低失調(diào)的磁感應(yīng)傳感器放大電路設(shè)計(jì)

1、南京郵電大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告題目低失調(diào)的磁感應(yīng)傳感器放大電路設(shè)計(jì)學(xué)生姓名錢彩華班級(jí)學(xué)號(hào)B05040105專業(yè)微電子學(xué)在近年IC工藝技術(shù)發(fā)展中，一個(gè)重要趨勢(shì)就是在相同工藝下實(shí)現(xiàn)智能傳感器的集成。在標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝下將微傳感器和其它電路相結(jié)合，不僅可以減少電路的復(fù)雜程度，還能降低封裝價(jià)格，實(shí)現(xiàn)低成本的大批量生產(chǎn)，具有更好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。同時(shí)集成的信號(hào)處理（包括A/D轉(zhuǎn)換、芯上校準(zhǔn)等）和錯(cuò)誤診斷等電路也能進(jìn)一步增強(qiáng)微傳感器系統(tǒng)的功能。另外，集成微系統(tǒng)在功耗、面積、可靠性上也比分散式系統(tǒng)更具優(yōu)越性。然而在標(biāo)準(zhǔn)的CMOS集成工藝下實(shí)現(xiàn)的傳感器比特殊工藝實(shí)現(xiàn)的傳感器在靈敏度和精確度方面要更差，于是

2、性能上的損失必須通過一些信號(hào)處理技術(shù)來進(jìn)行補(bǔ)償。目前常用的傳感器是磁敏開關(guān)式傳感器 ,其中使用最廣泛的是霍爾傳感器,因此研究具有高精度、高可靠性的霍爾傳感器成為迫切的要求。集成傳感器中霍爾片產(chǎn)生的霍爾信號(hào)非常微弱,一般在幾mV 到幾十mV 左右,設(shè)計(jì)一個(gè)能夠精確放大該霍爾信號(hào)的放大器是傳感器信號(hào)處理電路的關(guān)鍵。在CMOS集成電路中，運(yùn)算放大器的電路性能往往受失調(diào)電壓和低頻噪聲的影響。對(duì)于微弱的霍爾信號(hào)來說,這些非理想因素甚至可以和Hall 片產(chǎn)生的有用信號(hào)相匹敵,掩蓋了需要檢測(cè)的信號(hào)。因此,必須采取措施減少電路的噪聲和失調(diào)。用于消除放大器低頻噪聲（主要是1/f噪聲）和失調(diào)電壓的技術(shù)主要有三種：

3、自動(dòng)調(diào)零（A Z）、相關(guān)雙采樣技術(shù)（C D S）和斬波技術(shù)（C H S）。其中，自動(dòng)調(diào)零技術(shù)是先采樣和保持失調(diào)電壓，再從信號(hào)中減去失調(diào)電壓部分；相關(guān)雙采樣技術(shù)是自動(dòng)調(diào)零技術(shù)的一個(gè)特殊例子，它能實(shí)質(zhì)性地減少低頻1/f噪聲，卻會(huì)增加放大器的熱噪聲，且還會(huì)殘余下由于開關(guān)管的時(shí)鐘饋通效應(yīng)所引入的失調(diào)電壓；斬波技術(shù)則是通過把輸入信號(hào)和開關(guān)型方波信號(hào)耦合，再經(jīng)同步解調(diào)和低通濾波后得到非線性小的信號(hào)。與其他兩種技術(shù)相比，斬波技術(shù)不僅可以消除放大器因失調(diào)電壓造成的非線性，且能有效地抑制器件噪聲。 一、斬波技術(shù)概述（一） 斬波技術(shù)原理斬波穩(wěn)定技術(shù)是一種調(diào)制技術(shù)。CMOS 放大器的噪聲(主要是1/ f 噪聲) 存

4、在于低頻,如果能將輸入的直流信號(hào)(或緩慢變化的信號(hào)) 調(diào)制到?jīng)]有1/ f 噪聲的高頻,然后經(jīng)過具有低頻噪聲的放大器放大,再將放大后的信號(hào)解調(diào)回原信號(hào)頻率(解調(diào)的過程同時(shí)也把放大器的低頻噪聲調(diào)制到高頻上) ,這樣就實(shí)現(xiàn)有用信號(hào)和放大器的噪聲、失調(diào)的分離,可以較好地解決抑制溫漂和放大微弱直流信號(hào)的矛盾 。這就是斬波技術(shù)的基本指導(dǎo)思想,原理見圖1。 （轉(zhuǎn)下頁）指導(dǎo)教師批閱意見該生在閱讀了大量的參考文獻(xiàn)后，首先闡述了斬波技術(shù)原理，分析傳統(tǒng)斬波放大器存在的缺陷和解決傳統(tǒng)斬波放大器缺陷的方法。重點(diǎn)分析磁感應(yīng)傳感器（斬波）放大電路消除失調(diào)的方法，以及電路結(jié)構(gòu)和原理。擬定了設(shè)計(jì)的初步方案，制定了確實(shí)可行的工作

