霍爾傳感器讀出電路的低噪聲運算放大器設(shè)計

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 劉文楷 蘇寧寧 戴 瀾

霍爾傳感器讀出電路的低噪聲運算放大器設(shè)計

北方工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 劉文楷 蘇寧寧 戴 瀾

運算放大器是霍爾傳感器讀出電路的核心部分，霍爾傳感器采集的信號頻率低，幅度小，易受噪聲影響，尤其是低頻噪聲。因此，設(shè)計了一款基于斬波技術(shù)的低噪聲運算放大器，不僅能夠無失真放大微弱信號，還能有效降低低頻噪聲，并且在傳統(tǒng)斬波器的基礎(chǔ)上，對斬波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。電路設(shè)計采用中芯國際（SMIC）0.18μm CMOS工藝，基于Cadence平臺進(jìn)行仿真驗證，仿真結(jié)果表明，在3.3V電壓下，低頻噪聲得到了有效抑制。

霍爾傳感器；斬波技術(shù)；運算放大器；低噪聲

0　引言

傳感器的發(fā)展可謂是為人類的生產(chǎn)生活帶來了巨大改變，使得人們能夠獲得越來越多的有用信息。現(xiàn)在霍爾傳感器已經(jīng)得到了很好的發(fā)展，在很多方面都有廣泛的應(yīng)用，比如汽車行業(yè)、智能手機等的高端市場，同時也將向著新型材料應(yīng)用、微功耗和高集成度的方向發(fā)展。霍爾傳感器對信號處理的要求比其他傳感器高的多，讀出電路作為傳感器收集信號的后期處理，它包括降噪、放大、量化等多個環(huán)節(jié)，而衡量讀出電路處理信號能力強弱的核心部分就是低噪聲運算放大器的設(shè)計，因為它會直接對傳感器的性能造成嚴(yán)重的干擾，如噪聲的影響會使得輸出失真等。因此設(shè)計性能良好的霍爾傳感器讀出電路就顯得非常關(guān)鍵。本文研究了如何減小運算放大器的低頻噪聲，以此來減小低頻噪聲對霍爾讀出電路的影響，其中運算放大器采用斬波式運算放大器結(jié)構(gòu)。

1. 霍爾傳感器讀出電路整體結(jié)構(gòu)

霍爾傳感器讀出電路整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，低壓差線性穩(wěn)壓源為整個讀出電路提供穩(wěn)定的電壓。

圖1 霍爾傳感器讀出電路整體結(jié)構(gòu)框圖

2. 斬波技術(shù)

2.1斬波技術(shù)原理理論分析

斬波技術(shù)的整體思想就是調(diào)制-信號無失真放大-解調(diào)。調(diào)制解調(diào)原理的實質(zhì)其實就是一個頻譜的搬移過程，將低頻信號搬移到系統(tǒng)所需要的頻譜上，然后再解調(diào)回原來的頻帶內(nèi)，將負(fù)面因素與有用信號隔離開，從而只輸出有用信號。斬波運算放大器基本原理框圖如圖2所示：

圖2 斬波運放基本原理框圖

其中輸入信號Vin，輸出信號為Vout，m1（t）和m2（t）表示調(diào)制和解調(diào)的時鐘信號（斬波信號），A是運算放大器的增益，Vin·m1（t）表示調(diào)制過后的信號，V·m2（t）表示解調(diào)信號。

為了使有用信號和其他無用信號（如噪聲和失調(diào)等因素）不重合在一起，輸入信號的頻率一般應(yīng)限制在1/2fchop左右；為了使有用信號被解調(diào)回之前的頻帶內(nèi)，斬波頻率fchopper一般要滿足：

整個斬波技術(shù)原理分析如下：

設(shè)斬波信號（時鐘信號）是周期為T的方波信號，根據(jù)傅里葉級數(shù)展開式：

其中：

可得相應(yīng)調(diào)制信號的傅里葉級數(shù)為：

其中：

根據(jù)式子（2.1.3）可得，調(diào)制過后的信號Vout1可以表示為：

由式（2.1.4）可以看出，當(dāng)k=2n（n=1，2...）時，Ck=0，也就是調(diào)制后的信號僅在fchop奇數(shù)倍的諧波頻率上有分量；經(jīng)過第二次調(diào)制即解調(diào)后的信號為：

根據(jù)式子（2.1.5）可知，當(dāng)k，l=2n+1（n=1，2...）時，Vout2不為零，有輸出，Vout2是經(jīng)過兩次（偶數(shù)次）調(diào)制后得到，即信號頻譜被搬移到了2nfchop上；但是低頻噪聲卻只經(jīng)過了一次（奇數(shù)次）調(diào)制，只在fchop奇數(shù)倍諧波頻率處有分量，并且將噪聲頻譜移到了高頻。最后，將放大后的信號經(jīng)過一個低通濾波器使有用信號和噪聲信號分離，就可以獲得放大后的初始信號。

