本發(fā)明涉及磁傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種動態(tài)消除霍爾磁傳感器失調(diào)的電路和方法。

背景技術(shù)：

霍爾磁傳感器是一種基于霍爾效應(yīng)的磁電轉(zhuǎn)換元件,cmos集成霍爾傳感器憑借其工藝簡單、體積小、生產(chǎn)成本低、安裝簡便、工作電壓范圍寬、使用壽命長、測量精度高以及防塵、防油等優(yōu)點,已經(jīng)廣泛地應(yīng)用到工業(yè)控制、汽車、醫(yī)療器械、消費電子和智能儀表等眾多領(lǐng)域。

然而cmos集成霍爾傳感器存在著磁場靈敏度低和失調(diào)很嚴重的問題，為了消除霍爾器件的失調(diào)和噪聲，通常采用動態(tài)旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)。傳統(tǒng)二相旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)已廣泛應(yīng)用于一軸cmos霍爾傳感器。一軸霍爾傳感器內(nèi)部只集成水平型霍爾器件，而三軸霍爾傳感器內(nèi)部同時集成水平型和垂直型霍爾器件，可探測三維空間的任意方向磁場。相比于水平型霍爾器件，垂直型霍爾器件的磁場靈敏度更低，失調(diào)更加嚴重。二相旋轉(zhuǎn)電流法應(yīng)用在垂直型霍爾器件上的效果不理想，很難將垂直型霍爾器件的嚴重的失調(diào)消除，殘余失調(diào)大，影響了三軸霍爾傳感器的磁場分辨率，因此必須采用四相旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)。然而目前應(yīng)用于四相旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)中的解調(diào)電路通常采用采樣-相加的電路模式或者采用帶斬波功能的放大器來實現(xiàn)。這些解調(diào)電路不能充分利用四相旋轉(zhuǎn)電流過程中霍爾信號和失調(diào)信號的極性變化特點來最大程度地消除霍爾器件及放大電路的失調(diào)。此外，霍爾器件通常采用電流或電壓偏置，但經(jīng)旋轉(zhuǎn)電流調(diào)制后輸出的依然是電壓信號，通過后續(xù)的失調(diào)消除和信號調(diào)理電路進一步將微弱的霍爾信號放大并將失調(diào)消除。然而這種電壓模式的失調(diào)消除和信號調(diào)理電路在對旋轉(zhuǎn)電流調(diào)制后的霍爾信號處理時很容易受到寄生電容效應(yīng)的影響，會引入很大的噪聲和干擾，降低了系統(tǒng)級的信噪比，減小了系統(tǒng)的磁場分辨率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于電流輸出模式的四相旋轉(zhuǎn)電流電路和方法。該方法能夠有效消除霍爾器件的失調(diào)，獲得極低的殘余失調(diào)。該方法通過對四相旋轉(zhuǎn)電流輸出的霍爾電流和失調(diào)電流進行積分和雙采樣解調(diào)操作，對霍爾器件的失調(diào)進行兩次失調(diào)消除操作，能在最大程度上消除霍爾傳感器產(chǎn)生的失調(diào)，可以獲得極低的殘余失調(diào)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是：一種基于電流輸出模式的四相旋轉(zhuǎn)電流電路和方法，其工作原理如圖1所示，該電路的動態(tài)失調(diào)消除電路主要包括基于電流模式的四相旋轉(zhuǎn)電流調(diào)制器、電流積分放大器、相關(guān)雙采樣解調(diào)器、采樣/保持器、低通濾波器和時鐘產(chǎn)生電路，其電路原理圖如圖2所示，圖2中所需的時鐘控制信號如圖3所示?；魻柶骷ぷ髟陔娏鬏敵瞿Ｊ较拢雌秒娏鱥bias從霍爾器件的一個輸入端口流入，然后再從另一個輸出端口流出。當流入和流出霍爾器件的電流大小相等時，霍爾器件的另外兩個輸出端口具有相同的對地電壓，得到差分輸出霍爾電流ih和失調(diào)電流iop。四端口霍爾器件采用電流偏置/電流輸出的工作模式，四相旋轉(zhuǎn)電流操作分為兩個二相旋轉(zhuǎn)電流操作。在第一次二相旋轉(zhuǎn)電流時，即四相旋轉(zhuǎn)電流的第一和第二相，輸出的霍爾電流ih極性相同，假定同為正向，而失調(diào)電流iop的極性相反變化?；魻栯娏骱褪д{(diào)電流同時到達積分放大電路進行電流-電壓的轉(zhuǎn)換。在輸入電流信號轉(zhuǎn)換電壓信號的過程中，極性相反的失調(diào)信號彼此抵消，得到正向輸出的霍爾電壓和第一次二相旋轉(zhuǎn)電流后的殘余失調(diào)，接著被相關(guān)雙采樣解調(diào)器進行第一次采樣/保持；在第二次二相旋轉(zhuǎn)電流時，即四相旋轉(zhuǎn)電流的第三相和第四相，輸出的霍爾電流ih同為反向的極性，而失調(diào)電流信號iop的極性仍然相反變化。同樣在進行電流積分轉(zhuǎn)換為電壓的過程中極性相反的失調(diào)信號彼此抵消，而得到反向輸出的霍爾電壓和第二次二相旋轉(zhuǎn)電流后的殘余失調(diào)。同樣在時鐘的控制下，該結(jié)果被相關(guān)雙采樣解調(diào)器進行第二次采樣，于是相關(guān)雙采樣解調(diào)器用第二次采樣結(jié)果減去第一次采樣結(jié)果，從而獲得四倍的霍爾電壓輸出，最后通過低通濾波器消除高次諧波分量，輸出低頻霍爾信號，同時獲得極低的殘余失調(diào)。該方案通過四相旋轉(zhuǎn)電流時正確選擇霍爾信號和失調(diào)信號的極性，同時應(yīng)用電流積分和相關(guān)雙采樣解調(diào)技術(shù)進行兩次失調(diào)消除操作并將霍爾信號解調(diào)回低頻。

