CN114814673A - 用于电流感测的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本公开的各实施例涉及用于电流感测的设备和方法。本公开涉及一种磁场传感器电路(100；200)，包括：至少一个线圈(102)，线圈(102)用于测量磁场；第一级放大器电路(110；112)，第一级放大器电路(110；112)被耦合到线圈(102)，并且具有在第一频率处具有极点的第一传递函数；以及第二级放大器电路(120；122)，第二级放大器电路(120；122)被耦合到第一级放大器电路(110；112)的输出，并且具有在第一频率处具有零点的第二传递函数。在一些实施例中，第一传递函数的极点的温度相关的频率漂移对应于第二传递函数的零点的温度相关的频率漂移。

Description

用于电流感测的设备和方法

技术领域

本公开总体涉及用于感测磁场和/或电流的设备和方法，并且更具体地涉及磁电流传感器和感测方法。

背景技术

磁(电流)传感器可以用于开关模式电力供应和马达驱动器中，其中，电流隔离和宽带宽(BW)都是期望的。在CMOS中，霍尔效应传感器被广泛使用，但是它们的电阻导致BW和分辨率之间的基本权衡。线圈具有微分特性并且因此可以获得宽得多的BW和分辨率，但是不能感测直流(DC)。通过使用用于低频的霍尔传感器和用于高频的线圈，可以实现宽带宽的混合传感器。例如，两个霍尔/线圈对可以感测电流轨周围的差分磁场，从而抑制共模(CM)外部场。然而，在一个示例中，其前端感测线圈电压，这限制了其高频动态范围(DR)并且需要基于大的外部电容器的DC伺服回路。在另一个示例中，前端感测单个线圈的电流，并且因此以对作为CM场而交互的干扰场的鲁棒性为代价来实现更宽的带宽。此外，其霍尔和线圈路径在芯片外组合，并且其实现了较低的分辨率并消耗更多的功率。

因此，可能存在对改进的磁电流传感器的需求。

发明内容

这种需求通过根据独立权利要求的设备和方法来满足。一些有益的实施例由从属权利要求来解决。

根据第一方面，本公开提出了一种磁场传感器电路，磁场传感器电路也可以用作电流传感器电路。磁场传感器电路包括用于测量磁场的至少一个线圈(电感)。例如，磁场可以由电流引起。磁场传感器电路还包括第一级放大器电路，第一级放大器电路耦合到线圈并且具有第一传递函数，该第一传递函数具有在第一频率处的极点。磁场电路还包括第二级放大器电路，第二级放大器电路耦合到第一级放大器电路的输出并且具有第二传递函数，该第二传递函数具有在第一频率处的零点。

传递函数的零点表示传递函数的分子多项式的根，而传递函数的极点表示传递函数的分母多项式的根。极点频率对应于传递函数的幅度曲线的斜率减小20dB/decade处的拐角频率，并且零点频率对应于斜率增加20dB/decade处的拐角频率。

虽然第一频率处的第一传递函数的极点可以限制由高频(AC)磁场(电流)引起的来自线圈的过载效应，但是相同第一频率处的第二传递函数的零点可以补偿该极点，从而导致第一频率周围的基本平坦的总传递函数。

在一些实施例中，被包括在第一级放大器电路中的第一滤波器电路被配置为具有第一传递函数的极点的温度相关的频率漂移。这可能是由于第一滤波器电路的电路组件的相应温度系数。被包括在第二级放大器电路中的第二滤波器电路被配置为具有第二传递函数的零点的温度相关的频率漂移。再次，这可能是由于第二滤波器电路的电路组件的相应温度系数。根据本公开的实施例，第一传递函数的极点的温度相关的频率漂移基本对应于第二传递函数的零点的温度相关的频率漂移。通过实现相同类型的第一和第二滤波器电路的电阻器和电容器，可以获得极点和零点的基本相等的温度相关的频率漂移。例如，当第一滤波器电路的电阻器被实现为n型多晶硅电阻器时，第二滤波器电路中的对应电阻器也应当被实现为n型多晶硅电阻器。对于另一个示例，当第一滤波器电路的电阻器被实现为扩散电阻器时，第二滤波器电路中的对应电阻器也应当被实现为扩散电阻器。

