn)放(fàng)等效輸入(rù)噪聲的仿(fǎng)真(zhēn)結(jié)果(guǒ)，由(yóu)圖6可以(yǐ)看(kàn)出，高(gāo)頻調製(zhì)電路有效(xiào)地抑製了低頻噪聲。

圖(tú)6不(bù)加與加入(rù)凋製電路的(dí)運放等(děng)效(xiào)輸(shū)入噪聲(shēng)波(bō)形

2.3sigma-delta調製器

傳統的Nyquist模數轉(zhuǎn)換器利用復雜的比較(jiào)方(fāng)式(shì)實現對信(xìn)號幅度量化的功(gōng)能。但(dàn)是由於近(jìn)些(xiē)年(nián)來工藝技術(shù)不斷(duàn)發(fā)展(zhǎn)，器(qì)件(jiàn)尺寸以(yǐ)及(jí)電源(yuán)電(diàn)壓不(bù)斷減小，器(qì)件(jiàn)的失配對於傳統模數轉換器(qì)的(dí)影(yǐng)響越(yuè)來(lái)越(yuè)大(dà)。而sigma-delta調(tiáo)製器(qì)利用(yòng)其(qí)自(zì)身的環路(lù)調(tiáo)節勢(shì)，很大地減小(xiǎo)了(liǎo)器(qì)件失配對(duì)電路精(jīng)度(dù)的影響，易(yì)於實現高精(jīng)度(dù)的轉(zhuǎn)換。調製過(guò)程的實質(zhì)就(jiù)是將信號(hào)帶內(nèi)大(dà)部分(fēn)噪聲移到(dào)帶外(wài)，再經(jīng)過後(hòu)級濾波(bō)器濾除，以提高(gāo)信噪比(bǐ)，即提高轉換(huàn)精度。該設(shè)計中(zhōng)sigma—delta調製(zhì)器主要是由開關(guān)電容積分(fēn)器，量化(huà)器，反饋DAC以(yǐ)及兩(liǎng)相非交(jiāo)疊時鐘(zhōng)4個模(mó)塊構成(chéng)。

其(qí)中(zhōng)，積分器作為(wéi)調製器實(shí)現(xiàn)低通(tōng)濾波(bō)功能(néng)的(dí)主要(yào)模塊(kuài)，結(jié)構如圖(tú)7所示，由兩(liǎng)相非交疊(dié)時(shí)鐘來控(kòng)製(zhì)電路(lù)的(dí)采樣與積(jī)分(fēn)過程(chéng)，同時為避(bì)免溝(gōu)道電荷注(zhù)入引入非綫性(xìng)誤差，在(zài)每個過(guò)程中，

控製靠近(jìn)運放輸入端的開關(guān)先(xiān)斷開，這樣避免了與輸入信(xìn)號有關(guān)的(dí)電荷對運放輸出(chū)產生(shēng)影(yǐng)響，但是這(zhè)種(zhǒng)方式會(huì)在電路中引(yǐn)入(rù)直流偏(piān)移(yí)，而(ér)直流(liú)偏移的影響(xiǎng)能(néng)夠(gòu)通(tōng)過全差分結構(gòu)來(lái)消除。

圖7積(jī)分(fēn)器電路結構

在實際設(shè)計過(guò)程中(zhōng)，如果考(kǎo)慮運放有(yǒu)限(xiàn)增益以及(jí)寄(jì)生電容(róng)的(dí)影(yǐng)響，其傳輸函數為(wéi)：

  （5）

其中(zhōng)，分別為積分(fēn)器的增益(yì)誤(wù)差以及極點(diǎn)誤(wù)差(chà)。

由式(5)可(kě)以(yǐ)看(kàn)出，由(yóu)於非理(lǐ)想(xiǎng)因素的影響使得傳(chuán)輸(shū)函(hán)數(shù)的極(jí)點由原點(diǎn)處(chǔ)發生(shēng)了(liǎo)偏(piān)移(yí)，這(zhè)樣(yàng)會(huì)削弱積分器(qì)電(diàn)路(lù)對(duì)於帶(dài)內(nèi)噪聲(shēng)的(dí)抑製作用。所(suǒ)以設計積分器(qì)參數(shù)時對於各種非(fēi)理(lǐ)想因(yīn)素(sù)造(zào)成的影響要(yào)在麵(miàn)模型設計(jì)中進行詳細(xì)分析(xī)，在(zài)非(fēi)理(lǐ)想情況(kuàng)下(xià)，確定(dìng)合(hé)適(shì)的(dí)參數值。同(tóng)可變增益運(yùn)放一(yī)樣，積(jī)分(fēn)器中(zhōng)也(yě)可以加入高(gāo)頻調製(zhì)電(diàn)路(lù)，以避(bì)免低頻噪聲影(yǐng)響(xiǎng)。但在(zài)調製器(qì)設(shè)計中(zhōng)隻需要考(kǎo)慮階積分器(qì)的噪(zào)聲(shēng)即(jí)可。可(kě)以證(zhèng)明：假(jiǎ)設在(zài)n階(jiē)單環調(tiáo)製器中，第(dì)i個積分(fēn)器的等效(xiào)輸(shū)入(rù)噪聲為E_n,i，則(zé)整個調製(zhì)器的(dí)等效(xiào)輸入噪(zào)聲E_i可以表示為：