本發(fā)明提供的電流模式的四相旋轉(zhuǎn)電流調(diào)制和相關(guān)雙采樣解調(diào)的動態(tài)失調(diào)消除方法，在一次完整的消除失調(diào)操作周期內(nèi)該電路包括以下四個階段的操作：

(1)第一次二相旋轉(zhuǎn)電流和電流積分操作階段：

當進行第一相旋轉(zhuǎn)電流時，偏置電流ibias從霍爾器件的a端口流入，然后從c端口流出，霍爾器件端口b和d之間輸出差分霍爾電流ih的極性為正，輸出差分失調(diào)電流iop1的極性為正，則輸出的差分電流混疊信號為(ih+iop1)；當進行第二相旋轉(zhuǎn)電流時，偏置電流ibias從霍爾器件的b端口流入，然后從d端口流出，霍爾器件端口c和a之間輸出差分霍爾電流的ih極性為正，輸出差分失調(diào)電流iop2的極性為負，則輸出的差分電流混疊信號為(ih-iop2)。將第一次二相旋轉(zhuǎn)電流，也就是四相旋轉(zhuǎn)電流的第一相和第二相輸出的差分霍爾電流和失調(diào)電流送入電流積分放大器進行電流到電壓信號的轉(zhuǎn)換。由于第一相和二相旋轉(zhuǎn)電流輸出的霍爾電流極性相同，而失調(diào)電流極性相反，送入電流積分放大器后失調(diào)電壓互相抵消，而霍爾電壓相互疊加，得到的輸出霍爾電壓為v1,2＝2vh+△vop1,2，然后被相關(guān)雙采樣解調(diào)器第一次采樣和保持。其中vh為霍爾電流ih積分放大輸出的霍爾電壓，△vop1,2為第一相和第二相旋轉(zhuǎn)電流后的失調(diào)電流經(jīng)過積分放大后的殘余失調(diào)電壓。

