基于斬波二階補償的片上霍爾信號放大器及方法與流程

本發明涉及信號放大領域，尤其涉及一種基于斬波二階補償的片上霍爾信號放大器及消除失調和線性補償的方法。

背景技術：

集成電路設計中，經常存在小信號放大時運放失調、電壓過大、器件溫漂過大、線性度特性不好等問題。

為了解決上述問題，技術人員常常需要對信號調理放大電路做零漂、溫漂消除以及線性度補償等處理，但由于半導體器件在制作工藝時，存在光刻、刻蝕、硅基離子注入角度偏差問題，導致運放正向端與反向端的管子特性呈現非一致性，靜態工作時電壓失調，倘若對硅基霍爾信號直接進行放大，則微弱的信號很容易被失調電壓所淹沒，造成信號提取困難；加入失調補償雖能在特定溫度環境下消除失調電壓帶來的影響，達到調零的目的，但當溫度改變時，固定補償不能適應管子溫度變化特性，也會致使失調補償失去原本的作用。

此外，由于硅基霍爾在不同電壓、溫度下，對磁場敏感強度會發生較大改變，呈現非線性，也使得線性補償效果不佳。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對上述技術現狀而提供一種既能消除放大器失調噪聲影響，又能實現霍爾信號非線性校準的基于斬波二階補償的片上霍爾信號放大器。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：一種基于斬波二階補償的片上霍爾信號放大器，包括：

信號輸入模塊，用于提供霍爾正相輸入信號和反相輸入信號；

與所述信號輸入模塊的兩個輸出端連接的斬波調制模塊，配置為對所述正相輸入信號和反相輸入信號進行調制、輸出；

時鐘模塊，用于為所述斬波調制模塊提供切換頻率與調制頻率；

與所述斬波調制模塊的兩個輸出端連接的運放模塊，用于放大所述斬波調制模塊的輸出信號；

其特征在于：

還包括與所述運放模塊輸出端、時鐘模塊連接的二階補償模塊，根據運放反相放大特性，對所述運放模塊的輸出信號進行補償，并反饋給所述運放模塊的反相輸入端，形成負反饋。

進一步的，所述二階補償模塊包括二階濾波反饋模塊和增益調節模塊；所述二階濾波反饋模塊為增益rc濾波器，利用交流通路rc充放電特性對不同幅值的電壓實現增益非線性補償；所述增益調節模塊為溫補增益調節器，利用與整個電路溫漂相同的材料制成以形成增益環，并將輸出最終輸入至運放模塊的反相輸入端形成負反饋。通過利用運放反相放大特性，形成反饋環，從而抑制整個電路溫漂，而增益rc濾波器與溫補增益調節器串聯形成二階補償，實現了對磁場感應非線性、溫度感應非線性的同時補償。

進一步的，所述溫補增益調節器由溫敏材料制成，其與所述時鐘模塊連接，用于獲得時鐘模塊的調制頻率，并基于調制頻率對輸入的信號進行調制。

進一步的，所述運放模塊包括一階運放和二階運放，所述一階運放與二階運放間配置有濾除一階運放輸出信號中的直流分量的隔直通交電路模塊，所述一階運放的反相輸入端與所述增益調節模塊的輸出端連接。

進一步的，所述斬波調制模塊由混頻器構成。

一種用于對片上霍爾信號放大器進行調制和補償的方法，所述方法包括：

第一步，將信號輸入模塊輸出的霍爾正相輸入信號和反相輸入信號提供給斬波調制模塊；

第二步，所述斬波調制模塊基于時鐘模塊的切換頻率和調制頻率對輸入信號進行調節，并產生兩個輸出信號；

第三步，運放模塊對所述斬波調制模塊的兩個輸出信號進行放大；

其特征在于：

所述方法還包括第四步，利用二階補償模塊對運放模塊的輸出信號進行補償，基于時鐘模塊的調制頻率對該信號進行調節，將其反饋至運放模塊的反相輸入端。

進一步的，所述第四步包括：

運放模塊的輸出信號由二階補償模塊中的增益rc濾波器利用交流通路rc充放電特性進行增益非線性補償，并輸出至增益調節模塊；

增益調節模塊利用與整個電路溫漂相同的材料制成以形成增益環，基于時鐘模塊提供的調制頻率將二階濾波反饋模塊輸出信號中的失調電壓調制到時鐘頻率附近的頻帶，并將調制后的輸出信號反饋至運放模塊的反相輸入端

進一步的，所述第三步包括：

斬波調制模塊的兩個輸出信號經運放模塊中的一階運放進行放大后傳輸至隔直通交電路模塊，濾除其中的直流分量后傳送給二階運放，用于濾波處理，后提供給二階補償模塊。

進一步的，所述第二步包括：

所述斬波調制模塊基于時鐘模塊的切換頻率將輸入信號在正相與反相間切換，并基于時鐘模塊的調制頻率，將輸入信號中的失調電壓調制到時鐘頻率附近，并輸出調制后的輸入信號。

與現有技術相比，本發明的優點在于：利用斬波調制霍爾信號，實現了全溫度范圍消除失調，并引入二階補償提升了霍爾輸出信號的線性度，避免了以往采用偏置電壓消除運放零漂時，集成電路管隨著外界環境溫度變化而呈現不同溫度特性，導致原有零點漂移隨著溫度改變而改變，造成消除零漂作用失效和查表法進行非線性補償時因芯片個體差異，致使需要做大量表格數據，使得成本顯著提升的問題。

