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1、(10)申请公布号 CN 103997341 A (43)申请公布日 2014.08.20 CN 103997341 A (21)申请号 201310051364.8 (22)申请日 2013.02.16 H03M 1/10(2006.01) (71)申请人 张剑云 地址 201024 上海市浦东新区白杨路 199 弄 8 号 102 室 (72)发明人 张剑云 (54) 发明名称 一种应用于地磁测量的高精度 ADC 及其模拟 前端电路 (57) 摘要 本发明公开了一种应用于地磁测量的高精度 ADC 及其模拟前端电路。所述的模拟前端电路由 CMOS 磁传感器、 纹波抑制环路的低噪声放大器、 积。
2、分累加型模数转换器、 时钟相位控制与校正单 元和温度补偿电路组成。相位控制与校正单元主 要用来消除 CMOS 磁传感器器件的失调， 同时能够 抑制低噪声放大器电路产生的纹波干扰， 能够有 效的放大地磁传感器微弱的输出电压信号， 然后 通过高精度积分累加型模数转换器， 产生数字信 号， 传送给MCU(微控制单元)或者DSP(数字信号 处理单元)处理。 另外， 相位控制与校正单元由数 字寄存器控制， 可以简单地通过一次性熔丝设置， 实现不同精度级别的应用。本发明的时钟相位和 时钟频率都与随机白噪声线性相关， 并且成本大 大降低。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 3 页 附图 1。
3、 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书3页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103997341 A CN 103997341 A 1/1 页 2 1. 一种时钟频率和相位可配置的模拟前端电路结构， 其特征在于， 该电路结构包括一 个 CMOS 磁传感器、 一个纹波抑制环路的低噪声放大器、 一个积分累加型模数转换器、 一个 时钟相位控制与校正单元和一个温度补偿电路 ； 所述的 CMOS 磁传感器输出连接到低噪声 放大器的输入， 然后低噪声放大器的输出连接到积分累加型 ADC 的输入。时钟相位控制与 校正单元的输出分别连接到 CMOS 磁传感器。
4、， 低噪声放大器和积分累加型 ADC。温度传感器 的输出连接到时钟相位控制与校正单元。 2. 根据权利要求 1 所述的电路结构， 其特征在于， 该结构利用时钟频率和相位去控制 CMOS 磁传感器和低噪声放大器的失调和噪声大小。 3. 根据权利要求 1 所述的结构， 其特征在于， 磁传感器校正电路的时钟频率与纹波抑 制电路的时钟频率是整数倍关系。 4. 一种用于 CMOS 磁传感器的可配置精度的模拟前端电路， 其特征在于包括下列功能 电路和工艺方法 ： 磁传感器是基于标准 CMOS 工艺 ； 纹波抑制电路是片上电路实现， 不依赖芯片外部无源器件 ； 纹波抑制电路基于时钟电路的开关电容技术 ； 整。
5、个时钟相位控制与校正电路的实现包括了时钟电路， 温度补偿电路， 分频电路， 相位 内插电路和占空比校正电路 ； 增量累加型 ADC 的分辨率与时钟相位数相关联， 是可编程配置。 权 利 要 求 书 CN 103997341 A 2 1/3 页 3 一种应用于地磁测量的高精度 ADC 及其模拟前端电路 技术领域 0001 本发明涉及一种电路结构， 特别涉及 CMOS 磁场传感器及其它低噪声传感器读出 电路领域， 属于微电子领域。 背景技术 0002 现有的地磁传感器器件绝大部分使用非标准 CMOS 器件， 比如 GMR( 巨磁电阻 ) 器 件和基于 MEMS( 微机械加工技术 ) 的器件， 因此。
6、这些传感器的成本受到集成电路非标准工 艺制造和封装质量的影响， 而且传感器与后处理集成电路制造不兼容， 也影响了整个地磁 传感器的性能， 这样为了实现高性能的地磁传感器， 导致系统成本非常高。 0003 基于标准 CMOS 工艺的地磁传感器是克服非标地磁器件缺点和降低系统成本的一 种非常有效的解决办法， 基于 CMOS 工艺的霍尔磁阻器件的地磁传感器， 是本发明中的基础 器件。但是霍尔磁阻器件在标准 CMOS 工艺制造中， 受到不同硅基晶相应力和温度变化的影 响， 产生很大的随机失调电压， 降低了磁场向电压转换的精度， 并且 CMOS 工艺中场效应晶 体管在生产中由于离子机注入浓度的偏差， 器。
7、件的本征失调电压也很大， 因此直接把磁阻 器件与普通的 CMOS 读出电路连接， 是不能有效实现地磁传感器系统的功能。目前很多研究 工作在解决这方面的问题， 提出了很多校正电路， 比如电流平均法， 器件平均法等。这些办 法可以有效地抑制磁传感器的失调电压， 可是传感器读出电路由于场效应晶体管的失调电 压等因素的影响， 也决定了整个地磁传感器系统的精度， 因此也需要校正电路去抑制读出 电路的失调电压， 目前普遍采用的办法都是斩波或者相关双采样技术去消除电路的失调电 压和电路本征噪声。由于磁传感器和读出电路的校正方法互不关联， 而且解决问题的思路 不一样， 因此实现这些误差和校正的代码之间没有一致。