(2)第二次二相旋轉(zhuǎn)電流和電流積分操作階段：

當進行第三相旋轉(zhuǎn)電流時，偏置電流ibias從霍爾器件的c端口流入，然后從a端口流出，霍爾器件端口b和d之間輸出差分霍爾電流ih的極性為負，輸出差分失調(diào)電流iop3的極性為負，則輸出的差分電流混疊信號為(-ih-iop3)；當進行第四相旋轉(zhuǎn)電流時，偏置電流ibias從霍爾器件的d端口流入，然后從b端口流出，霍爾器件端口c和a之間輸出差分霍爾電流ih的極性為負，輸出差分失調(diào)電流iop4的極性為正，則輸出的差分混疊電流信號為(-ih+iop4)。將第二次二相旋轉(zhuǎn)電流，也就是四相旋轉(zhuǎn)電流的第三相和第四相輸出的差分霍爾電流和失調(diào)電流送入電流積分放大器進行電流到電壓信號的轉(zhuǎn)換。由于第三相和四相旋轉(zhuǎn)電流輸出的差分霍爾電流極性相同，而差分失調(diào)電流極性相反，送入電流積分放大器后失調(diào)電壓互相抵消，而霍爾電壓相互疊加，得到的輸出霍爾電壓為v3,4＝-2vh+△vop3,4，然后被相關(guān)雙采樣解調(diào)器第二次采樣。其中-vh為霍爾電流-ih積分放大輸出的霍爾電壓，△vop3,4為第三相和第四相旋轉(zhuǎn)電流后的失調(diào)電流經(jīng)過積分放大后的殘余失調(diào)電壓。

(3)相關(guān)雙采樣解調(diào)和保持階段：

相關(guān)雙采樣解調(diào)器用第二次采樣后的值再減去第一次采樣/保持的值，最后得到解調(diào)后的輸出信號為vout＝v3,4-v1,2＝-4vh+(△vop1,2-△vop3,4)，并將該結(jié)果保持。

(4)低通濾波階段：

將上述相關(guān)雙采樣解調(diào)和保持的霍爾電壓信號送入低通濾波器后將高次諧波濾除，最后輸出放大后的霍爾電壓信號?？梢钥闯鼋?jīng)過電流積分和相關(guān)雙采樣解調(diào)這兩次失調(diào)消除操作可有效消除霍爾失調(diào)，可獲得極低殘余失調(diào)。

有益效果：本發(fā)明所述基于電流輸出模式的四相旋轉(zhuǎn)電流方法相對于傳統(tǒng)的霍爾傳感器的失調(diào)消除方法，主要存在以下幾個突出的優(yōu)點：

1、本發(fā)明提出的動態(tài)失調(diào)消除技術(shù)方案簡單，電路易于實現(xiàn)，巧妙利用四相旋轉(zhuǎn)電流調(diào)制器輸出不同極性的霍爾信號與失調(diào)信號，使用電流積分放大器和相關(guān)雙采樣解調(diào)器進行兩次失調(diào)的消除，可獲得極低的殘余失調(diào)。

2、本發(fā)明采用電流模式的信號調(diào)理電路通過電流積分放大器將微小的霍爾電流轉(zhuǎn)換成放大的電壓輸出，具有很強的抗干擾能力和低的功耗。

3、本發(fā)明輸出的霍爾電壓與積分時間線性成正比，其增益可調(diào)節(jié)，具有很大靈活性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提出的基于電流輸出模式的四相旋轉(zhuǎn)電流失調(diào)消除電路原理示意圖。

標識說明：a-表示霍爾器件a端口；b-表示霍爾器件b端口；c-表示霍爾器件c端口；d-表示霍爾器件d端口。

圖2是基于電流輸出模式的四相旋轉(zhuǎn)電流失調(diào)消除電路原理圖。

圖3是圖2所示的四相旋轉(zhuǎn)電流失調(diào)消除電路的時鐘控制信號圖。

圖4是基于電流輸出模式的四相旋轉(zhuǎn)電流調(diào)制電路以及控制時鐘和輸出電流信號圖。

標識說明：a-表示霍爾器件a端口；b-表示霍爾器件b端口；c-表示霍爾器件c端口；d-表示霍爾器件d端口。

圖5是圖2四相旋轉(zhuǎn)電流失調(diào)消除電路輸出霍爾電壓波形圖。

具體實施方式

以下結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明專利作進一步的詳細說明。

實施例一

如圖2，本發(fā)明提出的基于電流輸出模式的四相旋轉(zhuǎn)電流失調(diào)消除方法，該方法基于電流模式動態(tài)失調(diào)消除方法，包括如下：

