一种低失调、低噪声宽带TMR磁传感器读出电路制造技术

本发明专利技术公开了一种低失调、低噪声宽带TMR磁传感器读出电路。该读出电路包括乒乓自动调零CBIA、TMR失调电压消除电路和带温度补偿的TMR传感器偏置电路；本发明专利技术通过乒乓自动调零CBIA消除读出电路的失调电压，来实现低失调、低噪声的宽带放大，在TMR失调消除电路中采用SAR逻辑自动校准传感器的失调电压。在传感器偏置电路中设计了一个温度系数可调的带隙基准BGR来实现一个温度系数可调的偏置电流，对传感器的温度系数进行补偿。本发明专利技术的读出电路具有功耗低、低失调、低噪声、宽带的优点。宽带的优点。宽带的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种低失调、低噪声宽带TMR磁传感器读出电路


[0001]本专利技术属于集成电路
，具体的说，涉及一种低失调、低噪声宽带TMR磁传感器读出电路。

技术介绍

[0002]磁传感器以感应磁场强度来测量电流、位置、方向等物理参数。磁传感器包括以霍尔（Hall）元件、各向异性磁阻（AMR）元件、巨磁阻（GMR）元件以及隧穿磁阻（TMR）元件等为敏感元件的传感器。TMR传感器是近年来开始在工业应用的新型磁电阻效应传感器。TMR传感器具有低功耗、高灵敏度、高分辨率、良好的温度稳定性等优点，在电流测量领域得到广泛关注和应用。常见的高性能TMR磁传感器通常采用惠斯通电桥结构，输出通常是一个mV级的差分信号叠加在一个大共模电压上，需要通过读出电路进行放大和数字化，如图1所示。
[0003]传感器本身的电阻失配会引入失调电压，在放大器放大倍数较高时容易导致放大器饱和，因此需要在读出电路中对传感器的失调电压进行消除。同时，传感器的灵敏度具有一定的温度系数，在温度变化时输出电压会产生漂移，需要进行温度补偿。传感器本身的噪声通常在μV的数量级，为了更好地放大和处理小的差分信号，实现高分辨率，读出电路的等效参考误差应该在μV或nV级，这要求读出电路具有低噪声、低失调、低漂移的特性，同时能够在MHz的频率范围内提供稳定的输出。
[0004]在低频段，失调、1/f噪声、漂移是主要的误差源，需要动态失调消除技术来减轻这些误差。常见的动态失调消除技术有斩波和自动调零（Auto
‑
zeroing）技术。斩波是一种连续时间调制技术，可以将失调等低频误差调制到斩波频率，实现与直流信号分离。被调制后的低频噪声和失调在输出处表现为斩波纹波，需要用低通滤波器将其滤掉，如图2所示。虽然斩波能够实现低失调、低噪声以及连续的输出，但是低通滤波器的使用严重限制了带宽，很难达到MHz。采用纹波抑制回路（Ripple Reduction Loop，RRL）来抑制纹波可以避免使用低通滤波器，但是RRL会在纹波频率处引入一个狭窄的缺口，需要采用多路径（Multi
‑
path）等方式进行补偿，如图3所示，增加了功耗和设计复杂性。
[0005]自动调零Auto
‑
zeroing技术是一种离散时间采样技术，它在一个时钟相位中采样放大器的失调，然后在另一个时钟相位从输入信号中减去失调量，如图4所示。在自动调零放大器中，时钟周期的一半用于auto
‑
zeroing，不能提供连续的输出，这个缺点可以通过使用乒乓结构来解决。由于低频噪声和直流失调无法区分，auto
‑
zeroing也可以消除1/f噪声和漂移。然而，由于auto
‑
zeroing是一种采样技术，会引起噪声折叠，需要选择合适的auto
‑
zeroing频率来实现较低的宽带积分噪声。
[0006]仪表放大器IA将电桥的输出放大到足够驱动模数转换器ADC的水平，作为第一级，IA通常决定了读出电路的输入参考噪声，反过来决定了能效。就能效而言，IA中最关键的通常是输入级，输入级的增益可以减少后级的噪声贡献。传统的三运放（3
‑
opamp）结构和电流反馈仪表放大器（Current Feedback IA，CFIA）有两个输入级，而电容耦合仪表放大器（Capacitively Coupled IA，CCIA）只有一个输入级，如图5所示，因此CCIA通常具有更高的
能效。但是CCIA通常需要配合斩波使用，而CFIA能够很好地和乒乓自动调零技术兼容。

