三轴TMR磁强计中模拟前端检测电路设计
发布时间：2020-07-26 09:33
【摘要】：随着集成电路的快速发展以及物联网的兴起,微型传感器被广泛地应用于各种领域。其中磁传感器能够将微弱的磁信号转变为电信号,从而间接地检测出与磁场相关的物理量信息。三轴磁强计是一种矢量型磁敏传感器,其可以测量x轴,y轴和z轴三个方向的磁感应强度,在工业、农业、海洋、医疗以及航空航天等领域有广泛应用,故针对三轴磁强计接口电路的研究具有重要意义。相对于其它类型磁传感器,隧穿式磁阻(Tunnel Magnetoresistance,TMR)传感器同时具有高灵敏度以及宽动态范围等特点。但TMR磁强计表头输出为低频微弱的电压信号,所以需要设计一款专用的低噪声模拟前端检测电路。本文的模拟前端检测电路主要由低噪声仪表放大器和Sigma-Delta调制器两部分构成。通过对常用仪表放大器拓扑结构的分析,并结合三轴TMR磁强计模拟前端检测电路的低噪声、高输入阻抗以及高CMRR等特性,本文采用电流反馈型仪表放大器(Current-Feedback Instrumentation Amplifier,CFIA)结构;同时采用斩波稳定技术来降低仪表放大器的低频噪声和失调,利用纹波抑制环路来减小由斩波而引起的运放输出端的高频纹波。由于该环路的使用会导致放大器的传递函数在斩波频率处引入一个notch,本文通过采用多路径结构来掩盖这个缺口,同时展宽频带。当电源电压为5V,斩波频率为80KHz时,CFIA的后仿真结果:等效输入噪声为16.39n V/sqrt(Hz),1/f噪声转角频率为36.97m Hz,闭环增益为40d B,GBW为10.82MHz(负载电容30p F),PM为74.82deg,总电流约为1.5m A。为实现数字输出,同时保证模拟检测电路整体的低噪声和较高信噪失真比等性能,本文采用三阶全前馈一位量化Sigma-Delta调制器,并对其第一级积分器的运放进行斩波,以消除低频1/f噪声的影响。当电源电压为5V,采样频率为1MHz时,调制器的后仿真结果:信号带宽为1KHz,输入信号频率为100Hz,幅度为-8d BFs(1V)时,其1Hz动态范围大于130d B,信噪失真比SNDR达110d B,对应的有效位数ENOB为18位,总电流约为3.5m A。最后对模拟前端检测电路整体进行版图绘制和后仿真:输入信号频率为100Hz,幅度为10m V,经CFIA放大100倍后,最终调制器输出PSD的信噪失真比为106d B。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM936;TP212
【图文】：
a) 芯片图 b) 噪声 PSD 测试结果图 1-1 芯片图和输出噪声 PSD 测试结果[8]b）低功耗仪表放大器设计 2012 年，Delft 科技大学的电子仪器实验室Qinwen Fan, Johan H. Huijsing 等人采用 0.7um 工艺技术，设计了一款电容耦合斩波运放。其核心面积为 1.2mm2，总功耗仅为 50uW，失调电压为 3uV，噪声谱密度为 42nV/sqrt(Hz)[10]。芯片显微图及 PSD 结果如图 1-2 所示。在此方面有较深研究的还有意大利[19]、印度[20]等。
a) 芯片图 b) 噪声 PSD 测试结果图 1-1 芯片图和输出噪声 PSD 测试结果[8]b）低功耗仪表放大器设计 2012 年，Delft 科技大学的电子仪器实验inwen Fan, Johan H. Huijsing 等人采用 0.7um 工艺技术，设计了一款电容耦合运放。其核心面积为 1.2mm2，总功耗仅为 50uW，失调电压为 3uV，噪声谱为 42nV/sqrt(Hz)[10]。芯片显微图及 PSD 结果如图 1-2 所示。在此方面有较深的还有意大利[19]、印度[20]等。
a) 芯片图 b) 等效输入噪声图 1-3 芯片显微图和等效输入噪声[21]（2）Sigma-Delta 调制器国外现状研究在 Sigma-Delta 调制器方面，国外研究主要集中在高精度低失真、低压低功耗以及高速度方向。其主要采用单环全前馈结构和级联结构，同时量化器常采用多位量化，以提高调制器的精度和动态范围。a）高精度调制器设计 2008 年德州大学的 YuQing Yang，Terry Sculley 等人设计了一款高精度 Σ-Δ ADC，其选用单环五阶多位量化结构，同时采用前馈结构来减小积分器的输出摆幅和系统的谐波失真。系统结构图和 PSD 结果如下图 1-所示。此芯片总面积为 14.8mm2，动态范围 124dB，信号带宽为 20kHz 时的总谐波失真为-111dB，总功耗低于 330mW[23]。
本文编号：2770591
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM936;TP212
【图文】：
a) 芯片图 b) 噪声 PSD 测试结果图 1-1 芯片图和输出噪声 PSD 测试结果[8]b）低功耗仪表放大器设计 2012 年，Delft 科技大学的电子仪器实验室Qinwen Fan, Johan H. Huijsing 等人采用 0.7um 工艺技术，设计了一款电容耦合斩波运放。其核心面积为 1.2mm2，总功耗仅为 50uW，失调电压为 3uV，噪声谱密度为 42nV/sqrt(Hz)[10]。芯片显微图及 PSD 结果如图 1-2 所示。在此方面有较深研究的还有意大利[19]、印度[20]等。
a) 芯片图 b) 噪声 PSD 测试结果图 1-1 芯片图和输出噪声 PSD 测试结果[8]b）低功耗仪表放大器设计 2012 年，Delft 科技大学的电子仪器实验inwen Fan, Johan H. Huijsing 等人采用 0.7um 工艺技术，设计了一款电容耦合运放。其核心面积为 1.2mm2，总功耗仅为 50uW，失调电压为 3uV，噪声谱为 42nV/sqrt(Hz)[10]。芯片显微图及 PSD 结果如图 1-2 所示。在此方面有较深的还有意大利[19]、印度[20]等。
a) 芯片图 b) 等效输入噪声图 1-3 芯片显微图和等效输入噪声[21]（2）Sigma-Delta 调制器国外现状研究在 Sigma-Delta 调制器方面，国外研究主要集中在高精度低失真、低压低功耗以及高速度方向。其主要采用单环全前馈结构和级联结构，同时量化器常采用多位量化，以提高调制器的精度和动态范围。a）高精度调制器设计 2008 年德州大学的 YuQing Yang，Terry Sculley 等人设计了一款高精度 Σ-Δ ADC，其选用单环五阶多位量化结构，同时采用前馈结构来减小积分器的输出摆幅和系统的谐波失真。系统结构图和 PSD 结果如下图 1-所示。此芯片总面积为 14.8mm2，动态范围 124dB，信号带宽为 20kHz 时的总谐波失真为-111dB，总功耗低于 330mW[23]。
【参考文献】
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本文编号：2770591
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