5、計(jì)劃。該生對(duì)所選課題理解深入、正確，文獻(xiàn)資料查找詳細(xì)，同意開題。 指導(dǎo)教師(簽名)： 年 月 日（接上頁）圖1 斬波技術(shù)原理圖1 中:Vin和Vout分別是輸入和輸出信號(hào)電壓; A 是放大器的增益; m1 ( t) 和m2 ( t) 分別是周期為T = 1/ f chop的調(diào)制和解調(diào)信號(hào); f chop是斬波信號(hào)的頻率; Vos和Vn為運(yùn)放的低頻輸入失調(diào)電壓和噪聲。（二） 傳統(tǒng)斬波放大器存在的缺陷傳統(tǒng)斬波穩(wěn)定技術(shù)最大的不足是輸出仍會(huì)存在一定的殘余失調(diào),它主要是由調(diào)制器的非理想性(主要是時(shí)鐘饋通和電荷注入) 造成的。另一個(gè)缺陷是如果要將放大器的失調(diào)電壓以及噪聲消除,需要將輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波處理

6、 ,濾除調(diào)制到高頻的失調(diào)電壓和噪聲,而該低通濾波器要占據(jù)很大的芯片面積。針對(duì)傳統(tǒng)斬波技術(shù)的這些缺陷提出了改進(jìn)的方法,對(duì)解調(diào)器進(jìn)行了改進(jìn),利用開關(guān)電容技術(shù)設(shè)計(jì)了一種T/ H 解調(diào)器。具有該解調(diào)器的斬波放大器能夠有效的消除失調(diào)電壓和噪聲,而不需要額外的低通濾波器,并且能有效的減少由調(diào)制器引入的殘余失調(diào)。（三） 解決傳統(tǒng)斬波放大器缺陷的方法（1） 采用CMOS 開關(guān)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)為了避免單溝道MOS 開關(guān)的非線性效應(yīng),通常電路中使用的開關(guān)都用CMOS 開關(guān)。它們的控制時(shí)鐘都是在一個(gè)片內(nèi)的振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)基礎(chǔ)上進(jìn)行分頻得到的?；驹硎亲屜喾吹碾姾闪坑蓛蓚€(gè)溝道相互注入。但是PMOS 器件和NMOS

7、器件的溝道電荷很難完全匹配,該方法不能只減少放大器的殘余失調(diào),不能完全消除。（2） 采用跟蹤 - 保持解調(diào)器能有效減少調(diào)制器開關(guān)引起的殘余失調(diào)而不需要額外的濾波器的方法是在傳統(tǒng)解調(diào)器中增加了一個(gè)信號(hào)保持功能 。如圖5所示，由于解調(diào)器輸出時(shí),開關(guān)CK1、CK2將電容跟前面的調(diào)制器斷開,因此由調(diào)制器開關(guān)引起的時(shí)鐘饋通和電荷注入對(duì)電路的輸出不造成影響。該解調(diào)器在不加任何濾波器的情況下,跟傳統(tǒng)的斬波放大器相比,不僅能夠有效地消除放大器的輸入失調(diào)和噪聲,還能改善由調(diào)制器引起的殘余失調(diào)。二、 磁感應(yīng)傳感器（斬波）放大電路的低失調(diào)控制本課題所設(shè)計(jì)的斬波放大器用于消除磁感應(yīng)集成傳感器中的失調(diào)電壓，并對(duì)微弱的霍

8、爾信號(hào)進(jìn)行放大?？傮w電路框圖如圖2所示。輸入開關(guān)霍爾片儀用放大器一信號(hào)發(fā)生電路施密特觸發(fā)器儀用放大器二圖2 總體電路框圖（一） 開關(guān)霍爾片工作原理 最簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)失調(diào)消除技術(shù)是使用旋轉(zhuǎn)電流法，即在一片含有四個(gè)觸點(diǎn)的方形霍爾片上，通過對(duì)處于對(duì)角線上的一對(duì)觸點(diǎn)施加周期性置換方向的電壓，在另一對(duì)觸點(diǎn)上產(chǎn)生接入下一級(jí)信號(hào)發(fā)生電路（相加電路）的輸入，如圖3所示。由互補(bǔ)時(shí)鐘CK1和CK1-bar產(chǎn)生0度和90度兩種狀態(tài)。Vh、Vop分別為霍爾電壓和霍爾片產(chǎn)生的失調(diào)電壓。 圖4 開關(guān)霍爾片圖3（a） 旋轉(zhuǎn)電流法原理；（b）時(shí)鐘、霍爾電壓和失調(diào)電壓波形 如圖4所示，電路中用到了三個(gè)時(shí)鐘，CK1，CK2，CK3，

9、前兩個(gè)時(shí)鐘CK1、CK2用于定義兩個(gè)積分態(tài)，即0度和90度態(tài)，而CK3用于實(shí)現(xiàn)加法功能。電流旋轉(zhuǎn)過程中，由于供給電壓和霍爾片上的觸點(diǎn)對(duì)沿用一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，故霍爾電壓Vh保持極性不變而失調(diào)電壓Vop雖峰值不變，但極性反轉(zhuǎn)。（二） 信號(hào)發(fā)生電路原理 圖5為一簡(jiǎn)單完整的開關(guān)霍爾傳感器電路，其中SWP塊為前面所介紹的開關(guān)霍爾片。此信號(hào)發(fā)生電路作為準(zhǔn)斬波放大器，對(duì)從前級(jí)SWP塊所得的霍爾電壓進(jìn)行采樣和保持，即CK1周期內(nèi)，采樣信號(hào)保持在電容C1上，CK2周期內(nèi)，采樣信號(hào)保持在電容C2上，最后在開關(guān)CK3周期內(nèi)通過電容C3實(shí)現(xiàn)信號(hào)相加功能。 信號(hào)發(fā)生電路中的相加電路在消除霍爾失調(diào)電壓和噪聲的同時(shí)也會(huì)引入自身

10、的失調(diào)和噪聲，通常使用的兩輸入反向求和運(yùn)放，包含一個(gè)由四個(gè)采樣保持電路組成的全差分結(jié)構(gòu)采樣保持電路和求和運(yùn)放，將會(huì)對(duì)信號(hào)發(fā)生電路引入很大的不可忽視的失調(diào)。因此，本設(shè)計(jì)中使用電容CK3對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行相加，使電容數(shù)量由四個(gè)縮減為三個(gè)，且線路簡(jiǎn)單，既簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，又大大縮減了芯片面積。 圖5 霍爾傳感器的信號(hào)發(fā)生電路三、主要參數(shù)設(shè)計(jì)低失調(diào)的磁感應(yīng)傳感器放大電路主要考慮的參數(shù)指標(biāo)：1、電源電壓：2.54V ；2、最小輸入電壓：1mV；3、失調(diào)電壓100uV；4、單位增益帶寬BW100kHz；5、工作溫度：-10度80度。6、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出。在設(shè)計(jì)中使用上華公司0.5um CMOS工藝。四、具體進(jìn)度計(jì)劃

11、第一、二周：收集有關(guān)資料，撰寫開題報(bào)告；第三、四周：參考有關(guān)文獻(xiàn)研究、對(duì)比各種動(dòng)態(tài)失調(diào)消除技術(shù)，仔細(xì)研究斬波技術(shù)基本原理及低失調(diào)、低噪聲斬波放大器的電路結(jié)構(gòu)；第五周：設(shè)計(jì)一個(gè)滿足技術(shù)要求的低失調(diào)、低噪聲斬波放大器，并進(jìn)行相關(guān)的理論計(jì)算；第六周：熟悉HSpice軟件。 第七周：熟悉Cadence相關(guān)的仿真工具和版圖設(shè)計(jì)工具，進(jìn)行中期檢查；第八周：進(jìn)行電路靜態(tài)工作點(diǎn)的模擬；第九周：使用HSpice完成斬波放大器各項(xiàng)仿真工作。第十、十一周：將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)入Cadence完成斬波放大器各項(xiàng)仿真工作，并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。第十二、十三周：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告；第十四周：答辯前準(zhǔn)備工作，進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯。

12、五、 參考資料：1 Alberto Bilotti, Gerardo Monreal, and Ravi Vig，Monolithic Magnetic Hall Sensor Using Dynamic Quadrature Offset Cancellation，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS , 1997，32（6）：829-8352 Yue Hu, Wen-Rong Yang，CMOS Hall Sensor Using Dynamic Quadrature Offset Cancellation ，IEEE JOURNAL OF SOLID-

13、STATE CIRCUITS , 2006，37（4）：79-823 Johan F. Witte, Kofi A. A. Makinwa, Johan H. Huijsing，A CMOS Chopper Offset-Stabilized Opamp，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, 2007， 42（7）：1529-15354 Anton Bakker, Kevin Thiele, Johan H. Huijsing, A CMOS Nested-Chopper Instrumentation Amplifier with 100-nV Offset，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, 2000，35（12）：1877-18845 寧偉超,程?hào)|方,張春燕,王書凱，CMOS 磁場(chǎng)傳感器芯片中斬波放大器的設(shè)計(jì)，儀表技術(shù)與傳感器，2007，26（4）：53-536 吳孫桃，林凡，郭東輝，李靜，基于斬波技術(shù)的