圖3 斬波器原理圖

2.2傳統(tǒng)斬波器

斬波器原理圖如圖3所示。根據(jù)電路原理圖，斬波器由兩個互補時鐘信號CLK與CLKB（斬波信號）控制的四個NMOS管組成，水平M1、M2管和豎直M3、M4管交替導(dǎo)通，即當(dāng)CLK為高電平時（CLKB為低），豎直M3、M4管導(dǎo)通；當(dāng)CLK為低電平時（CLKB為高），水平MOS管M1、M2導(dǎo)通，此過程與乘法器的功能相類似，最終完成調(diào)制解調(diào)的功能。但此方法容易產(chǎn)生由于開關(guān)關(guān)斷或閉合瞬間產(chǎn)生的電荷注入效應(yīng)和時鐘饋通，從而產(chǎn)生許多毛刺。

2.3改進(jìn)的斬波器結(jié)構(gòu)

為了改進(jìn)傳統(tǒng)斬波器電荷注入效應(yīng)和時鐘饋通對電路的影響，本文采用了一種新型CMOS開關(guān)電路結(jié)構(gòu)，能盡量減小這兩種效應(yīng)產(chǎn)生的毛刺，原理圖如圖4所示。設(shè)計時M9、M10管子尺寸要比M11、M12管子尺寸小。

圖4 改進(jìn)斬波器原理圖

3. 斬波式運算放大器設(shè)計

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的，因此很容易受外界環(huán)境、噪聲、溫度等的影響；由于霍爾傳感器讀出電路得到的信號頻率低（有的只有幾十赫茲），幅度微小，因此設(shè)計一個性能良好的讀出電路，首要任務(wù)是對低噪聲運算放大器進(jìn)行仔細(xì)研究。運算放大器設(shè)計的好壞，將直接影響讀出電路整體性能的優(yōu)良。斬波技術(shù)就是一個非常適合于降低低頻噪聲的一種技術(shù)，電路結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜。斬波式運算放大器顧名思義是加入斬波器后的運算放大器，其整體結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示，兩級運算放大器原理圖如圖6所示。

圖5 斬波式運放原理框圖

第一個斬波器完成對輸入信號的調(diào)制，第二個斬波器完成對輸出信號的解調(diào)以及將引入的失調(diào)和噪聲調(diào)制到高頻，最后通過低通濾波器（輸出阻抗和電容c組成）將其濾除，從而很好的實現(xiàn)了降低噪聲的目標(biāo)。

電路中使用這種簡單的低通濾波器不僅可以降低電路的復(fù)雜性，還可以減小功耗以及避免引入新的失調(diào)電壓。

圖6 兩級全差分運放電路原理圖

兩級運放主要由偏置電路、差分輸入主電路和補償電路組成。其中M9-M11為偏置電路，為整個電路提供偏置電壓；主電路采用PMOS管為輸入管的差分電路，因為PMOS管的噪聲系數(shù)要小于NMOS管的噪聲系數(shù)；輸出級采用輸出阻抗大的共源極輸出結(jié)構(gòu)；R1C1與R2C2組成帶調(diào)零電阻的密勒補償電路，目的是提高電路的穩(wěn)定性。

影響霍爾傳感器讀出電路的噪聲主要為1/f噪聲和溝道熱噪聲。等效輸入噪聲等于總的輸出噪聲與增益的比值，計算如下：

圖7 共模反饋電路原理圖

4. Cadence仿真結(jié)果

電路設(shè)計用SMIC 0.18μm CMOS工藝來實現(xiàn)，在工作電壓3.3V，斬波時鐘輸入頻率為100KHZ時，最大增益達(dá)到96.1dB，在加斬波技術(shù)之前，即普通運放的等效輸入噪聲為107.8nV/sqrt（HZ）@1 KHZ，加入斬波技術(shù)后的等效輸入噪聲在1KHZ降為8.2nV/sqrt（HZ），這相對于普通運放幾百甚至上毫伏每根號赫茲的噪聲功率譜密度，已經(jīng)得到了大幅度的降低，因此可以明顯看出斬波器對低頻噪聲（1/f）的抑制能力。圖9為調(diào)制解調(diào)過程仿真圖，從仿真結(jié)果可以看出使用改進(jìn)的斬波器后，毛刺得到了大大減少。圖10為加入斬波技術(shù)前后等效輸入噪聲對比圖，其中左圖為加入斬波技術(shù)之前的仿真圖，右圖為加入斬波技術(shù)之后的；圖11為整個讀出電路的版圖。版圖周圍填充的是MOS電容，可以進(jìn)一步優(yōu)化噪聲。

圖8 交流特性仿真圖

圖9 調(diào)制解調(diào)仿真圖

圖10 加入斬波技術(shù)前后的等效輸入噪聲仿真圖

圖11 整體版圖

5. 結(jié)論

本文設(shè)計的霍爾傳感器讀出電路的低噪聲運算放大器電路是基于斬波技術(shù)實現(xiàn)的。電路基于SMIC 0.18μm CMOS工藝實現(xiàn)，在工作電壓3.3V情況下，低頻噪聲得到了很好的抑制，適合用于霍爾傳感器讀出電路的設(shè)計。

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蘇寧寧【通訊作者】（1990—），女，碩士研究生在讀，研究方向：霍爾傳感器讀出電路的低噪聲運算放大器。

戴瀾（1975—），男，副教授，研究方向：大規(guī)模集成電路設(shè)計。

劉文楷（1968—），男，副教授，研究方向：光子器件及集成技術(shù)。