巨磁阻傳感器的溫度補償電路系統(tǒng)設(shè)計

滕志剛，朱華辰，白 茹，錢正洪

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

巨磁阻傳感器的溫度補償電路系統(tǒng)設(shè)計

滕志剛，朱華辰，白 茹，錢正洪

(杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310018)

巨磁阻傳感器具有靈敏度高、易小型化、能耗低、應(yīng)用前景廣泛等特點，但其靈敏度易受溫度的影響，在高性能應(yīng)用中需進(jìn)行必要的溫度補償。文中設(shè)計針對課題組研制的VA100F3自旋閥巨磁阻傳感器靈敏度的溫度特性，采用CMOS溫度傳感器來采集溫度信號，并通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?，進(jìn)而調(diào)節(jié)可調(diào)增益放大器的增益，以補償溫度變化所導(dǎo)致的GMR傳感器靈敏度的變化，巨磁阻傳感器溫度補償前后的靈敏度溫度系數(shù)分別是2 498 ppm/℃和678 ppm/℃，達(dá)到了較好的補償效果。系統(tǒng)各電路均基于CSMC 0.5 μm Mix-Signal工藝進(jìn)行設(shè)計，可以實現(xiàn)單芯片集成。

巨磁阻傳感器；溫度補償；溫度傳感電路；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路；可編程儀表放大器

1988年，德國科學(xué)家Peter Grunberg和法國科學(xué)家Albert Fert分別獨立發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)(Giant Magneto-Resistance，GMR)，并于2007年共同分享了諾貝爾物理學(xué)獎。1994年，美國NVE公司率先實現(xiàn)了GMR傳感器的產(chǎn)業(yè)化。此后GMR傳感器憑借其高靈敏度、小尺寸、低功耗和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療電子、汽車電子、智能電網(wǎng)、智能交通等領(lǐng)域。然而GMR自旋閥傳感器的靈敏度會隨著溫度的升高而降低，在溫度變化較大的環(huán)境中使用，要達(dá)到高精度測量，必須進(jìn)行溫度補償

補償系統(tǒng)針對巨磁阻傳感器靈敏度的溫度特性，將CMOS溫度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器及可調(diào)增益放大器等多個模塊集成在一起，形成溫度自適應(yīng)的片上電路系統(tǒng)。所有電路均基于CSMC 0.5μm Mix-Signal工藝進(jìn)行設(shè)計，可實現(xiàn)單芯片集成，且補償前后靈敏度溫度系數(shù)分別是2 498 ppm/℃和678 ppm/℃，實現(xiàn)了較好的補償效果。

1 自旋閥傳感器芯片

系統(tǒng)針對VA1003F自旋閥傳感器靈敏度溫度特性進(jìn)行設(shè)計。傳感器內(nèi)部電路是由4個等值的自旋閥材料的電阻R1、R2、R3、R4構(gòu)成的惠斯通電橋，阻值均為5 kΩ，如圖1所示。其中R1和R3被NiFe軟磁屏蔽層覆蓋，對外磁場不敏感，而R2和R4未覆蓋屏蔽層，對外磁場比較敏感。此外，NiFe軟磁屏蔽層還作為磁通聚集器，可以放大外磁場對R2和R4的作用。

圖1 自旋閥傳感器的惠斯通電橋結(jié)構(gòu)

雖然惠斯通電橋結(jié)構(gòu)可以降低傳感器的溫度漂移，但在環(huán)境溫度變化較大的情況下，其靈敏度仍會受溫度影響。圖2為實驗測得的巨磁阻傳感器芯片在-25～85 ℃范圍內(nèi)的靈敏度變化情況，可由式(1)描述其靈敏度與溫度關(guān)系

S(T)=[1-CT(T-25)]·S0

(1)

其中，CT是傳感器靈敏度變化的溫度系數(shù)；S0為25 ℃時標(biāo)定的傳感器靈敏度。根據(jù)圖2所示數(shù)據(jù)，擬合得到CT為0.002 5/℃，S0=2.15 mV/V/Oe。

圖2 傳感器靈敏度與溫度的關(guān)系以及擬合曲線

2 系統(tǒng)研究

2.1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

電路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。對于惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的GMR傳感器而言，其輸出信號的共模電平較大，驅(qū)動能力較弱，因此采用共模抑制能力強的儀表放大器來放大傳感器的輸出信號。該系統(tǒng)采用常規(guī)三運放儀表放大器，當(dāng)R1=R2，R3=R4=R5=R6時，其增益可表示為