(1)第一次二相旋轉(zhuǎn)電流和電流積分操作階段：

當四相順序時鐘信號clk1高電平有效時，進行第一相旋轉(zhuǎn)電流操作，輸出差分電流混疊信號為(ih+iop1)；當四相順序時鐘信號clk2高電平有效時，進行第二相旋轉(zhuǎn)電流操作，輸出差分電流混疊信號為(ih-iop2)。在進行第一相和第二相旋轉(zhuǎn)電流時，即在第一次二相旋轉(zhuǎn)電流期間，輸入電流積分定時信號clks高電平有效時，電流積分放大器的兩個mos管開關(guān)k1和k2導(dǎo)通，第一相和第二相旋轉(zhuǎn)電流輸出的差分霍爾電流和失調(diào)電流送入電流積分放大器進行電流到電壓信號的轉(zhuǎn)換；由于第一相和二相旋轉(zhuǎn)電流輸出的霍爾電流極性同為正，而失調(diào)電壓極性相反變化，送入電流積分器后失調(diào)電壓互相抵消，而霍爾電壓相互疊加，得到的輸出霍爾電壓為v1,2＝2vh+△vop1,2。其中2vh為霍爾電流ih積分放大后輸出的霍爾電壓，△vop1,2為第一相和第二相旋轉(zhuǎn)電流后的失調(diào)電流經(jīng)過積分放大后的殘余失調(diào)電壓。此時相關(guān)雙采樣解調(diào)器(cds)的時鐘控制信號clkc1高電平有效時，相關(guān)雙采樣器對電流積分放大器的輸出電壓進行第一次采樣并保持；隨后積分電容清零信號clkr高電平有效時，電流積分放大器的兩個mos管開關(guān)k3和k4導(dǎo)通，積分電容c上的電壓清零，等待第二次二相旋轉(zhuǎn)電流和電流積分操作。

(2)第二次二相旋轉(zhuǎn)電流和電流積分操作階段：

當四相順序時鐘信號clk3高電平有效時，進行第三相旋轉(zhuǎn)電流操作，輸出差分電流混疊信號為(-ih-iop3)；當四相順序時鐘信號clk4高電平有效時，進行第四相旋轉(zhuǎn)電流操作，輸出差分電流混疊信號為(-ih-iop4)。在進行第三相和第四相旋轉(zhuǎn)電流時，即在第二次二相旋轉(zhuǎn)電流期間，輸入積分定時信號clks高電平有效時，電流積分放大器的兩個mos管開關(guān)k1和k2導(dǎo)通，第三相和第四相旋轉(zhuǎn)電流輸出的霍爾電流和失調(diào)電流送入電流積分放大器進行電流到電壓信號的轉(zhuǎn)換；由于第三相和四相旋轉(zhuǎn)電流輸出的霍爾電流極性同為負，而失調(diào)電壓極性相反變化，送入電流積分器后失調(diào)電壓互相抵消，而霍爾電壓相互疊加，得到的輸出霍爾電壓為v3,4＝-2vh+△vop3,4。其中-2vh為霍爾電流ih積分放大后輸出的霍爾電壓，△vop3,4為第三相和第四相旋轉(zhuǎn)電流后的失調(diào)電流經(jīng)過積分放大后的殘余失調(diào)電壓。此時相關(guān)雙采樣解調(diào)器(cds)的時鐘控制信號clkc2高電平有效時，相關(guān)雙采樣解調(diào)器進行第二次采樣。