在一些实施例中，在第一和第二滤波器电路中使用的电阻器的温度系数与线圈的电阻的温度系数的比率r在0.9≤r≤1.2内。电阻温度系数(TCR)是每度温度变化的电阻相对变化的计算。它以ppm/℃(1ppm＝0.0001％)为单位测量并且定义为：TCR＝(R₂–R₁)/R₁(T₂–T₁)。例如，线圈的电阻的温度系数可以对应于金属电阻器的温度系数。因此，在第一和第二滤波器电路中使用的电阻器也可以被实现为金属电阻器，或者被实现为具有与金属电阻器类似的温度系数的类型的电阻器。

在一些实施例中，第一级放大器电路包括第一RC滤波器，第一RC滤波器耦合在第一放大器的输入和输出之间。第一RC滤波器在第一频率处产生极点并且因此可以被认为是低通滤波器。第二级放大器电路包括第二RC滤波器，第二RC滤波器耦合在第二放大器的输入和输出之间。第二RC滤波器在第一频率处产生零点并且因此可以被认为是高通滤波器。第一RC滤波器的一个或多个电阻器和第二RC滤波器的一个或多个电阻器都可以被实现为硅化多晶硅电阻器(多晶硅电阻器)。更具体地，第一RC滤波器的(多个)电阻器和第二RC滤波器的(多个)电阻器都可以被实现为硅化的n型多晶硅电阻器。这是在假设磁场传感器电路或至少其部分是用互补金属氧化物半导体(CMOS)技术实现的情况下。集成电路(IC)通常需要集成电阻器以用于正确的电路操作。通常，这种电阻器包括掺杂多晶硅。为了降低多晶硅电阻器中存在的电阻，可以跨掺杂多晶硅的顶部形成金属硅化物层，或者阻止跨掺杂多晶硅的顶部形成金属硅化物层。这种金属硅化物可选方案能够实现两种不同类型的多晶硅电阻器。具有跨掺杂多晶硅顶部的金属硅化物层的第一类型被称为“硅化多晶硅电阻器”(硅化多晶硅电阻器)，并且该电阻器的电传导是经由金属硅化物层。跨掺杂多晶硅的顶部没有金属硅化物层的第二类型被称为“非硅化多晶硅电阻器”(非硅化多晶电阻器)。第二类型的电传导是通过多晶硅，因此取决于对多晶硅的掺杂(p型掺杂或n型掺杂)。

硅化多晶硅电阻器的电阻温度系数与金属电阻器的电阻温度系数相似。在一些实施例中，硅化多晶硅电阻器的温度系数与线圈的(金属)电阻的温度系数的比率r在0.9≤r≤1.2内。

在一些实施例中，第二级放大器电路被配置为除了具有在第一频率处的零点外还具有在第二频率处的第二传递函数的极点。因此，第二级放大器电路还包括低通滤波器组件。在一些实施例中，极点的第二频率低于零点的第一频率。

在一些实施例中，磁场传感器电路还包括RC高通滤波器电路，RC高通滤波器电路耦合在第一级放大器电路和第二级放大器电路之间。RC高通滤波器电路具有第三传递函数，第三传递函数具有在第三频率处的极点。在一些实施例中，第三频率低于第一频率且低于第二频率。

在一些实施例中，在第一级放大器电路和第二级放大器之间的RC高通滤波器电路的一个或多个电阻器被实现为非硅化多晶硅电阻器。虽然硅化多晶硅电阻器可以具有类似于金属电阻器的相对高的TCR，但非硅化多晶硅电阻器可以具有相当低的TCR。因此，第三频率处的极点可能不经历温度相关的频率漂移或仅经历很少的温度相关的频率漂移。

在一些实施例中，磁场传感器电路还包括霍尔传感器电路，霍尔传感器电路耦合到第二级放大器电路的输入。

在一些实施例中，霍尔传感器电路包括至少一个自旋电流霍尔传感器和斩波放大器电路，斩波放大器电路耦合在自旋电流霍尔传感器和第二级放大器电路之间。斩波放大器，以下也称为斩波放大器电路，是一种对要放大的信号进行调制(斩波)、放大和再次解调的放大器。通过使用这种技术，可以将开关噪声移位到不感兴趣的频带，并且可以降低所谓的1/f噪声。这种斩波放大器可以用于例如提供限定的参考电压的带隙电路中，但是也可以用于需要放大信号的其他应用中，例如放大测量信号。

在一些实施例中，磁场传感器电路还包括RC低通滤波器电路，RC低通滤波器电路耦合在斩波放大器电路的输出和第二级放大器电路的输入之间。例如，该RC低通滤波器电路可以用于滤除不期望的斩波纹波。