   （6）

式(shì)(6)成立(lì)的(dí)條件(jiàn)是(shì)當n≥2時(shí)，調(tiáo)製器(qì)處(chǔ)於(yú)穩(wěn)定狀態。其中，K1，K2,a分(fēn)別(bié)為及(jí)第(dì)二(èr)個(gè)積(jī)分(fēn)器(qì)的(dí)增益衰減(jiǎn)因(yīn)子(zǐ)。從式子(zǐ)可(kě)以看(kàn)出(chū)，除(chú)階(jiē)積(jī)分(fēn)器(qì)之外，第i(i>1)階積分器(qì)都受到(dào)i-1階的調(tiáo)製作(zuò)用(yòng)。所以在(zài)進行(háng)調製器設計(jì)時，隻(zhī)需要(yào)在(zài)階(jiē)調製(zhì)器(qì)中(zhōng)加(jiā)入高頻(pín)調製(zhì)電路(lù)。對於(yú)量化器的設計，從(cóng)降低功耗角度考(kǎo)慮，本(běn)文(wén)采(cǎi)用動(dòng)態鎖存(cún)比(bǐ)較器來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖8所(suǒ)示(shì)，其工(gōng)作(zuò)過程主要分(fēn)為2個階(jiē)段：預(yù)置期和再建期(qī)。在(zài)預置階段(duàn)，將CLKl置為(wéi)低(dī)電平，CLK2置(zhì)為(wéi)高(gāo)電平，M11和M14導(dǎo)通，C，d兩點被(bèi)充(chōng)電到(dào)電源電(diàn)壓。而開(kāi)關(guān)管M2a作為復位管，電(diàn)流流經(jīng)M2a使得(dé)a，b兩(liǎng)點的電位差(chà)迅速減(jiǎn)小(xiǎo)，且與此時的(dí)輸入(rù)電壓差成(chéng)正(zhèng)比。下(xià)一時刻，CLKl被置(zhì)為高(gāo)電平，CLK2為(wéi)低(dī)電平。比(bǐ)較(jiào)器(qì)進(jìn)入再建期即比較(jiào)階(jiē)段，將復(fù)位後a，b兩點的(dí)差(chà)值作為比(bǐ)較電(diàn)壓的初始值，之後在(zài)正(zhèng)反(fǎn)饋(kuì)作(zuò)用下，a，b兩點電壓被拉(lā)到(dào)電(diàn)源(yuán)電(diàn)壓和(hé)地(dì)，得(dé)出比較結(jié)果。

 此外，在比較(jiào)器(qì)設計(jì)過(guò)程(chéng)中需要(yào)著重(zhòng)考慮復(fù)位管M2a的尺寸問(wèn)題。若管子(zǐ)尺(chǐ)寸設(shè)計較小，則(zé)管子電阻變大，流(liú)過M2a的電流將(jiāng)減小，繼而降(jiàng)低了(liǎo)a，b兩(liǎng)點(diǎn)平衡的速(sù)度(dù)，增(zēng)加了(liǎo)復位階段(duàn)的(dí)時間(jiān)；但若(ruò)管子(zǐ)尺寸(cùn)設計的較大，管子的電阻變小，使得(dé)復(fù)位(wèi)後a，b兩(liǎng)點的(dí)電壓差較小，降低了再建速度。所(suǒ)以設計時應(yīng)按(àn)照(zhào)要求(qiú)折(zhē)衷考慮。比較器設計(jì)中還需(xū)要(yào)考慮到(dào)比(bǐ)較器的kick-back噪聲(shēng)和失調的(dí)影(yǐng)響，其(qí)中，kickback噪(zào)聲(shēng)是比較(jiào)器的輸(shū)出(chū)通(tōng)過(guò)管子的(dí)寄(jì)生(shēng)電容耦合到(dào)輸入引起的，可(kě)以(yǐ)通過引(yǐn)入開關(guān)電(diàn)容的采(cǎi)樣電(diàn)路(lù)來降低其影響。而失調(tiáo)主要是(shì)由輸入(rù)管(guǎn)的(dí)匹配精度(dù)決(jué)定，所以(yǐ)在比較器(qì)的版圖設(shè)計(jì)時應注意(yì)輸(shū)入管(guǎn)的(dí)擺放(fàng)。

由(yóu)於(yú)調製器輸入擺(bǎi)幅(fú)設計(jì)為1V，要實(shí)現(xiàn)12bits的(dí)有效精度(dù)，比(bǐ)較器的小(xiǎo)精度達(dá)到1/2個LSB即可，通(tōng)過(guò)仿真，比(bǐ)較器能(néng)實現精(jīng)度(dù)為0.1mV的(dí)比較，滿足(zú)設計要求。

