Design of Low Offset Temperature Compensation Interface Circuit Based on Magnetic Sensor
-
摘要: 面向磁性传感器在物联网(IoT)技术中的广泛应用，该文基于180 nm CMOS工艺设计了一种具有低失调电压，低温度漂移特性的霍尔传感器接口电路。针对霍尔传感器灵敏度的温度漂移特性，该文设计了一种感温电路并与查表法相结合，调节可编程增益放大器 (PGA) 的增益有效地降低了霍尔传感器的温度系数 (TC)。在此基础上，通过在信号主通路中使用相关双采样 (CDS) 技术，极大程度上消除了霍尔传感器的失调电压。仿真结果表明，在–40°C～125°C温度范围内，霍尔传感器的TC从966.4 ppm/°C减小到了58.1 ppm/°C。信号主通路的流片结果表明，霍尔传感器的失调电压从25 mV左右减小到了4 mV左右，霍尔传感器的非线性误差为0.50%。芯片的总面积为0.69 mm2。Abstract: Considering the widespread application of magnetic sensors in the Internet of Things (IoT), a Hall sensor readout interface circuit with low offset voltage and low-temperature drift characteristics based on a 180 nm CMOS process is designed in this work. In response to the temperature drift characteristic of the Hall sensor sensitivity, a temperature sensing circuit that is combined with the table lookup method to adjust the gain of the Programmable Gain Amplifier (PGA) is designed, which effectively reduces the Temperature Coefficient (TC) of the Hall sensor. On this basis, the offset voltage of the Hall sensor is greatly eliminated by the use of Correlated Double Sampling (CDS) technology in the main signal channel. The simulation results show that the TC of the Hall sensor is decreased from 966.4 ppm/°C to 58.1 ppm/°C in the temperature range of –40°C～125°C. The chip measurement results of the main signal channel show that the offset voltage of the Hall sensor is reduced from about 25 mV to about 4 mV and the nonlinear error of the Hall sensor is 0.50%, which occupies an active area of 0.69 mm2.
-
Key words:
- Hall sensor /
- Readout interface circuit /
- Temperature compensation /
- Low offset voltage
-
1. 引言
伴随着物联网技术的蓬勃发展，传感器作为连接自然界与人类信息世界的桥梁，与人们的日常生活息息相关。包括霍尔传感器[1-3]、各向异性磁阻传感器[4,5]、隧道磁阻传感器[6-8]和巨磁阻传感器[9,10]在内的磁传感器，因其体积小、成本低、应用范围广等特点[11]，成为传感器领域中的重要组成部分。由于霍尔传感器不仅可以检测较大范围的磁场而且与标准CMOS工艺兼容，可以与后续信号处理电路集成在同一块芯片上，在磁传感器市场中占比最高。
霍尔效应[12]是霍尔传感器的基本工作原理。相比于其他磁传感器，其工作时的温度漂移特性十分凸显，具体表现为灵敏度的温度漂移特性和失调电压的温度漂移特性。如图1所示，霍尔传感器通常在恒定电流的偏置下工作。在理想情况下，对于一个霍尔传感器，流过霍尔传感器的电流一定时，霍尔电压 (VH) 与磁场的大小成正比。然而，由于霍尔传感器自身的电阻率、载流子浓度、载流子迁移率等特性都与温度相关，VH和失调电压 (Voff) 都会具有温度漂移特性，从而产生测量误差。因此，对霍尔传感器的灵敏度进行温度补偿和消除Voff的影响十分必要。
对于霍尔传感器灵敏度的温度漂移特性，文献[13]利用线性插值的方法对霍尔传感器进行温度补偿，在–40°C～150°C温度范围内将霍尔传感器的温度系数 (Temperature Coefficient, TC) 降低到了316 ppm/°C。该方法只需要记录少量温度点下的数据就可以实现全温度域的校准，有效降低了工作量，但是该方法的补偿效果有限，适用于对TC要求不高的场景。本文提出一种查表法对霍尔传感器进行温度补偿，通过在各个温度点下调节可编程增益放大器的增益来减小VH的温度漂移特性。仿真结果表明，补偿过后VH的TC为58.1 ppm/°C，有效提高了温度补偿的精确度。本方法并不仅限于对霍尔传感器的温度补偿，对于其他电路的温度补偿同样适用。