(3)相關(guān)雙采樣解調(diào)和保持階段：

相關(guān)雙采樣解調(diào)器用第二次采樣后的電壓值v3,4再減去第一次采樣/保持的電壓值v1,2，得到電壓信號為vout＝v3,4-v1,2＝-4vh+(△vop1,2-△vop3,4)，采樣/保持器在時鐘信號clkc2控制對該結(jié)果進行采樣并保持，輸出解調(diào)后的霍爾電壓信號。隨后積分電容清零信號clkr高電平有效時，電流積分放大器的兩個mos管開關(guān)k3和k4導(dǎo)通，積分電容c上的電壓清零，等待下一次動態(tài)失調(diào)消除操作。

(4)低通濾波階段：

將上述相關(guān)雙采樣解調(diào)和保持后的霍爾電壓信號送入低通濾波器將高次諧波濾波，最后輸出放大后的霍爾電壓信號，電路仿真結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯鼋?jīng)過電流積分和相關(guān)雙采樣解調(diào)的兩次失調(diào)消除操作可有效消除霍爾失調(diào)，獲得極低的殘余失調(diào)。

實施例二

如圖4，本發(fā)明還提出基于電流模式的四相旋轉(zhuǎn)電流調(diào)制電路，四相旋轉(zhuǎn)電流操作的具體方法如下：

(1)第一相旋轉(zhuǎn)電流：當四相順序時鐘信號clk1高電平有效時，nmos開關(guān)管m1、m8、m11、m14導(dǎo)通，其余nmos開關(guān)管關(guān)斷；偏置電流ibias從霍爾器件的a端口流入，然后從c端口流出，霍爾器件端口b和d之間輸出差分霍爾電流的極性ih為正，輸出差分失調(diào)電流iop1的極性為正，所以第一相旋轉(zhuǎn)電流輸出差分電流混疊信號為(ih+iop1)。

(2)第二相旋轉(zhuǎn)電流：當四相順序時鐘信號clk2高電平有效時，nmos開關(guān)管m2、m7、m10、m15導(dǎo)通，其余nmos開關(guān)管關(guān)斷。偏置電流ibias從霍爾器件的b端口流入，然后從d端口流出，霍爾器件端口c和a之間輸出差分霍爾電流的ih極性為正，輸出差分失調(diào)電流iop2的極性為負，所以第二相旋轉(zhuǎn)電流輸出差分電流混疊信號為(ih-iop2)。

(3)第三相旋轉(zhuǎn)電流：當四相順序時鐘信號clk3高電平有效時，nmos開關(guān)管m4、m5、m12、m13導(dǎo)通，其余nmos開關(guān)管關(guān)斷；偏置電流ibias從霍爾器件的c端口流入，然后從a端口流出，霍爾器件端口b和d之間輸出差分霍爾電流的極性ih為負，輸出差分失調(diào)電流iop3的極性為負，所以第三相旋轉(zhuǎn)電流輸出差分電流混疊信號為(-ih-iop3)。

(4)第四相旋轉(zhuǎn)電流：當四相順序時鐘信號clk4高電平有效時，nmos開關(guān)管m3、m6、m9、m16導(dǎo)通，其余nmos開關(guān)管關(guān)斷。偏置電流ibias從霍爾器件的d端口流入，然后從b端口流出，霍爾器件端口c和a之間輸出差分霍爾電流的ih極性為負，輸出差分失調(diào)電流iop4的極性為正，所以第四相旋轉(zhuǎn)電流輸出差分電流混疊信號為(-ih+iop4)。

綜上所述，本發(fā)明在進行第一次二相旋轉(zhuǎn)電流時，即進行四相旋轉(zhuǎn)電流第一相和第二相時，輸出差分霍爾電流的極性為正，輸出差分失調(diào)電流的極性發(fā)生變化；在進行第二次二相旋轉(zhuǎn)電流時，即進行四相旋轉(zhuǎn)電流第三相和第四相時，輸出差分霍爾電流的極性為負，輸出差分失調(diào)電流的極性發(fā)生變化。