(2)

其中，R1為儀表放大器內(nèi)部增益控制電阻；Rg為儀表放大器外部反饋電阻。系統(tǒng)中還增加了單位反相電路，目的是消去式(2)中的常數(shù)項“1”，以使增益控制的設(shè)計更為簡便。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

溫度傳感器輸出與溫度線性相關(guān)的電壓信號，通過ADC可以轉(zhuǎn)換成控制信號來控制由儀表放大器和可編程電阻陣列組合而成的可編程增益放大器模塊，形成溫度對增益的自動控制，從而實現(xiàn)GMR傳感器的靈敏度補償。由于數(shù)字信號對增益的控制是不連續(xù)的，整個溫度工作范圍會被分為若干個區(qū)間，在單個區(qū)間內(nèi)的放大器的增益是固定的。因此理論補償效果如圖4所示。

圖4 理論補償前后靈敏度對比

2.2 補償方案

該設(shè)計采用反相器對三運放儀表放大器增益表達(dá)式進(jìn)行優(yōu)化，如圖5所示，所以輸出為

(3)

(4)

GMR傳感器的輸出信號V(T)與靈敏度 的關(guān)系為

V(T)=VDD·B·S(T)

(5)

其中，T是環(huán)境溫度；VDD為GMR傳感器供電電壓；B為GMR傳感器所探測磁場大小。

由圖3及式(2)和式(5)可知，傳感器補償后的輸出信號VO可表示為

(6)

A1·S0=S(T)·G′

(7)

其中，A1為一比例系數(shù)，A1>0。若令A(yù)1=1，可使補償后的靈敏度等于25 ℃時標(biāo)定的傳感器靈敏度。因此式(7)可表示為

(8)

此外，將式(1)代入式(7)可得

Rg=2R1[1-0.002 5(T-25)]

(9)

根據(jù)式(9)可知，系統(tǒng)中Rg和溫度T呈線性關(guān)系，因此可將溫度區(qū)間等分為幾段，與Rg一一對應(yīng)。

圖5 儀表放大器增益優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

3 模塊實現(xiàn)

3.1 感溫模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

如圖6所示，CMOS溫度傳感器電路根據(jù)通有不同電流密度的雙極型晶體管的基射級電壓差與溫度成正比的原理，實現(xiàn)溫度的傳感功能。其中Q1、Q2基射級電壓差全部加在電阻R8兩端，在R8上產(chǎn)生PTAT(Proportional to Absolute Temperature,PTAT)電流，并通過電阻R9將此電流轉(zhuǎn)化成PTAT電壓[11]。另外，為使圖中電流更準(zhǔn)確的鏡像，采用R9=R10=R11。通過Spectre仿真得到在-40 ～80 ℃的輸出電壓從1.593～2.390 V。

圖6 感溫模塊電路結(jié)構(gòu)圖

感溫模塊輸出的電壓信號通過ADC轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。該設(shè)計采用了8位SAR ADC，其分辨率約為0.02 V。其中D6、D5和D4這3位的信息涵蓋了所需補償?shù)臏囟确秶?-40～80 ℃)，并將其分為5個區(qū)間。

3.2 可編程電阻陣列模塊設(shè)計

可編程電阻陣列如圖7所示，所以接入儀表放大器的反饋電阻 可表示為

(10)

其中，D6、D5、D4分別為ADC的輸出位。將式(10)代入式(8)可得

(11)

最后可由式(11)分別計算出n1、n2、n3、n4的值。

圖7 可編程電阻陣列

需補償?shù)臏囟葏^(qū)間(-40～80 ℃)被分為5個溫區(qū)，且每個溫區(qū)與模數(shù)轉(zhuǎn)換器D6、D5和D4位輸出的二進(jìn)制碼(010～110)一一對應(yīng)。由式(1)計算出標(biāo)定靈敏度S0與每個溫區(qū)中間溫度對應(yīng)的靈敏度之比，如表1所示。可編程電阻陣列改變儀表放大器的增益儀G，使其增益滿足式(8)，再根據(jù)表1中S0/S(T)的值及式(11)可得

(12)

3.3 三運放儀表放大器模塊

三運放儀表放大器結(jié)構(gòu)如圖3所示。第一級為增益級，加在Rg兩端的差分信號經(jīng)過增益級后以(1+2R1/Rg)的增益系數(shù)被放大[13-14]。第二級是輸出級，信號經(jīng)過第二級以(R5/R3)的增益系數(shù)被放大。