对于霍尔传感器Voff的温度漂移特性，本文将旋转电流技术和相关双采样[14](Correlated Double Sampling, CDS)技术相结合，有效地消除了Voff。流片测试结果表明，在常温下，霍尔传感器的Voff从25 mV左右降低到了4 mV左右。
CMOS温度传感器[15-17]具有精度高、性能稳定、成本低等优势，在各种芯片的温漂校准中都有应用。考虑到在对霍尔传感器进行温度补偿时，温度传感器不需要有过高的精度，只需要有严格的线性度和单调性，本文设计了一种结构较为简单的感温电路，节省了电路面积和功耗。
2. 接口电路原理与架构
根据霍尔效应，对于一定的偏置电流I和磁场B，霍尔传感器的输出可以写为
VH=ρμWIB (1) 其中，ρ和μ分别为制作霍尔传感器材料的电阻率和载流子迁移率，W为材料的厚度。
对于霍尔传感器的结构，一般分为垂直型和水平型两种。垂直型和水平型的霍尔传感器分别可检测水平和垂直方向的磁场。与垂直型霍尔传感器相比，后者的结构较简单，便于制作。如图2所示，水平型霍尔传感器一般为对称的十字形或正方形，本文将针对十字形霍尔传感器进行研究。由于其对称的结构，无论从A端和C端通入电流还是从B端和D端通入电流，霍尔传感器输出的VH大小相同，极性取决于电流的方向。
文献[18]对霍尔传感器灵敏度的温度漂移特性进行了详细说明。施加恒定电流偏置后，其灵敏度S对于室温T0的变化率γ为
γ = S(T)−S(T0)S(T0) (2) 其中，T为热力学温度。根据文献[18]中的实测数据进行2次拟合，得到γ的表达式为
γ=4×10−5T2−2.026T+4.274 (3) 将得到的电流灵敏度TC的参数模型用于Verilog-A建模仿真作为参考。仿真结果如图3所示，结果表明随温度升高，VH先减小后增大，通常，计算TC的公式为
TC = Vmax−VminVtarget(Tmax−Tmin)×106 (4) 其中，Vmax和Vmin分别为在整个温度范围内输出的最大电压和最小电压。Vtarget 为设计中的目标电压(本文取27°C时的电压)。Tmax与Tmin分别为最大温度和最小温度。计算得到图3中VH的TC为966.4 ppm/°C。
图4为本文设计的接口电路的结构框图。霍尔传感器被偏置在恒定电流下，通过旋转电流电路，VH被调制到高频，而Voff仍处于低频。温度传感器根据环境温度产生与温度成正比的电压信号Vtemp，在该电压被8-bit 模数转换器(Analog-to-Digital Converter, ADC) (Verilog-A建模) 转换成数字信号temp<7:0>后，寄存器(Verilog建模) 根据信号temp<7:0>控制可编程增益放大器(Programmable Gain Amplifier, PGA) 的增益。放大的信号通过CDS电路消除Voff，最终，信号经过减法器和采样电路后被输出。带隙基准(BandGap Reference, BGR) 电路向减法器提供基准电压Voffset。这样，VH将会具有更小的温度系数。
3. 核心电路设计
3.1 BGR
本文中设计的BGR电路如图5所示。图5中，M1, M2, M3, M4构成共源共栅电流镜，使得左右两条支路的电流相同。因此，Q1和Q2的集电极电流IC1和IC2相同，即
IC1=IC2 (5) 将Q1, Q2的发射截面积设置为1:n，得到
IS2=nIS1 (6) 其中，IS1和IS2分别为Q1和Q2的反向饱和电流。因此，Q2的基极-发射极电压VBE2可以表示为
VBE2=VTln(IC2IS2)=VTln(IC2nIS1) (7) 其中，VT为热电压，在常温下约为0.026 V。运算放大器A1的钳位作用使X点和Y点的电压相同，因此
VX=VY=VBE1=VTln(IC1IS1) (8) 显然，流过R4的电流可以表示为
IR4=VY−VBE2R4=VBE1−VBE2R4=VTlnnR4 (9) 式(9)表明，由于VT与温度成正比，所以IR4与温度也成正比。将R3和R4两端的电压与VBE2相加，得到BGR输出VBG的表达式为
VBG=IR4(R3+R4)+VBE2=(1+R3R4)VTlnn+VTln(IC2IS2) (10) 其中，第1项的TC为正，第2项的TC为负，理想情况下，调节R3和R4的大小可以使两个TC互补，从而使VBG的TC为0。
考虑到运算放大器A1能够正常工作，在A1的输出端增加电容C1和电阻R1，以调节零极点，保证足够的环路增益和相位裕度，提高电路的稳定性。
图6为不同工艺角下BGR输出随温度变化的仿真结果。根据式(4)，在–40～125°C的温度范围内，tt, ff, ss, fs和sf角的TC分别为24.3, 22.0, 33.7, 22.9和24.3 ppm/°C。
3.2 感温电路
式(9)表明，IR4与温度成比。考虑到本设计中感温电路的输出不需要太高的精度，只需要严格的线性度和单调性，将IR4通过一个固定电阻后就可以得到与温度成正比的电压。本文设计的感温电路如图7所示。
M5与M2构成电流镜，M5复制M2所在支路的电流。利用运算放大器A2进行钳位，使得M5和M2的漏源电压保持一致，提高复制电流的精确性。电容C2，电阻R5与电容C1，电阻R1的作用一致，对运算放大器输出端的零极点进行调节，提高电路的稳定性。M5复制过来的电流会流入电阻R6，所以感温电路的输出Vtemp可以表示为
Vtemp=R6R4VTlnn (11) 选取R4与R6为同类型的电阻，Vtemp就与温度成正比。
图8为感温电路的仿真结果。在–40～125°C的温度范围内，Vtemp与温度成正比。Vtemp的变化范围为1.80 ～3.24 V，灵敏度(图8中直线的斜率)为8.73 mV/°C。通过对仿真数据进行线性函数拟合，理想条件下温度传感电路的输出表达式为
Videal=0.00873T+2.5103 (12) 通常，计算非线性误差的公式为
