摘要：本文基于霍爾傳感器輸出信號(hào)幅度小、頻率低、易受噪聲干擾的特點(diǎn)，有針對(duì)性地提出一種基于高頻調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)的霍爾傳感器讀出電路。該讀出電路主要包括可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器，高頻調(diào)制電路以及1bit量化的二階sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器。通過(guò)采用高頻調(diào)制，減少電路中低頻噪聲以及失調(diào)的影響，同時(shí)經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行幅值放大，避免噪聲混入。首先通過(guò)MATLAB建模仿真確定設(shè)計(jì)所需參數(shù)，然后基于SMIC0.18Ixm混合信號(hào)CMOS工藝完成整體電路設(shè)計(jì)。經(jīng)測(cè)試，電路在3.3V電源電壓，1kHz信號(hào)帶寬以及256kHz時(shí)鐘頻率下，經(jīng)過(guò)后仿真得到信噪比(SNR)為83.12dB，可滿足設(shè)計(jì)的要求。
關(guān)鍵詞：爾傳感器讀出電路；高頻調(diào)制電路；可變?cè)鲆娣糯笃?；調(diào)制器
0引言
隨著霍爾傳感器廣泛應(yīng)用于電子、醫(yī)療、器械等各個(gè)方面，對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確采集變得至關(guān)重要。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在3.3V電源電壓，±0.4T磁場(chǎng)強(qiáng)度條件下，霍爾傳感器輸出信號(hào)范圍在±150mV之間。而在通常應(yīng)用中，霍爾傳感器大多處在較小的磁場(chǎng)里，一般為mT數(shù)量級(jí)，因此霍爾傳感器的輸出信號(hào)較小，容易受到外界環(huán)境的干擾，需要對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理。同時(shí)，基于輸出信號(hào)頻率較低的特性，需要采用低頻噪聲抑制電路來(lái)降低噪聲對(duì)信號(hào)帶來(lái)的影響。*后以模數(shù)轉(zhuǎn)換器作為信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與精度測(cè)量的模塊也是不可缺少的。
國(guó)外對(duì)于讀出電路的研究已經(jīng)較為成熟，而國(guó)內(nèi)近些年來(lái)也有較大發(fā)展，如上海華虹、中國(guó)科學(xué)院微電子所以及中國(guó)科學(xué)院大學(xué)在讀出電路設(shè)計(jì)方面都有相應(yīng)成果，本文在這些研究基礎(chǔ)上加入噪聲抑制電路，進(jìn)一步改善讀出電路的性能。
霍爾傳感器讀出電路的設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大的可變?cè)鲆娣糯笃饕约皩?duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的模數(shù)轉(zhuǎn)換器組成。其中，為避免低頻噪聲和失調(diào)的影響，在設(shè)計(jì)中加入了高頻調(diào)制結(jié)構(gòu)，將噪聲和失調(diào)轉(zhuǎn)移到信號(hào)帶寬之外，以改善整體電路性能。
圖1霍爾傳感器讀出電路結(jié)構(gòu)
本文詳細(xì)介紹了讀出電路芯片的設(shè)計(jì)，對(duì)電路的基本理論與架構(gòu)進(jìn)行研究與分析，完成從Simulink建模，電路設(shè)計(jì)到版圖布局各個(gè)環(huán)節(jié)，*終進(jìn)行后仿真，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)要求。
1整體電路建模
從讀出電路基本理論與架構(gòu)出發(fā)，基于MATLAB平臺(tái)對(duì)于整體電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行模型仿真。如圖2所示，框圖由上到下分別為基于高頻調(diào)制的可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器，sigma—delta調(diào)制器以及降采樣數(shù)字濾波器。具體流程如下：可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器根據(jù)輸入信號(hào)幅度大小自動(dòng)選擇合適的放大倍數(shù)進(jìn)行信號(hào)放大。放大后的信號(hào)由sig-ma-delta調(diào)制器進(jìn)行積分量化，轉(zhuǎn)化為1bit的數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)后級(jí)降采樣數(shù)字濾波器的濾波和抽樣過(guò)程，輸出高精度的數(shù)字碼。
幽2讀出電路的MATLAB模型
該設(shè)計(jì)提出在運(yùn)算放大器的輸入與輸出節(jié)點(diǎn)加入高頻調(diào)制電路，其目的主要是將運(yùn)放產(chǎn)生的1/f噪聲和失調(diào)調(diào)制到信號(hào)帶寬之外，然后在濾波器的作用下濾除掉，避免噪聲和失調(diào)對(duì)低頻小信號(hào)產(chǎn)生影響。因此高頻調(diào)制電路的功能主要是完成對(duì)噪聲信號(hào)的調(diào)制。由傅里葉級(jí)數(shù)可知：假設(shè)P是周期為T(mén)P占空比為50％的方波信號(hào)。傅里葉系數(shù)設(shè)為PK。由此可以得到：
（1）
若將噪聲的功率譜密度（PSD）設(shè)為Sn（w），則經(jīng)過(guò)一次調(diào)制的噪聲功率譜密度Sn（w）可以表示為：
（2）
由式(2)可以得出：噪聲頻譜Sn經(jīng)過(guò)一次調(diào)制被轉(zhuǎn)移到斬波信號(hào)P的奇次諧波上，因而削弱了信號(hào)基帶內(nèi)的噪聲。而在高頻調(diào)制電路模型搭建過(guò)程中，高頻調(diào)制電路的頻率應(yīng)滿足：
（3）
其中，K≥2，BWsignal為信號(hào)帶寬，fcorner，為噪聲角頻率。