附圖說明

圖1為本發明實施例的電路方框圖。

圖2為本發明實施例的起振電路示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述。

如圖1示出的基于斬波二階補償的片上霍爾信號放大器，包括：

信號輸入模塊，給斬波調制模塊提供霍爾正相輸入信號和反相輸入信號；

斬波調制模塊，與信號輸入模塊的兩個輸出端連接，對正相輸入信號和反相輸入信號進行調制、輸出；斬波調制模塊由兩個混頻器構成；

時鐘模塊，為斬波調制模塊提供切換頻率與調制頻率；斬波調制模塊基于時鐘模塊的切換頻率將輸入信號在正相與反相間切換，基于調制頻率，將輸入信號中的失調電壓調制到時鐘頻率附近，并輸出調制后的輸入信號；

運放模塊，與斬波調制模塊的兩個輸出端連接，用于放大斬波調制模塊的輸出信號；運放模塊包括一階運放、位于一階運放后端的隔直通交電路模塊以及二階運放；一階運放對斬波調制模塊的輸出信號進行放大，隔直通交電路模塊則用于濾除一階運放輸出信號中的直流分量，以此凈化信號；二階運放則進一步對傳遞過來的信號進行濾波選頻處理并輸出；

二階補償模塊，與所述運放模塊輸出端、時鐘模塊連接，根據運放反相放大特性，對運放模塊的輸出信號進行補償，并反饋給運放模塊的反相輸入端，形成負反饋。

該二階補償模塊包括二階濾波反饋模塊和增益調節模塊；所述二階濾波反饋模塊為增益rc濾波器，利用交流通路rc充放電特性對不同幅值的電壓實現增益非線性補償；所述增益調節模塊為溫補增益調節器，利用與整個電路溫漂相同的材料制成以形成增益環，并將輸出最終輸入至運放模塊的反相輸入端形成負反饋。通過利用運放反相放大特性，形成反饋環，從而抑制整個電路溫漂，而增益rc濾波器與溫補增益調節器串聯形成二階補償，能有效實現對磁場感應非線性、溫度感應非線性的同時補償。

溫補增益調節器由溫敏材料制成，具有與霍爾盤溫漂一樣的等溫度系數特性，使得電壓變化連續，能跟隨霍爾盤同步變化。溫補增益調節器的輸出端與一階運放的反相輸入端連接，在時鐘模塊的調制頻率作用下對二階濾波反饋模塊輸出信號中的失調電壓進行調節，將其調制到時鐘頻率附近的頻帶，隨后將調制后的信號反饋至運放模塊的反相輸入端，通過環路濾波器將失調電壓從環路中移除，從而通過負反饋的方式能很好的解決溫漂問題。

本方案主要使用了斬波調制霍爾信號，實現全溫度范圍消除失調，同時引入二階補償，提升霍爾輸出信號的線性度，以最低的成本實現產品的性能。斬波電路使輸入信號實現正反相交替，放大形成交流信號，若運放本身有失調現象，則失調電壓放大呈現直流特性，經隔直通交電路濾除直流分量后，即可提取交流峰值實現對霍爾盤輸入的小信號的放大，從而達到消除運放自身失調電壓的目的。

如圖1示出的霍爾信號作為被調制的信號，經過混頻器時鐘切換開關，調制成正反相變化的交流信號，交由第一級運放放大，經第二級運放選頻放大，峰值檢波后經由二階濾波器實現波形非線性補償，控制第一級運放，以此構成閉環反饋。

圖2所示，本實施例電路中的起振電路利用mos管壓控開關的特性，配合rc充放電時間不同，調節起振回路頻率大小，并將起振后的方波信號作為芯片工作的系統主時鐘，主時鐘控制混頻一分二開關，周期性調節第一級運放正反相輸入信號，如圖(2)所示：

假設霍爾產生的電壓為vh，運放失調電壓為vl，放大增益為k，則有

時鐘輸出out+高電平、out-低電平時輸出信號vout＝k*(vh+vl)(1)

時鐘輸出out+低電平、out-高電平時輸出信號-vout＝k*(-vh+vl)(2)

式(1)-式(2)得到2vout＝2*k*vh(3)

即輸出的交流信號峰峰值為霍爾輸出電壓的2k倍，因而信號經過隔直通交回路后可濾除vl失調電壓，當再經精密整流電路、峰值保持檢波時，則可得k倍的霍爾信號。

而現有的失調校準主要是在運放輸入正反相端疊加偏置電壓，使運放靜態輸出呈現歸零的狀態，并根據霍爾信號的增益需要，使用查表法調節運放增益電阻，實現不同霍爾輸出電壓情況下，調節增益電阻達到糾正運放非線性輸出的目的。雖然現有加偏置電壓能在固定環境下實現消除運放零偏的目的，但隨著外界環境溫度改變，集成電路上的管子也呈現不同的溫度特性，原有的零點漂移會隨著溫度改變而改變，最終使得固定偏置電壓不能適應溫度變化，導致消除零偏效果失效；采用查表法做非線性補償，雖然軟件設置靈活，但由于芯片具有個體差異，致使每顆芯片都需要做全溫度測試標定，這樣造成溫度補償精細需要大量的表格數據，從而造成芯片成本顯著增加。

相比較而言，本發明的霍爾非線性二階補償則根據壓控振蕩器工作原理，不同電壓下將激發不同頻率的方波信號，在二階通路中，形成不同的頻帶增益，最終濾得直流信號反饋疊加，實現補償，運用該結構可實現霍爾信號的百倍放大，同時達到抑制調理電路的失調電壓、二階非線性補償的目的。