δ=ΔYmaxY×100% (13) 其中，ΔYmax为实际输出与理想输出之间的最大差值，Y为满量程输出。计算得到感温电路的非线性误差为0.22%，在整个温度范围内的温度误差为0.36°C (0.22%×165°C)。本文使用的8位ADC分辨率为0.64°C，因此，感温电路引起的误差小于0.64°C即可。
3.3 PGA
本文设计的PGA如图9所示。假设流过电阻R1的电流为I1，A1和A2均为理想运算放大器，可以得到表达式为
I1=Vin2−Vin1R1 (14) Vout2=Vin2+I1R2 (15) Vout1=Vin1−I1R2 (16) 因此，PGA的增益为
AV=Vout2−Vout1Vin2−Vin1=1+2R2R1 (17) 式(17)表明，PGA的增益可以通过改变电阻R2的大小进行调节。因此，基于环境温度的不同对VH进行不同倍数的放大就可以减小VH的TC。
表1列出了在温度补偿时各个信号在部分温度范围下的响应。通常情况下由霍尔传感器直接生成的VH在毫伏量级，将VH在不同温度下都放大到150 mV为目标。以–40°C～–39.21°C这个温度段为例，感温电路输出的信号Vtemp的范围在1.792～1.806 V之间，对应于ADC的一个最低有效位。此时ADC的输出temp<7:0>为1001 0110。将该温度下的VH与150 mV比较，得到PGA的增益为36。最后，将1001 0110作为寄存器的地址，增益作为该地址下的储存的信息，将二者同时写入寄存器后就完成了温度–40°C～–39.21°C的温度补偿。如此反复，就可以完成整个温度范围内的校准。
表 1 各信号对温度的相应温度范围 (°C) Vtemp范围(V) temp<7:0> VH (mV) 增益 –40～–39.21 1.792～1.806 1001 0110 4.76 31 –20.35～–18.79 1.968～1.982 1010 0011 4.35 35 –1.49～0.07 2.144～2.158 1010 1111 4.06 37 39.36～40.92 2.494～2.508 1100 1001 3.71 40 59.79～61.35 2.668～2.682 1101 0110 3.70 40 78.65～80.21 2.842～2.856 1110 0010 3.79 40 119.52～121.08 3.189～3.203 1111 1100 4.27 35 124.22～125 3.232～3.246 1111 1111 4.35 34 图10为温度补偿电路的仿真结果。图10(b)为经过温度补偿后霍尔传感器分别在50 mT和100 mT磁场下的输出结果。
根据式(4)，通过温漂校准后，霍尔传感器的TC从966.4 ppm/°C降低到了58.1 ppm/°C。该文对温度补偿电路只进行了仿真，没有流片测试。
3.4 旋转电流电路
本文设计的旋转电流电路如图11所示。为方便后续CDS电路对Voff的消除，该电路通过将电流周期性地通入霍尔传感器的不同端口实现对VH和Voff的调制。
当clk1为高电平，clk2为低电平时，电流从霍尔传感器的A端流入，C端流出。输出正极VP和输出负极VP分别与霍尔传感器的D端和B端相连。此时，输出结果为
VH1=VP−VN=VD−VB=VH+Voff (18) 同理，当clk1为高电平，clk2为低电平时，输出结果为
VH2=VP−VN=VC−VA=−VH+Voff (19) 式(18)、式(19)表明，经过旋转电流电路的调制，VH变为交流信号，Voff仍为直流信号。
图12为旋转电流电路的仿真结果。根据式(18)和式(19)，计Voff的值为36 mV。
4. 流片测试结果
本文对霍尔传感器主通路进行了流片测试，总芯片面积为0.69 mm2。图13为芯片的显微镜照片。
本节将使用印刷电路板对Voff和霍尔传感器主通路的TC，以及霍尔传感器的线性度进行测试。主要测试仪器包括电源、信号发生器、电磁铁和数字万用表。图14为测试的示意图。
表2列出了Voff的测试结果。数据表明，Voff随温度的升高而降低，温度漂移特性明显。因此，在对霍尔传感器进行温度补偿时对Voff尽可能地消除是必要的。
表 2 Voff的高低温测试结果(mV)–40°C –20°C 0°C 20°C 40°C Voff1 49.59 42.21 33.05 21.94 11.75 Voff2 72.45 53.87 30.74 20.39 11.32 Voff3 69.15 50.92 33.75 23.05 12.26 表3列出了相应的测试结果，结果表明CDS电路将霍尔传感器的大部分Voff消除，只剩下约4 mV的残余失调。
表 3 CDS电路测试结果(mV)失调电压消除前 失调电压消除后 Voff1 24.9 4 Voff2 25.4 4 Voff3 24.2 2 根据测试数据拟合出的线性度图线如图15所示。结果表明，霍尔传感器的线性度良好，参照式(13)中的计算方法，霍尔传感器的非线性误差仅为0.50%。
表4列出了本设计与相关工作的性能参数对比，本文设计的接口电路在功耗、面积和温度系数上具有一定优势。
表 4 本设计与相关工作性能对比5. 结论
本文设计了一种低失调并具有温度补偿功能的磁性传感器接口电路。使用查表法，通过PGA根据温度调节增益对霍尔传感器进行了温漂校准，同时利用CDS电路消除了霍尔传感器大部分的失调电压。整体电路采用180 nm CMOS工艺实现。仿真结果表明，在–40°C～125°C温度范围内，霍尔传感器的TC从966.4 ppm/°C降低到了58.1 ppm/°C。信号主通路的流片测试结果表明CDS电路将霍尔传感器的失调电压从25 mV左右降低到4 mV左右，霍尔传感器的非线性误差为0.50%。
-
表 1 各信号对温度的相应