在一些实施例中，霍尔传感器电路包括温度相关电流源，温度相关电流源耦合到自旋电流霍尔传感器。温度相关电流源允许补偿霍尔传感器电路中的温度相关电阻变化。

在一些实施例中，第二级放大器电路包括RC低通滤波器，RC低通滤波器耦合在放大器的输入和输出之间。第二级放大器电路的RC低通滤波器的一个或多个电阻器被实现为硅化多晶硅电阻器，并且耦合在斩波放大器电路的输出和第二级放大器电路的输入之间的RC低通滤波器的一个或多个电阻器被实现为非硅化多晶硅电阻器。

根据另一方面，本公开提出了一种电流传感器电路，电流传感器电路包括电流轨、布置在电流轨的第一位置处的第一线圈、布置在电流轨的第二位置处的第二线圈。第一级差分放大器电路被耦合到第一和第二线圈并且具有第一传递函数，该第一传递函数具有在第一频率处的极点。第二级差分放大器电路被耦合到第一级差分放大器电路的输出并且具有第二传递函数，该第二传递函数具有在第一频率处的零点。第一传递函数的极点的温度相关的频率漂移对应于第二传递函数的零点的温度相关的频率漂移。这种差分布置可以导致对杂散场的更强的鲁棒性。

在一些实施例中，电流轨可以与电流传感器电路集成。在一些实施例中，电流轨可以在电流传感器电路的外部。

在一些实施例中，电流传感器电路还包括布置在电流轨的第一位置处的第一自旋电流霍尔传感器、耦合在第一自旋电流霍尔传感器和第二级差分放大器电路之间的第一差分斩波放大器电路、布置在电流轨的第二位置处的第二自旋电流霍尔传感器、以及耦合在第二自旋电流霍尔传感器和第二级差分放大器电路之间的第二差分斩波放大器电路。

根据另一方面，本公开提出了一种磁场感测的方法。该方法包括：利用至少一个线圈捕获磁场(例如，由电流引起的)，将线圈耦合到具有第一传递函数的第一级放大器电路，该第一传递函数具有在第一频率处的极点，将第一级放大器电路的输出耦合到具有第二传递函数的第二级放大器电路，该第二传递函数具有在第一频率处的零点。第一传递函数的极点的温度相关的频率漂移对应于第二传递函数的零点的温度相关的频率漂移。

本公开的实施例允许低噪声、高带宽、高精度和低偏移的系统。此外，利用使用较高频率的系统和利用调节回路中的较低剩余误差，可以实现更好的能量效率和重量以及封装尺寸。

附图说明

下面将仅通过示例的方式并参考附图来描述设备和/或方法的一些示例，其中，

图1示意地示出根据本公开的实施例的磁场传感器电路的高级框图；

图2示出根据本公开的实施例的使用线圈的磁场传感器电路；

图3示出图2的磁场传感器电路的高级框图；

图4示出图2的磁场传感器电路的不同级的波特图；

图5示意地示出根据本公开的实施例的包括线圈路径和霍尔路径的混合磁场传感器电路的高级框图；

图6示出图5的混合磁场传感器电路的更详细示意图；

图7示出应用于电流轨的混合电流传感器电路的设置；

图8示出图6的电流传感器电路的不同级的波特图；以及

图9示出集成的电流传感器电路。

具体实施方式

现在将参考附图(其中一些示例被图示)更全面地描述各种示例。在图中，为了清楚起见，线、层和/或区域的厚度可能被夸大。

因此，虽然另外的示例能够有各种修改和备选形式，但其一些特定示例在附图中示出并且将随后详细描述。然而，该详细描述不将另外的示例限制于所描述的特定形式。另外的示例可以覆盖落入本公开的范围内的所有修改、等同物和备选物。在附图的整个描述中，相同或相似的标号表示相同或相似的元件，当彼此比较时，这些元件可以相同地或以修改的形式实现，同时提供相同或相似的功能。

应当理解，当元件被称为“连接”或“耦合”到另外的元件时，这些元件可以直接连接或耦合或者经由一个或多个中间元件连接或耦合。如果两个元件A和B使用“或”组合，则这将被理解为公开所有可能的组合，即，如果没有明确地或隐含地另外定义，则仅A、仅B以及A和B。相同组合的替代措词是“A和B中的至少一个”或“A和/或B”。可类推地，这同样适用于两个以上元件的组合。