儀表放大器由3個如圖8所示的兩級運放構(gòu)成。此外，在設(shè)計中提高兩級運放的增益以及內(nèi)部電阻間的匹配，以補償由于失配引起儀表放大器CMRR的衰減[15]。

圖8 兩級運算放大器

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 可編程電阻陣列仿真

通過設(shè)定固定的控制信號對可編程電阻陣列進(jìn)行仿真，并計算出不同控制信號下儀表放大器的實際增益值，以及實際增益和理論增益值的相對誤差，如表2所示。

表2 實際增益與理論增益相的對誤差

由于MOS開關(guān)管的導(dǎo)通電阻隨溫度的升高而增大，使得溫度升高時，增益相對誤差變大。為了減小增益相對誤差，可以適當(dāng)增加MOS開關(guān)管的W/L以減小導(dǎo)通電阻的影響。

4.2 三運放儀表放大器仿真

如圖5的方式實現(xiàn)儀表放大器增益表達(dá)式的優(yōu)化，且由式(4)可知在Rg→∞時，其增益為0，即輸出不再隨輸入信號的變化而變化。仿真結(jié)果如圖9所示，由仿真波形圖可知儀表放大器的輸出信號基本接近不變，即增益為0，滿足式(4)。

圖9 VREF端接入反向信號仿真圖(Rg→∞)

4.3 系統(tǒng)仿真

通過在每個溫度區(qū)間選取多個溫度點進(jìn)行系統(tǒng)仿真，結(jié)果如圖10所示。由于數(shù)字信號對增益的控制在各個溫區(qū)之間的不連續(xù)，使相鄰溫區(qū)的輸出存在跳變。此外，可編程電阻陣列中，開關(guān)管電阻隨溫度的升高而增大，使得補償后的輸出出現(xiàn)隨溫度升高略微下降的趨勢。

圖10 系統(tǒng)仿真結(jié)果

定義GMR傳感器靈敏度溫漂系數(shù)為

(13)

其中，S(t0)為傳感器25 ℃時標(biāo)定靈敏度。所以根據(jù)式(1)和式(13)傳感器補償前的靈敏度溫漂系數(shù)為2 498 ppm/℃，補償后的靈敏度溫漂系數(shù)為678 ppm/℃，靈敏度溫漂系數(shù)有較明顯的減小。

5 結(jié)束語

本文針對課題組研制的VA1003F自旋閥傳感器溫度特性設(shè)計了一款溫度補償電路系統(tǒng)。整個電路系統(tǒng)基于CSMC 0.5μm Mix-Signal工藝模型進(jìn)行設(shè)計與仿真。結(jié)果表明，補償前后傳感器靈敏度受溫度的影響得到明顯改善，并且實現(xiàn)了片上電路系統(tǒng)溫度靈敏度的自動控制。與傳統(tǒng)溫度補償方法相比，有面積小、速度快、集成度高的優(yōu)點。

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A Temperature Compensation Circuit System of GMR Sensor

TENG Zhigang,ZHU Huachen,BAI Ru,QIAN Zhenghong

(School of Electronics and Information,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China)

GMR sensor has the characteristics of high sensitivity, easy miniaturization, low power consumption and wide application . However, its sensitivity is easy to be affected by the change of temperature, it’s necessary to have temperature compensation in high performance application. The temperature compensation circuit system is based on the temperature-sensitivity characteristics of VA1003F, which is a spin valve sensor and developed by research group. CMOS temperature sensor samples temperature signal of environment and ADC converts temperature signal into digital signal to change the gain of programmable instrumentation amplifier, it achieves sensitivity compensation. The temperature coefficient of GMR sensor is 678 ppm/℃ after compensating, but the temperature coefficient is 2 498 ppm/℃without compensating. The circuit system is based on CSMC 0.5 μm Mix-Signal technology and can integrate on a chip.

GMR sensor;temperature compensation;temperature sensor;data converters;programmable instrumentation amplifier

2017- 02- 11

國家863計劃(2014AA032904)

滕志剛(1990-)，男，碩士研究生。研究方向：模擬集成電路設(shè)計。朱華辰(1987-)，男，博士研究生。研究方向：集成磁敏傳感器件。白茹(1983-)，女，副研究員。研究方向：納米磁電子材料等。錢正洪(1967-)，男，教授。研究方向：磁電子材料和集成功能器件。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.12.005

TN432

A

1007-7820(2017)12-017-05