技术实现思路

[0007]针对上述现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种低失调、低噪声宽带TMR磁传感器读出电路。为了更好地应用乒乓自动归零技术同时提高能效，本专利技术采用电流平衡仪表放大器（Current Balance IA，CBIA）结构，本专利技术的读出电路具有功耗低、低失调、低噪声宽带的优点。
[0008]本专利技术的技术方案具体介绍如下。
[0009]一种低失调、低噪声宽带TMR磁传感器读出电路，其包括乒乓自动调零CBIA、TMR失调电压消除电路和TMR传感器偏置电路；其中：乒乓自动调零CBIA用于消除仪表放大器IA的失调电压，其将自动调零的CBIA配置成乒乓结构，两个CBIA通道共用一个OTA；TMR失调消除电路用于消除TMR磁传感器的失调电压，其采用SAR逻辑自动校准传感器的失调电压；TMR传感器偏置电路用于对传感器的温度系数进行补偿，其采用温度系数可调的带隙基准BGR实现一个温度系数可调的偏置电流。
[0010]本专利技术中，自动调零的CBIA的工作模式如下：在第一个时钟相位，输入短路，放大器的失调电压被存储在电容C
AZ
上，为了获得一个足够大的环路增益对放大器的失调电压进行有效的衰减，在自动调零反馈环路中需要加入一个跨导放大器OTA，OTA引入的失调电压会被IA的增益衰减；在另一个时钟相位，自动调零环路断开，C
AZ
上存储的电压抵消掉输入信号中的失调量，以此来实现失调电压消除。
[0011]本专利技术中，CBIA自动调零的频率设置为10KHz。
[0012]本专利技术还进一步提供上述的TMR磁传感器读出电路的失调消除工作时序，包括以下步骤：在初始状态，关闭TMR失调消除电路，不接入信号磁场，打开乒乓自动调零CBIA，两个CBIA通道按照乒乓时序交替工作，将IA的失调电压V
OS1
分别存储在自动调零电容C
AZ
上；然后打开TMR失调消除电路，不接入磁场信号，两个CBIA通道按照乒乓时序交替工作，将IDAC调整到能够抵消磁传感器的失调电压V
OS2
的电流值，同时将逻辑码值保存下来；最后关闭TMR失调消除电路，打开乒乓自动调零CBIA，IDAC交替接入工作在放大状态的通道上，此时处于放大状态的通道输出为零，失调电压被抵消掉，接入信号磁场后即在输出得到没有失调电压的放大的信号。
[0013]和现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过一个配置成乒乓结构的自动调零CBIA来实现低失调、低噪声的宽带放大；通过在TMR失调消除电路中采用SAR逻辑自动校准传感器的失调电压。通过在传感器偏置电路中设计一个温度系数可调的带隙基准（Bandgap Reference，BGR）来实现一个温度系数可调的偏置电流，对传感器的温度系数进行补偿；本专利技术的TMR磁传感器的读出电路具有低功率、低失调、低噪声宽带的优点。
附图说明
[0014]图1. 惠斯通电桥读出电路。
[0015]图2. 时域中的斩波原理。
[0016]图3. 多路径系统的波特图。
[0017]图4. 使用辅助放大器的闭环失调存储技术。
[0018]图5. 不同IA架构能效比较。
[0019]图6. TMR传感器读出电路系统架构图。
[0020]图7. 乒乓自动调零CBIA。
[0021]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低失调、低噪声宽带TMR磁传感器读出电路，其特征在于，其包括乒乓自动调零CBIA、TMR失调电压消除电路和TMR传感器偏置电路；其中：乒乓自动调零CBIA用于消除读出电路的失调电压，其将自动调零的CBIA配置成乒乓结构，两个CBIA通道共用一个跨导放大器OTA；TMR失调消除电路用于消除TMR磁传感器的失调电压，其采用SAR逻辑自动校准传感器的失调电压；TMR传感器偏置电路用于对传感器的温度系数进行补偿，其采用温度系数可调的带隙基准BGR实现一个温度系数可调的偏置电流。2.根据权利要求1所述的TMR磁传感器读出电路，其特征在于，自动调零的CBIA的工作模式如下：在第一个时钟相位，输入短路，放大器的失调电压被存储在电容C
AZ
上，为了获得一个足够大的环路增益对放大器的失调电压进行有效的衰减，在自动调零反馈环路中加入了一个跨导放大器OTA，OTA引入的失调电压会被IA的增益衰减；在另一个时钟相位，自动调零环路断开，C
AZ
上存储的...

【专利技术属性】
技术研发人员：董田，徐佳伟，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：