8、性， 导致实现的系统非常复杂。 通常 为了实现不同的精度需求只能分别流片制造。 本发明开发的一种能够用相同的校正代码同 时实现传感器和读出电路的校正的模拟前端电路， 可以有效地降低制造成本和简化系统设 计。 发明内容 0004 本发明的目的是设计一种 CMOS 磁场传感器可配置精度的模拟前端电路， 其中的 CMOS 地磁传感器和读出电路共享同一个校正电路。本发明可以降低产品的系统设计和成 本。本发明的集成电路基于标准 CMOS 制造工艺的器件， 因此它的成本和可靠性是非常有竞 争力的。 0005 图 1 是本发明提出的整个模拟前端电路结构。101 是标准 CMOS 工艺的地磁传感 器， 102。
9、 是纹波抑制的低噪声放大器， 103 是增量累加型 ADC， 104 是时钟相位控制与校正单 元， 105 是温度补偿单元。101 根据器件所处的位置， 把当地的磁场信号转换成微弱的电压 信号， 然后通过 102 把信号放大到 103 能够辨识的幅度， 然后 103 转换成数字信号。与此同 时， 105 把器件当时的温度信息传送给 104， 104 产生了温度补偿过的时钟校正频率和相位 去抑制 101 和 102 的失调电压。本发明提出的电路结构通过主频时钟内插入不同个相位来 说 明 书 CN 103997341 A 3 2/3 页 4 调整磁传感器的精度。 0006 磁阻传感器的输出电压可以。
10、通过傅立叶级数展开 ： 0007 V a0+a1cos+a2cos2+a3cos3+b1sin+b2sin2+b3sin3+. 0008 为了得到 ak和 bk， 可以通过主频时钟内插 n 个相位， 而 n 个相位取决于磁传感器 的精度需求， 另外时钟的相位精度受到相位发生电路的精度限制， 包括了电路的工作温度， 时钟抖动和电路的相位噪声。 图2是整个时钟发生器与时钟相位控制单元电路， 包括了106 是低相位噪声时钟发生器， 105 是温度补偿电路单元， 107 是任意整数分频器， 108 是时钟内 插相位电路， 109 是时钟占空比调节电路。 0009 发明中还使用了斩波放大器和片内纹波抑制。
11、环路， 以消除放大器本身的噪声和器 件失调。斩波放大器是通过频率调制把噪声和失调电压搬移到斩波频率上的， 虽然整个电 路的噪声大大降低了， 但是残存的失调电压纹波依然对整个放大器电路有很大的影响。特 别当放大器的增益很大的时候， 也会把残存的失调电压放大输出至 103， 因此降低了整个传 感器读出电路的精度。一般的方法是片外增加滤波电容， 但是这样会增加芯片的输出管脚 和芯片的外围元器件。如图 3 所示， 109 是片内纹波抑制电路。本发明在低噪声放大器中使 用了 109， 这可以更有效地降低芯片成本。109 在整个放大器中处于负反馈回路， 而该反馈 回路可以有效地调节纹波的幅度大小， 同时受。
12、到104输出频率控制109的带宽， 从而使斩波 放大器电路与磁传感器使用相同的 104。 0010 可以看到， 本发明提出的整个模拟前端电路只要调节时钟的频率和相位， 可以非 常方便的控制磁传感器的输出精度和低噪声放大器的输出精度， 并且可以选择不同的 精 度去配置性能合适的积分累加型模数转换器的输入动态范围和采样速度， 达到最佳的解决 方案。 附图说明 0011 图 1， 地磁传感器的模拟前端电路 0012 图 2， 磁阻校正的电路组成 0013 图 3， 片上纹波抑制电路 具体实施方式 0014 下面将参照附图对本发明的一个示例性实施方式作详细说明。 如图1所示， 104产 生了整个模拟前。
13、端的主时钟， 图 2 是 104 的功能实现框图， 任意整数分频器 107 的分频值通 过寄存器设置， 得到系统所需的的斩波时钟频率和磁传感器校正频率及相位， 然后输出到 108 产生 16 个甚至更多的相位， 再经过 109， 送到 101 和 102 去抑制磁器件和放大电路的失 调电压及噪声。本发明中使用了片内斩波抑制环路， 见图 3 所示， 抑制环路是由开关电容滤 波器组成， 因此整个滤波器的带宽受到 104 产生的时钟频率控制， 使得放大器的输出纹波 幅度也是与时钟频率成线性关系。 当我们根据配置好的时钟频率得到校正精度与频率相对 应的的磁电位信号， 然后经过同样校正精度与频率相对应的102放大信号， 再经过103转换 成数字信号， 最后送给系统进行数字信号处理， 计算出对应的地磁信息。 整个系统的读出精 度完全受到寄存器设定的时钟频率和相位的控制。 0015 如上所述， 在不偏离本发明精神和范围的情况下， 还可以构成许多有很大差别的 说 明 书 CN 103997341 A 4 3/3 页 5 实施例。 应当理解， 除了如所附的权利要求所限定的， 本发明不限于在说明书中所述的具体 实例。 说 明 书 CN 103997341 A 5 1/1 页 6 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103997341 A 6 。