温度范围 (°C) Vtemp范围(V) temp<7:0> VH (mV) 增益 –40～–39.21 1.792～1.806 1001 0110 4.76 31 –20.35～–18.79 1.968～1.982 1010 0011 4.35 35 –1.49～0.07 2.144～2.158 1010 1111 4.06 37 39.36～40.92 2.494～2.508 1100 1001 3.71 40 59.79～61.35 2.668～2.682 1101 0110 3.70 40 78.65～80.21 2.842～2.856 1110 0010 3.79 40 119.52～121.08 3.189～3.203 1111 1100 4.27 35 124.22～125 3.232～3.246 1111 1111 4.35 34 
下载: 导出CSV
表 2 Voff的高低温测试结果(mV)
–40°C –20°C 0°C 20°C 40°C Voff1 49.59 42.21 33.05 21.94 11.75 Voff2 72.45 53.87 30.74 20.39 11.32 Voff3 69.15 50.92 33.75 23.05 12.26
下载: 导出CSV
-
[1] LOZANOVA S V and ROUMENIN C S. Silicon hall-effect multisensor[C]. 2020 XI National Conference with International Participation, Sofia, Bulgaria, 2020: 1–4. [2] CRESCENTINI M, SYEDA S F, and GIBIINO G P. Hall-effect current sensors: Principles of operation and implementation techniques[J]. IEEE Sensors Journal, 2022, 22(11): 10137–10151. doi: 10.1109/JSEN.2021.3119766. [3] DAS P T, NHALIL H, SCHULTZ M, et al. Detection of low-frequency magnetic fields down to sub-pT resolution with planar-hall effect sensors[J]. IEEE Sensors Letters, 2021, 5(1): 1500104. doi: 10.1109/LSENS.2020.3046632. [4] SPINELLI A S, MINOTTI P, LAGHI G, et al. Simple model for the performance of realistic AMR magnetic field sensors[C]. The 18th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems, Anchorage, AK, 2015: 2204–2207. [5] HADJIGEORGIOU N, HRISTOFOROU E, and SOTIRIADIS P P. Closed-loop current-feedback, signal-chopped, low noise AMR sensor with high linearity[C]. The 6th International Conference on Modern Circuits and Systems Technologies, Thessaloniki, Greece, 2017: 1–4. [6] YAN Shaohua, ZHOU Zitong, YANG Yaodi, et al. Developments and applications of tunneling magnetoresistance sensors[J]. Tsinghua Science and Technology, 2022, 27(3): 443–454. doi: 10.26599/TST.2021.9010061. [7] BHASKARRAO N K, ANOOP C S, and DUTTA P K. A novel linearizing signal conditioner for half-bridge-based TMR angle sensor[J]. IEEE Sensors Journal, 2021, 21(3): 3216–3224. doi: 10.1109/JSEN.2020.3023089. [8] XU Xiaopeng, LIU Tingzhang, ZHU Min, et al. New small-volume high-precision TMR busbar DC current sensor[J]. IEEE Transactions on Magnetics, 2020, 56(2): 4000105. doi: 10.1109/TMAG.2019.2953671. [9] FU Peiyuan and ZHENG Feng. A new GMR sensor based on gradient magnetic field detection for DC and wide-band current measurement[C]. 2022 IEEE Region 10 Symposium, Mumbai, India, 2022: 1–6. [10] STETCO E M, AUREL POP O, and GRAMA A. Simulation model of a GMR based current sensor[C]. 