3，版圖與仿真

本設計(jì)是基於(yú)SMIC0.18um混合(hé)信(xìn)號(hào)CMOS工藝(yì)實現的，在3.3V電源電壓(yā)下整(zhěng)體電(diàn)路的(dí)功耗為(wéi)2.1mW，讀出電路的(dí)版(bǎn)圖布局，如(rú)圖9所示，麵積為(wéi)1.05mmX0.73mm。

圖9霍(huò)爾傳(chuán)感器版圖設計

基(jī)於整體版圖(tú)設(shè)計，進行寄(jì)生(shēng)參數(shù)提取(qǔ)，然後在輸入信號為(wéi)4mV，端(duān)放大(dà)器放大100倍(bèi)，時鐘(zhōng)頻率為(wéi)256kHz的條(tiáo)件下進(jìn)行後仿(fǎng)真。仿(fǎng)真結果(guǒ)如圖10所(suǒ)示(shì)，信噪比(bǐ)為(wéi)83.12dB，有效位數(shù)為13.5bits，滿足(zú)了設計的要求。

圖(tú)10讀(dú)山電路(lù)FFT分(fēn)析(xī)結(jié)果

4安(ān)科(kē)瑞霍(huò)爾傳感(gǎn)器產(chǎn)品選型(xíng)

4.1產(chǎn)品(pǐn)介(jiè)紹(shào)

霍(huò)爾電(diàn)流(liú)傳感器主(zhǔ)要(yào)適(shì)用(yòng)於(yú)交(jiāo)流(liú)，直流，脈(mài)衝等復(fù)雜信號(hào)的隔(gé)離(lí)轉換，通過(guò)霍爾效應原(yuán)理使變(biàn)換後(hòu)的信(xìn)號(hào)能夠直接(jiē)被(bèi)AD，DSP，PLC，二次儀(yí)表(biǎo)等各種采集裝(zhuāng)置(zhì)直(zhí)接采(cǎi)集和接受，響(xiǎng)應(yīng)時間快(kuài)，電流(liú)測(cè)量(liáng)範圍寬(kuān)精度(dù)高，過載能力強，綫(xiàn)性好，抗幹(gān)擾(rǎo)能力強。適(shì)用於(yú)電流監(jiān)控及(jí)電池(chí)應用，逆變電源及太陽能電源管理(lǐ)係統，直(zhí)流(liú)屏及(jí)直流(liú)馬達(dá)驅動，電鍍，焊接應(yīng)用，變頻器(qì)，UPS伺服(fú)控(kòng)製等(děng)係統電流信(xìn)號采(cǎi)集和反饋(kuì)控製。

4.2產品(pǐn)選(xuǎn)型(xíng)

4.2.1開口(kǒu)式(shì)開環霍(huò)爾(ěr)電流傳(chuán)感器

 表(biǎo)1

4.2.2閉口(kǒu)式(shì)開環(huán)霍爾電(diàn)流(liú)傳感器(qì)

 表2

4.2.3閉環(huán)霍(huò)爾(ěr)電流傳(chuán)感(gǎn)器

表3

4.2.4直流漏電流傳(chuán)感(gǎn)器

 表4

5實驗結(jié)論

本文(wén)基(jī)於(yú)石墨(mò)烯(xī)霍(huò)爾(ěr)傳(chuán)感(gǎn)器(qì)輸出信號(hào)的(dí)特點，完(wán)成(chéng)了其(qí)讀出(chū)電路(lù)的設計。采(cǎi)用可變(biàn)增(zēng)益(yì)運(yùn)算(suàn)放大(dà)器(qì)對信號進(jìn)行(háng)放大(dà)，再由過采樣ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉換與精度(dù)測(cè)量。而(ér)在(zài)整個過程中，通過高(gāo)頻(pín)調(tiáo)製方式降低低頻(pín)噪(zào)聲以及(jí)失調的影響(xiǎng)，以改善電(diàn)路的性能(néng)。終(zhōng)在smico.18μM1P6MCOS工(gōng)藝條件(jiàn)下(xià)，對(duì)整體電路進(jìn)行(háng)測試，結果(guǒ)表明(míng)電路滿(mǎn)足12bits的(dí)設計目標。

【參(cān)考(kǎo)文獻】

[1] 孫海燕(yàn)，趙雅(yǎ)靜(jìng)，張(zhāng)曉波(bō)，戴(dài)瀾.基(jī)於(yú)高頻調(tiáo)製(zhì)的霍爾(ěr)傳感器(qì)讀(dú)出電路(lù)設(shè)計術

[2] 陳铖(chéng)穎，蔣(jiǎng)見花，胡曉宇(yǔ).一種(zhǒng)基於(yú)石墨(mò)烯霍爾(ěr)器件的讀出(chū)電路(lù)設計(jì)[J]．微電子學(xué)與(yǔ)計(jì)算機(jī)，2013，12(30)：137—141．

[3] 安科(kē)瑞企業(yè)微(wēi)電(diàn)網(wǎng)設計與(yǔ)應用手冊2020.06版