本文中用于描述特定示例的术语不希望限制其他示例。无论何时使用诸如“一”、“一个”和“该”的单数形式并且仅使用单个元件既不被明确地也不被隐含地定义为是强制的，其他示例也可以使用多个元件来实现相同的功能。同样，当功能随后被描述为使用多个元件来实现时，其他示例可以使用单个元件或处理实体来实现相同的功能。还将理解，术语“包括”、“包含”、“内含”和/或“含有”在使用时指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、过程、动作、元件、组件和/或其任何群组的存在或添加。

除非另有定义，所有术语(包括技术和科学术语)在本文中以其在示例所属领域的普通含义使用。

图1示意地示出根据本公开的实施例的磁场传感器电路100的高级框图。

磁场传感器电路100包括线圈102，线圈102用于测量例如由通过线圈102附近的电导体的电流(AC)引起的磁场。电导体可以是电流轨、IC的导体路径或诸如导线的另一电导体。电流引起围绕电导体的变化的磁场。根据法拉第感应定律，这种变化的磁场反过来在线圈102中感应出电流/电压。

磁场传感器电路100还包括第一级放大器电路110，第一级放大器电路110被耦合到线圈102的端子。第一级放大器电路110可以包括第一级放大器和第一级滤波器电路，该第一级滤波器电路具有第一级传递函数，第一级传递函数具有在第一频率f_p1处的极点。该第一(极点)频率f_p1对应于拐角频率，第一级传递函数的幅度曲线的斜率在该拐角频率处减小20dB/decade。因此，第一级滤波器电路可以包括低通滤波器。具有在频率f_p1处的极点的第一级滤波器电路可以限制线圈102对于f₁以上的(电流)频率的输出摆动。

磁场传感器电路100还包括第二级放大器电路120，第二级放大器电路被耦合到第一级放大器电路110的输出并且具有第二传递函数，该第二传递函数具有在第一频率f_z2＝f_p1处的零点。该零点频率f_z2＝f_p1对应于拐角频率，第二级传递函数的幅度曲线的斜率在该拐角频率处增加20dB/decade。因此，第二级滤波器电路可以包括高通滤波器。

频率f_z2＝f_p1处的零点可以补偿频率f_p1处的极点，使得第一和第二级放大器电路110的总传递函数的幅度曲线在频率_p1处基本是平坦的。

在一些实施例中，线圈102、第一级放大器电路110和第二级放大器电路120可以集成在公共IC中。电导体可以在IC的外部。

受益于本公开的技术人员将理解，线圈102的电阻可以是温度相关的。例如，在金属线圈的情况下，电阻温度系数(TCR)可以在+0.36％/K的范围内。线圈电阻的这种温度相关性可以由在频率f_p1处的第一级传递函数的极点和第二级传递函数的零点的相应温度相关性来补偿。因此，被包括在第一级放大器电路110中的第一级滤波器电路可以具有极点频率f_p1的温度相关的频率漂移。被包括在第二级放大器电路120中的第二级滤波器电路可以具有零点频率f_z2＝f_p1的温度相关的频率漂移。根据本公开的实施例，第一传递函数的极点频率f_p1的温度相关的频率漂移可以对应于第二传递函数的零点频率f_z2＝f_p1的温度相关的频率漂移。以此方式，频率f_z2＝f_p1处的零点可以在宽温度范围上补偿频率f_p1处的极点。

理想地，极点频率和零点频率f_p1的温度相关的频率漂移对应于线圈的传递函数，这意味着在控制所述频率f_p1处的极点和零点的第一和第二级滤波器电路中使用的电阻应当具有与线圈102的TCR相同或至少相似的TCR。例如，在控制所述频率f_z2＝f_p1处的极点和零点的第一和第二级滤波器电路中使用的电阻的TCR与线圈的TCR的比率r可以在0.9≤r≤1.2的范围内。因此，在控制所述频率f_z2＝f_p1处的极点和零点的第一和第二级滤波器电路中使用的电阻器可以是具有与线圈102相同TCR的金属电阻器。然而，由于线圈在用于实现IC的常规半导体工艺中对于实现电阻器可能是不可行的，因此可以选择硅化多晶硅电阻器作为控制所述频率f_z2＝f_p1处的极点和零点的第一和第二级滤波器电路中的电阻器。硅化多晶硅电阻器是在多晶硅顶部具有一个或多个硅化物层的多晶硅电阻器。硅化物是具有(通常)带更强正电性的元素的硅的化合物。一些示例是硅化镍NiSi、硅化钠Na₂Si、硅化镁Mg₂Si、硅化铂PtSi(铂实际上比硅更负电性)、硅化钛TiSi₂、硅化钨WSi₂、二硅化钼MoSi₂。在一些实施例中，在控制所述频率f_z2＝f_p1处的极点和零点的第一和第二级滤波器电路中使用的硅化多晶硅电阻器(TCR)的TCR可以在例如+0.31％/K的范围内，这与线圈的TCR(+0.36％/K)处于相同的数量级。