2020 IEEE 26th International Symposium for Design and Technology in Electronic Packaging, Pitesti, Romania, 2020: 17–20. [11] RIPKA P and JANOSEK M. Advances in magnetic field sensors[J]. IEEE Sensors Journal, 2010, 10(6): 1108–1116. doi: 10.1109/JSEN.2010.2043429. [12] HALL E H. On a new action of the magnet on electric currents[J]. The London,Edinburgh,and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1880, 9(55): 225–230. doi: 10.1080/14786448008626828. [13] 蔚道嘉. 低噪声线性霍尔传感器的研究与设计[D]. [硕士论文], 西安电子科技大学, 2020.WEI Daojia. Research on and design of low noise linear hall sensor[D]. [Master dissertation], Xidian University, 2020. [14] 胡杏杏. 电流模式的高灵敏度CMOS霍尔传感器研究与实现[D]. [硕士论文], 南京邮电大学, 2020.HU Xingxing. Research and implementation of high-sensitivity CMOS integrated hall sensor based on the current-mode[D]. [Master dissertation], Nanjing University of Posts and Telecommunications, 2020. [15] LEI Kameng, MAK P I, and MARTINS R P. A 0.45-V 3.3-µW resistor-based temperature sensor achieving 10mK resolution in 65-nm CMOS[C]. 2021 IEEE International Conference on Integrated Circuits, Technologies and Applications, Zhuhai, China, 2021: 127–128. [16] WANG Bo, LAW M K, and BERMAK A. A BJT-Based CMOS Temperature Sensor Achieving an Inaccuracy of ± 0.45°C (3σ) from –50°C to 180°C and a resolution-FoM of 7.2 pJ. K2 at 150°C[C]. 2022 IEEE International Solid- State Circuits Conference, San Francisco, USA, 2022: 72–74. [17] TANG Zhong, FANG Yun, YU Xiaopeng, et al. A 1-V diode-based temperature sensor with a resolution FoM of 3.1pJ·K2 in 55nm CMOS[C]. 2021 IEEE Custom Integrated Circuits Conference, Austin, USA, 2021: 1–2. [18] PAUN M A, SALLESE J M, and KAYAL M. Temperature considerations on Hall Effect sensors current-related sensitivity behaviour[C]. The 19th IEEE International Conference on Electronics, Circuits, and Systems, Seville, Spain, 2012: 201–204. [19] CHEN Xiaoqing, XU Yue, XIE Xiaopeng, et al. A novel Hall dynamic offset cancellation circuit based on four-phase spinning current technique[C]. 2015 China Semiconductor Technology International Conference, Shanghai, China, 2015: 1–3. [20] KEIL M, JANSCHITZ J G, and MOTZ M. A Hall effect magnetic sensor with ratiometric output, utilizing a self-regulating chopped amplifier for compensation of offset, temperature and lifetime drift effects[C]. 2022 Austrochip Workshop on Microelectronics, Villach, Austria, 2022: 1–4. 期刊类型引用(0)
其他类型引用(1)
-
计量
- 文章访问数: 516
- HTML全文浏览量: 359
- PDF下载量: 61
- 被引次数: 1
下载:
