CMOS磁场传感器芯片中斩波放大器的设计

1、2007年第4期仪表技术与传感器InstrumentTechniqueandSensor2007No14CMOS磁场传感器芯片中斩波放大器的设计宁伟超,程东方,张春燕,王书凯(上海大学微电子中心,上海200072)摘要:介绍了一个应用在无刷电机上的开关式磁敏传感器中的高灵敏度斩波放大器的设计,它能够有效地放大Hall片产生的低频微弱信号。该电路应用斩波技术抑制放大器的低频噪声和失调,采用跟踪-保持解调器进一步减少由调制CMOS工艺模型进行仿真,该放大器能有效的消除5mV的输入失调器开关引起的残余失调。在Candence环境下用1.5电压且能减少由调制器开关引起的残余失调,而不需要任何的滤波器。

2、关键词:斩波放大器;残余失调;跟踪-保持解调器中图分类号:TP212.13文献标识码:A文章编号:1002-1841(2007)04-0053-03CMOSChopperAmplifierforMonolithicMagneticNINGWei2chao,CHENGDong2fang,ZHChun2,W2(MicroelectronicResearch&Development,U200072,China)Abstract:DescribedahighlysensitiveCMamagnetichallsensor.Itisrealizedbyusingchopperstabilizat

3、iontechniquetoovercometheInordertoeliminatetheresidualoffsetduetotheinputswitchingtransientspikesa2(T/H)2baseddemodulation.Aspectresimulationofthecircuitwasperformedusing115CMOSmodelof015mVoftheamplifierinputoffsetandlow2frequencyinputnoisecanbeeffectivelyelim2inated,withoutrequiringlow2passfilterin

4、g.Keywords:chopperamplifier;residualoffset;track2and2hold2baseddemodulation0引言1.1斩波技术的原理位置传感器取代碳刷换向器使得无刷直流电机具有高效率、高可靠性,寿命长、调速方便的优点,考虑到传感器的体积和性能,常用的传感器是磁敏开关式传感器1,目前使用最广泛的是霍尔传感器,因此研究具有高精度、高可靠性的霍尔传感器成为迫切的要求。集成传感器中霍尔片产生的霍尔信号非常微弱,一般在几mV到几十mV左右,设计一个能够精确放大该霍尔信号的放斩波稳定技术是一种调制技术。CMOS放大器的噪声(主要是1/f噪声)存在于低频,如果能将

5、输入的直流信号(或缓慢变化的信号)调制到没有1/f噪声的高频,然后经过具有低频噪声的放大器放大,再将放大后的信号解调回原信号频率(解调的过程同时也把放大器的低频噪声调制到高频上),这样就实现有用信号和放大器的噪声、失调的分离,可以较好地解决抑制温漂和放大微弱直流信号的矛盾3。这就是斩波技术的基本指导思想,原理见图1。大器是传感器信号处理电路的关键。普通CMOS放大器直流失调大、噪声(1/f噪声)大。对于微弱的霍尔信号来说,这些非理想因素甚至可以和Hall片产生的有用信号相匹敌,掩盖了需要检测的信号。因此,必须采取措施,减少电路的噪声和失调。目前,常用的能应用于CMOS放大器的低噪声、低失调设计

6、技术有:斩波技术、自稳零技术和相关双采样技术2。后两者都需要采样保持过程,将会引入很大的残余失调,比较适用于数据采样电路中;斩波技术使用的是调制解调技术,残余失调低,一般应用于连续信号的处理中。采用斩波技术补偿放大器大部分的非线性因素,包括噪声(主要是热噪声和1/f噪声)以及输入失调电压。针对传统斩图1斩波技术的原理图1中:Vin和Vout分别是输入和输出信号电压;A是放大器的增益;m1(t)和m2(t)分别是周期为T=1/fchop的调制和解调信号;fchop是斩波信号的频率;Vos和VN为运放的低频输入失调电压和噪声。假设SN(f)表示噪声和输入失调电压的功率谱密度(PSD),那么(Vos

7、+VN)m2(t)的PSD为SCS(f)=2波放大器存在一定残余失调的问题,提出了一种跟踪-保持(T/H)调制器实现信号的解调,这种调制器的优点是能够消除n=-传统斩波放大器中由调制器产生的残余失调,而不需要增加额外的滤波器。1斩波技术收稿日期:2006-08-24收修改稿日期:2006-12-15)2SN(f-(2n+1)T可见,噪声和失调电压被调制到斩波频率的奇次谐波频率处。经过简单的滤波器就能被滤除。1.2传统斩波放大器存在的缺陷传统斩波稳定技术也存在一定的缺陷,最大的不足是输出54InstrumentTechniqueandSensorApr12007仍会存在一定的残余失调,它主要是由

8、调制器的非理想性(主要是时钟馈通和电荷注入)造成的。一般传统斩波调制器和解调器的实现方法见图2。调制器由4个开关M0M3构成,解调器由开关M4M7组成。实现方法如图4所示。调制解调器在两个相位相反,周期为T的时钟clk1和clk2的控制下,对输入信号进行调制、解调。而调制器在每次开关中,都会有一定的时钟馈通和电荷注入到内部电路中,在放大器的差分输入电容上产生一个周期T的峰值电压4,典型尖峰信号如图3所示。图4T/H解调器以及控制时钟的时序该电路的思想是:被解调的信号不像传统解调器那样直接输出,而是首先保持在电容CAP1和CAP2上,当电路输出时,开关K1K4断开,K5K8闭合,两个电容上的电压

9、加到电容Cload上图3调制器开关在放大器输入端引起的尖峰信号求和并对外输出。由于解调器输出时,开关K1K4将电容跟前面的调制器断开,因此由调制器开关引起的时钟馈通和电荷注入对电路的输出不造成影响。该解调器在不加任何滤波器的情况下,跟传统的斩波放大器相比,不仅能够有效地消除放大器的输入失调和噪声,还能改善由调制器引起的残余失调。3电路的具体实现图3中:表示尖峰信号的时间常数;T是斩波的周期。该峰值电压跟输入信号一样,通过放大器的放大后到达解调器,由于解调器的解调周期也是T,这个尖峰经过解调后会出现等效的直流信号电压值,这就是斩波放大器的残余失调电压。传统斩波技术存在的另一个缺陷是如果要将放大器

10、的失调电压以及噪声消除,需要将输出信号进行低通滤波处理4,滤除调制到高频的失调电压和噪声,而该低通滤波器要占据很大的芯片面积。针对传统斩波技术的这些缺陷提出了改进的方法,对解调器进行了改进,利用开关电容技术设计了一种T/H解调器。具有该解调器的斩波放大器能够有效的消除失调电压和噪声,而不需要额外的低通滤波器,并且能有效的减少由调制器引入的残余失调。2解决传统斩波放大器的缺陷的方法2.1采用CMOS开关进行调制解调为了避免信号处理电路对Hall片的影响,放大器的输入阻抗必须足够大,因此采用仪用放大器。整体电路如图5所示。输入信号Vin经过调制器的调制后,在clk1和clk2周期内,放大器的输入信

11、号相位相反,幅值相同。而放大器的失调电压和噪声没有经过调制,它们的相位在两个时钟周期内没有发生变化,跟输入信号一起输入到放大器被放大。在时钟clk3周期内,开关K1和K3闭合,其余开关断开,T/H输入信号被电容CAP1跟踪,时钟clk3结束时的输入值被存储在电容CAP1上;同样,clk4结束的时候的输入值被储存在CAP2上。2个电容上有极性相同的放大后的失调电压和噪声,和极性相反的放大后的输入信号。时钟clk3和clk4之间,增加了一个求和时钟b1。在b1周期内,开关K1K4都已经断开,K5K8闭合,电容CAP1和为了避免单沟道MOS开关的非线性效应,文中的所有开关都用CMOS开关。它们的控制

12、时钟都是在一个片内的振荡器产生的时钟信号基础上进行分频得到的。基本原理是让相反的电荷量由两个沟道相互注入。但是PMOS器件和NMOS器件的沟道电荷很难完全匹配,该方法不能只减少放大器的残余失调,不能完全消除。2.2跟踪-保持解调器的介绍电容CAP2上的电压值被加到负载电容Cload上求和。电容CAP2的电压叠加到负载电容上的时候经过了反向,所以两个电容上的失调电压和噪声相减,而输入电压相加。因为两个电容上的噪声都是由相同的噪声源产生,且输入噪声都处在低频,它们的频率远比调制频率要低的多,因此2个电容上的噪声是相关的,相减时可以进行抵消。不仅是放大器的低频噪声能够有效能有效减少调制器开关引起的残

13、余失调而不需要额外的滤波器的方法是在传统解调器中增加了一个信号保持功能5,第4期宁伟超等:CMOS磁场传感器芯片中斩波放大器的设计55调电压的和;图6(b)表示的是放大器输出端的电压,也就是输入到T/H解调器的电压,可以从图中看出,失调电压被放大到23615mV;图6(c)是电路的输出电压,经过测量,输出的失调电压为85V.5结束语介绍了一种适用于Hall传感器的高灵敏度CMOS斩波放大器电路,利用斩波技术解决放大器的失调电压和噪声问题,为了减少传统斩波放大器中由调制器引入的残余失调,设计了一个T/H解调器。通过仿真测试,该电路能够有效的消除放大器的输入失调和低频噪声,而不需要增加任何的低通滤

14、波器。图5带T/H解调器的斩波放大器和开关控制时钟参考文献:1赵志诚,刘凯,郑浩.传感器技术和产品发展的重点.仪表技术与的抵消,放大器的失调电压也能获得同样的结果。最终电容Cload上的电压仅是经过放大的输入信号的两倍(2AVin)。传感器,2005(3):1-2.2ENZCC,TEMESGC.Circuittechniquesforreducingtheeffectsofop2ampimperfections:Autozeroing,correlateddoublesampling,andchopperstabilization.Proc.IEEE,1996,84:1584-1613.3万和

15、舟,程东方,冯旭.开关型CMOS霍尔磁敏传感器的设计.仪表整体电路参数的匹配问题是该电路成功与否的关键。对于一般的采样电路,只要求Nyquist频率大于信号频率的2倍,而在该电路中,为了使输出波形更加的平滑,选取斩波频率为5倍的信号频率。而对于放大器带宽的选择,则需要一个折中:带宽远大于斩波频率时,直流增益可能很接近最大增益,但是,这样会使所有由调制器开关引起的尖峰信号残留下来,使得残余失调很大,因为设计的解调器有消除残余失调的功能,因此选择放大器的带宽为斩波频率的34倍。选取斩波频率80kHz,放大器的带宽290kHz,放大倍数为50。A1、A2都是带米勒技术与传感器,2005(8):5-7.4祝湘临,陈照章.梳状光电传感器及其信号调理电路的研制.仪表技术与传感器,2002(11):34-36.5BILOTTIA,MONREALG.Chopper2stabilizedamplifierswithatrack2and2holdsignaldemodulator.IEEEJournalofSolid2stateCircuits,1999,46(4):490-495.),硕士研究生,从事于耐高