CN116961600A - 一种低失调、低噪声宽带tmr磁传感器读出电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低失调、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。本发明的读出电路具有功耗低、低失调、低噪声、宽带的优点。

Description

一种低失调、低噪声宽带TMR磁传感器读出电路

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

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。

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。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明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，本发明采用电流平衡仪表放大器（Current Balance IA，CBIA）结构，本发明的读出电路具有功耗低、低失调、低噪声宽带的优点。

本发明的技术方案具体介绍如下。

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。

本发明中，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。

本发明中，CBIA自动调零的频率设置为10KHz。

本发明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。

和现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明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；本发明的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

图1. 惠斯通电桥读出电路。

图2. 时域中的斩波原理。

图3. 多路径***的波特图。

图4. 使用辅助放大器的闭环失调存储技术。

图5. 不同IA架构能效比较。

图6. TMR传感器读出电路***架构图。

图7. 乒乓自动调零CBIA。

图8. 自动调零CBIA的工作模式。

图9. TMR失调电压消除电路。

图10. 失调电压消除电路工作时序。

图11. 带温度补偿的TMR传感器偏置电路。

图12. 温度系数可调的BGR。

图13. 不同增益下的交流特性仿真曲线。

图14. 高倍增益下的噪声曲线。

图15. 高倍增益下的失调电压。

图16. TMR传感器读出电路版图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细介绍。

本发明提出了一种低失调、低噪声宽带TMR磁传感器的读出电路，***架构图如图6所示，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。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（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。

对TMR传感器读出电路各个模块的介绍如下。

乒乓自动调零CBIA

配置成乒乓结构的自动调零CBIA如图7所示。CBIA拓扑结构具有高输入阻抗和高共模抑制比（CMRR）的固有优点，本设计将乒乓自动调零技术应用到CBIA上以实现低失调和低噪声的特性。

自动调零CBIA的工作模式如图8所示。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。将自动调零的CBIA配置成乒乓结构，如图7所示，可以得到连续的输出，两个CBIA通道共用一个OTA。

为了获得低的本底噪声，需要增大支路电流和输入对管的宽长比，减小电流镜管的宽长比。自动调零技术不仅可以抵消放大器的失调电压，也可以降低其低频噪声。但是由于自动调零技术是一种采样技术，会发生宽带噪声折叠，本设计将自动调零频率设置为10KHz以实现较低的积分噪声。

TMR失调电压消除电路

由于TMR传感器本身存在失调电压，且无法与信号电压区分，且自动调零工作时输入短路，无法对TMR的失调电压进行采样，因此需要单独的TMR失调电压消除电路，如图9所示。采用基于SAR逻辑的失调电压自动消除技术，当输入信号为零时，将输出电压连接到比较器，通过10bit SAR逻辑生成控制信号控制IDAC产生补偿电流，对失调电压进行抵消，同时将SAR逻辑码值保存下来，用于后续工作中对TMR失调电压的抵消。

Auto-zeroing用来消除零漂移仪表放大器IA的失调电压，基于SAR逻辑的校准技术用来消除TMR传感器的失调电压，两者工作时互不干扰。图10为失调电压消除电路的工作时序图，V_OS1和V_OS2分别表示IA的失调电压和TMR的失调电压。在初始状态，关闭校准电路，不接入信号磁场，打开auto-zeroing，通道A和通道B按照乒乓时序交替工作，将V_OS1分别存储在自动调零电容C_AZ上。然后打开校准电路，不接入磁场信号，通道A和通道B按照乒乓时序交替工作，将IDAC调整到能够抵消V_OS2的电流值，同时将逻辑码值保存下来。然后关闭校准电路，打开auto-zeroing，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，接入信号磁场后即可在输出得到没有失调电压的放大的信号。

带温度补偿的TMR传感器偏置电路

由于TMR2901传感器具有-1100ppm/K的温度系数，需要进行温度补偿。图11为TMR传感器的偏置电路，由温度系数可调的带隙基准BGR生成一个具有正温度系数的参考电压V_REF，从而得到一个具有正温度系数的偏置电流，来补偿TMR传感器的负温度系数，实现一阶温度补偿。

图12为温度系数可调的BGR，流过电阻R₁的电流具有正温度系数，流过电阻R₂的电流具有负温度系数，两者相加得到温度系数可调的电流，在电阻R₄上转化为温度系数可调的电压V_REF，V_REF的表达式如下：

通过调节R₁的阻值可以调节V_REF的温度系数，通过调节R₄的阻值可以调节V_REF的绝对值大小。

TMR传感器读出电路的仿真结果

通过改变CBIA的输入电阻R_in的大小可以改变IA的增益，以实现对不同大小磁场信号的放大，图13是不同增益下的交流特性仿真曲线，带宽均达到2MHz以上。图14是高倍增益下的噪声曲线，auto-zeroing频率选为10KHz，在2MHz内的积分噪声为5.68μV_rms，对应磁场为50nT_rms。图15是高倍增益下的失调电压蒙特卡洛仿真结果，等效到输入端的失调电压小于5.5μV，对应磁场为49nT。

实施例1

本设计采用0.18μm标准CMOS工艺实现，芯片面积为2.55mm²，版图如图16所示，该芯片在1.8V电源电压下消耗3.1mW。

Claims (4)

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。

3.根据权利要求2所述的TMR磁传感器读出电路，其特征在于，CBIA自动调零的频率设置为10KHz。

4.一种根据权利要求1所述的TMR磁传感器读出电路的失调消除工作时序，其特征在于，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，将电流数字模拟转换器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。