劉章旺， 魏榕山

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350116)

0 引 言

傳統(tǒng)的電流檢測裝置，由于測量精度低，體積大等原因，不利于集成，也無法在復(fù)雜條件下工作[1]。而霍爾電流傳感器憑借其高精度、高可靠性、小體積且易于集成等優(yōu)勢已經(jīng)成為研究熱點，其產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用在汽車電子、工業(yè)控制、航天和軍用等領(lǐng)域[2]。但霍爾電流傳感器對于頻率很高信號，普通的傳感器無法進行檢測，帶寬限制了霍爾電流傳感器在高頻上的應(yīng)用。探索提高霍爾電流傳感器工作帶寬的方法成為近些年研究熱點中的熱點[3]。

霍爾電流傳感器輸出信號非常微弱，并混雜有干擾信號。同時，在這個微弱的信號上通常疊加一個比該信號大幾個量級的共模電壓[4]，因此，需要集成化的讀出電路來處理這個微弱的信號。高精度的儀表放大器就是一個很好的選擇，相較于傳統(tǒng)的放大器，高精度儀表放大器呈現(xiàn)出低噪聲、低失調(diào)電壓、高共模抑制比等特點。

本文基于傳統(tǒng)的單通道帶斬波儀表放大器結(jié)構(gòu)[5]，增加一條高頻通道形成雙通道架構(gòu)來增大整體系統(tǒng)的帶寬，并采用旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)和斬波技術(shù)[6]，實現(xiàn)對霍爾盤和運放失調(diào)電壓及1/f噪聲的消除。為了有效地抑制輸出紋波幅度，引入紋波消除環(huán)路 (ripple reduction loop,RRL)來減小該紋波。本文提出的霍爾電流傳感器的讀出電路可以有效消除電路失調(diào)電壓和1/f噪聲的同時還能獲得比較大的系統(tǒng)帶寬。

1 電路設(shè)計與分析

1.1 傳統(tǒng)的單通道帶斬波儀表放大器

傳統(tǒng)的單通道帶斬波儀表放大器結(jié)構(gòu)中霍爾盤的輸出信號首先經(jīng)過第一個斬波器(斬波器的時鐘控制頻率為fch)的調(diào)制，轉(zhuǎn)換為一個頻率為fch方波信號。被調(diào)制的信號和運放的低頻失調(diào)電壓共同被放大A倍。之后被第二個斬波器解調(diào)到原頻率處，而運放的失調(diào)電壓則被調(diào)制到fch處，并被最后一級的低通濾波器(low pass filter,LPF)濾除。斬波技術(shù)同樣也能消除低頻1/f噪聲，但是要求斬波頻率fch要高于1/f噪聲的轉(zhuǎn)角頻率。

為了保證輸入的霍爾信號不受低通濾波器的影響，輸入信號頻率需小于低通濾波器的-3 dB帶寬；而為了完全濾除電路失調(diào)電壓和1/f噪聲，斬波頻率必須大于低通濾波器的-3 dB帶寬。因此,傳統(tǒng)的單通道帶斬波儀表放大器結(jié)構(gòu)的信號帶寬受低通濾波器-3 dB帶寬的限制。

1.2 系統(tǒng)級結(jié)構(gòu)電路設(shè)計

本文提出的霍爾電流傳感器的讀出電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)由兩條信號通道組成，一條采用旋轉(zhuǎn)霍爾傳感器的低頻(low frequency,LF)通路，另一條采用非旋轉(zhuǎn)霍爾傳感器的高頻(high frequency,HF)通路。為了保證兩條通路的增益有很好的匹配性，兩條通路均采用相同的霍爾盤和運放結(jié)構(gòu)。第一級運放采用電容耦合型儀表放大器(capacitive coupled instrument amplifier,CCIA)，具有100倍的閉環(huán)增益;第二級運放采用閉環(huán)增益為20倍的反向放大器。然而，只有低頻通路采用旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)和斬波技術(shù)。兩條通路具有相同的帶寬，所以,2倍閉環(huán)增益的輸出級可以將高頻通路和低頻通路平滑地結(jié)合起來。

圖1 霍爾電流傳感器的讀出電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

低頻通路產(chǎn)生的紋波出現(xiàn)在A2的輸出端，該紋波被紋波消除環(huán)路RRL感知并通過補償電流注入到A2的虛地端而抑制。殘余紋波進一步被輸出級的一階低通濾波器消除。本文為了確保低頻通路因紋波消除環(huán)路而產(chǎn)生的陷波能夠被高頻通路“填補”，且綜合芯片面積因素，低頻和高頻通路交叉頻率fcross設(shè)置為2 kHz，其由輸出級的時間常數(shù)R0C0決定的，該頻率必須遠(yuǎn)小于旋轉(zhuǎn)頻率。為了保證兩條通路具有平滑的頻率曲線，R3C3和R0C0必須有很好的匹配性。低頻通路和高頻通路的波特曲線如圖2所示。

圖2 低頻通路和高頻通路波特曲線

1.3 旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)