而對(duì)于調(diào)制器的設(shè)計(jì)，則應(yīng)先確定其噪聲傳輸函數(shù)。因?yàn)檎{(diào)制器的功能相當(dāng)于低通的模擬濾波器，所以可以根據(jù)巴特沃茲濾波器的特性來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析，得到二階單環(huán)調(diào)制器的噪聲傳輸函數(shù)(NTF)為：
（4）
基于式(4)，由調(diào)制器的架構(gòu)，可以推導(dǎo)所需增益以及反饋因子的范圍，然后帶入模型進(jìn)行仿真，確定合適的值。
由于sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器的整體電路是由模擬調(diào)制器和數(shù)字濾波器共同構(gòu)成，調(diào)制器部分決定設(shè)計(jì)的精度，而數(shù)字濾波器部分決定設(shè)計(jì)的面積和功耗，所以在對(duì)濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用CIC濾波器、補(bǔ)償濾波器以及半帶濾波器的組合來(lái)盡可能的降低所需的硬件開(kāi)銷(xiāo)，以減小電路的面積和功耗。
考慮實(shí)際電路設(shè)計(jì)中各種非理想因素如：KT/C噪聲、時(shí)鐘抖動(dòng)、運(yùn)放的有限增益、帶寬壓擺率以及開(kāi)關(guān)非線性等的影響，確定模型中各個(gè)參數(shù)的指標(biāo)。*終得到仿真結(jié)果如圖3所示，信噪比達(dá)到84.2dB，達(dá)到預(yù)期74dB的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
圖3MATLAB模型仿真結(jié)果
2關(guān)鍵單元電路設(shè)計(jì)
2.1高頻調(diào)制電路
高頻調(diào)制電路作為降低電路噪聲及失調(diào)的關(guān)鍵模塊，其內(nèi)部開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)如圖4(a)和圖4(b)所示。
圖4關(guān)鍵電路
由圖4(a)可知，在高頻調(diào)制電路中，隨著時(shí)鐘信號(hào)的交替變化，能夠選通不同的信號(hào)路徑，實(shí)現(xiàn)信號(hào)與方波相乘的功能。其中，對(duì)于方框中電路的選取只需要考慮信號(hào)能夠無(wú)損失傳輸即可。很簡(jiǎn)單的情況是使用單個(gè)NMOS管來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)的功能，但是由于單個(gè)NMOS管做開(kāi)關(guān)存在非線性以及閾值電壓變化的問(wèn)題，會(huì)在電路中引入諧波失真，影響電路性能。所以本設(shè)計(jì)采用柵壓自舉開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)，如圖4(b)所示，當(dāng)CLK為高電平時(shí)，M7管截止，M3和M8管導(dǎo)通，使得c3兩端的電壓為電源電壓；當(dāng)CLK為低電平時(shí)，M3和M8管關(guān)斷，M4和M6導(dǎo)通，此時(shí)，M7也處于導(dǎo)通狀態(tài)且柵源電壓為C3兩端的電壓，因此與輸入信號(hào)的大小無(wú)關(guān)。即增加了開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻的線性度。同時(shí)柵壓自舉開(kāi)關(guān)的使用一方面避免了單個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)電阻較大的問(wèn)題，另一方面也降低了時(shí)鐘饋通等因素的影響。
2.2可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器
由上述sigma-delta模數(shù)轉(zhuǎn)換器的模型結(jié)構(gòu)可以驗(yàn)證，在滿擺幅范圍內(nèi)，隨著輸入信號(hào)幅度增加，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的峰值信噪比(PSNR)也會(huì)增加，但是接近滿擺幅時(shí)，會(huì)引起調(diào)制器中后級(jí)積分器出現(xiàn)過(guò)擺幅的現(xiàn)象，從而在輸出引入大量諧波，使得PSNR下降。所以盡量選擇合適的信號(hào)幅值輸入。而霍爾傳感器處在不同磁場(chǎng)中，輸出信號(hào)幅度不同，這就使得通過(guò)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換得到的精度產(chǎn)生很大差異。所以該設(shè)計(jì)在霍爾傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間加入可變?cè)鲆娴倪\(yùn)算放大器，一方面可以放大前端電路輸出的小信號(hào)，另一方面又可以調(diào)節(jié)自身輸出信號(hào)幅度以適應(yīng)后級(jí)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的要求，結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5可變?cè)鲆孢\(yùn)算放大器
在設(shè)計(jì)中，為保證電路穩(wěn)定性，運(yùn)放采用閉環(huán)結(jié)構(gòu)。根據(jù)不同輸入信號(hào)的幅度大小，由數(shù)字電路控制選取不同的開(kāi)關(guān)閉合，然后通過(guò)電阻比值對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)倍數(shù)的放大。其中對(duì)于阻值的選取，要考慮版圖的布局，以減小電阻失配誤差帶來(lái)的影響。此外，設(shè)計(jì)中加入了高頻調(diào)制電路，使得運(yùn)放產(chǎn)生的1If噪聲和失調(diào)移到高頻端，以降低信號(hào)帶內(nèi)噪聲。如圖6所示，虛線和實(shí)線分別為不加調(diào)制電路與加入調(diào)制電路的運(yùn)放等效輸入噪聲的仿真結(jié)果，由圖6可以看出，高頻調(diào)制電路**地抑制了低頻噪聲。
圖6不加與加入凋制電路的運(yùn)放等效輸入噪聲波形