霍爾盤通常采用N阱工藝制成，包含4個端口，可以將其等效為一個惠斯通電橋。由于霍爾盤摻雜濃度的不均勻性以及N阱深度的不同，都會使霍爾傳感器產(chǎn)生很嚴(yán)重的失調(diào)電壓，且霍爾傳感器產(chǎn)生的霍爾信號在經(jīng)過儀表放大器放大時，也會疊加一些放大器的失調(diào)和噪聲。因此，必須采取相關(guān)技術(shù)來消除霍爾傳感器的失調(diào)和噪聲。旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)是通過改變霍爾元件控制端與輸出端的位置來改變霍爾電壓VHall和失調(diào)電壓Voffset的極性。如圖3所示，通過周期性的循環(huán)，霍爾電壓被調(diào)制到旋轉(zhuǎn)頻率fspin處，而失調(diào)電壓仍保持在原頻率上，那么霍爾元件輸出端電壓表現(xiàn)為直流的失調(diào)電壓和交流的霍爾電壓之和。通過后續(xù)的斬波器濾器即可把霍爾電壓解調(diào)為直流信號，而將失調(diào)電壓調(diào)制為交流信號，利用低通濾波器或者紋波消除環(huán)路RRL可消除該交流失調(diào)電壓。

圖3 旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)

當(dāng)偏置電流從左向右流動時，霍爾元件輸出端電壓為

Vph1=VHall+Voffset

(1)

當(dāng)偏置電流旋轉(zhuǎn)90°，從上向下流動時，霍爾元件輸出端電壓為

Vph2=-VHall+Voffset

(2)

經(jīng)旋轉(zhuǎn)電流電路處理后的霍爾電壓被調(diào)制成AC信號，而失調(diào)電壓保持在DC狀態(tài)，所以,大部分的失調(diào)電壓被輸入電容Cin抑制。

1.4 RRL

由于霍爾盤N阱的不匹配性，導(dǎo)致霍爾傳感器的失調(diào)信號不是一個常量，且在每個相位的值都不同。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)后的失調(diào)信號變成一個AC變量，并能通過電容Cin而被放大。經(jīng)過解調(diào)后，這個失調(diào)信號與運放的失調(diào)電壓以方波的形式一起出現(xiàn)在第二級A2的輸出端。本文采用的紋波消除環(huán)路RRL原理如圖4所示。

圖4 紋波消除環(huán)路RRL原理

通過感應(yīng)電阻器RS，第二級A2輸出端的電壓紋波被轉(zhuǎn)化成電流紋波，同時，該電流紋波被斬波器CH3解調(diào)并通過積分器存儲在電容Cint上。最后通過電阻器RC被轉(zhuǎn)化成補償電流注入到A2的虛地端。為了簡化分析，把斬波器CH1，CH2和CH3等效為一個CHeff，可以將紋波消除環(huán)路RRL看成一個直流伺服環(huán)路，有利于電路分析。假設(shè)A2是一個理想的運放，那么A2輸出端電壓VOL可以表示為

VOL=(I1-I2)R2

(3)

在反饋環(huán)路，從VOL到VC的傳輸函數(shù)可以表示為

(4)

式(3)可以重新寫成

(5)

因此，從Vin到VOL的傳輸函數(shù)H(s)為

(6)

式(6)符合經(jīng)典的反饋理論公式，可以知道紋波消除環(huán)路的閉環(huán)增益Aβ為

(7)

所以,高通角頻率f0的計算公式為

f0|Aβ=1=R2/(2πCintRSRC)

(8)

最后得到直流傳輸函數(shù)為

H(0)=RC/(A0·R1)

(9)

可知等效斬波器CHeff的作用是在斬波頻率處把高通濾波器轉(zhuǎn)化成一個陷波濾波器。在本文設(shè)計中，R1=50 kΩ，R2=1 MΩ，RS=10 MΩ，Cint=20 pF，RC=2.5 MΩ和A0=100 dB，理論上紋波抑制比可以達(dá)到66 dB，陷波寬度2f0=640 Hz。

2 結(jié)果與分析

基于SMIC 0.18 μm CMOS工藝，利用Cadence工具對本文設(shè)計的霍爾電流傳感器的讀出電路進行仿真驗證。電路整體電源電壓為3.3 V，靜態(tài)電流為7.5 mA(包括前端霍爾盤消耗的電流)。整體電路交流特性仿真結(jié)果如圖5(a)所示，-3 dB帶寬高達(dá)675 kHz，符合理論分析。

圖5(b)所示為整體電路的共模抑制比(common-mode rejection ratio,CMRR)仿真，為了得到更切合實際的仿真結(jié)果，本文通過Cadence軟件中的蒙特卡洛仿真來獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，仿真樣本數(shù)為200，圖5(b)為共模抑制比CMRR最小的情況?？梢钥闯龅皖l時CMRR的最小值為-120 dB，在1 kHz處仍然有-105 dB，符合高共模抑制比要求。

圖5(d)所示為RRL紋波幅度瞬態(tài)仿真結(jié)果。未帶紋波消除環(huán)路RRL時，紋波大約為42.04 mV；帶紋波消除環(huán)路RRL時，紋波減小至22.09 μV；所以紋波抑制比高達(dá)65.6 dB，符合理論分析結(jié)果。

圖5 仿真結(jié)果

3 結(jié)束語

本文提出一種應(yīng)用于霍爾電流傳感器的高精度、低噪聲的讀出電路，整體設(shè)計的仿真結(jié)果達(dá)到了高精度霍爾電流傳感器的讀出電路要求。