图2示出根据本公开的实施例的磁场传感器电路200。

磁场传感器电路200可以是独立的或者可以是宽带宽的混合磁场传感器的线圈路径，其中，附加的霍尔传感器用于低频。尽管图2示出使用线圈对(线圈#1、线圈#2)来感测电流导体(例如，电流轨)周围的差分磁场的示例，但是受益于本公开的技术人员将理解，差分设置可以由仅使用单个线圈的实施例直接替代。

磁场传感器电路200包括包含线圈#1和线圈#2的差分线圈对102、第一级放大器电路110和第二级放大器电路120。差分线圈对102的线圈#1具有电阻R_线圈(例如，(3.3kΩ)并且耦合到第一级放大器电路110的第一级放大器112的反相输入端子；差分线圈对102的线圈#2具有电阻R_线圈并且耦合到第一级放大器112的非反相输入端子。例如，R_线圈可以是TCR为+0.36％/K的金属电阻。

第一级放大器电路110包括RC滤波器114，RC滤波器114耦合在第一级放大器112的输入和输出之间。在此示例中，RC滤波器114包括反相滤波器分支，反相滤波器分支耦合在第一级放大器112的反相输入端子与输出端子之间。反相滤波器分支包括与电容器C₁并联的电阻器R₁。在该示例中，RC滤波器114包括另外的非反相分支，该另外的非反相分支包括电阻器R₁，电阻器R₁与耦合在第一级放大器112的非反相输入端子和输出端子之间的电容器C₁并联。受益于本公开的技术人员将理解，在非差分设置的情况下，可能仅需要一个滤波器分支。包括与电容器C₁并联的电阻器R₁的RC滤波器114导致第一频率f_p1处的极点。这在图3中示意地示出。

根据实施例，(多个)电阻器R₁可以被实现为硅化多晶硅电阻器并且可以具有例如+0.31％/K的TCR。电阻器R₁的电阻例如可以是32kΩ。例如，电容器C₁的电容可以是25pF。由于硅化多晶硅电阻器R₁的TCR和线圈电阻R_线圈的TCR类似，所以第一级放大器电路110的增益在宽的温度范围内将保持基本恒定。

在该示例中，第二级放大器电路120包括RC高通滤波器126，RC高通滤波器126耦合在第一级放大器112的(一个或多个)输出端子与第二级放大器122的输入端子之间。在此示例中，RC高通滤波器126包括反相滤波器分支，反相滤波器分支耦合在第一级放大器112的反相输出端子与第二级放大器122的反相输入端子之间。RC高通滤波器126的反相滤波器分支包括与电容器C₂串联的电阻器R₂。在该示例中，RC高通滤波器126包括另外的非反相滤波器分支(电阻器R₂与电容器C₂串联)，另外的非反相滤波器分支耦合在第一级放大器112的非反相输出端子和第二级放大器122的非反相输入端子之间。RC高通滤波器126的非反相滤波器分支也包括与电容器C₂串联的电阻器R₂。RC高通滤波器电路126具有带有在频率f_p3<f_p1处的极点的传递函数。这在图3中示意地示出。

(多个)电阻器R₂可实施为非硅化多晶硅电阻器且可以具有例如-0.02％/K的TCR。电阻器R₂的电阻例如可以是480kΩ。例如，电容器C₂的电容可以是260pF。由于TCR电阻器R₂非常小，因此极点频率f_p3将在宽温度范围内基本保持恒定。

RC滤波器124耦合在第二级放大器122的输入与输出之间。在此示例中，RC滤波器124包括反相滤波器分支，反相滤波器分支耦合在第二级放大器122的反相输入端子与输出端子之间。反相滤波器分支包括与电容器C₃串联的电阻器R₃和与电阻器R₃和电容器C₃的串联连接并联的电阻器R₄。RC滤波器124在此示例中包括另外的非反相分支，该非反相分支耦合在第二级放大器122的非反相输入端子与输出端子之间。非反相滤波器分支也包括与电容器C₃串联的电阻器R₃和与电阻器R₃和电容器C₃的串联连接并联的电阻器R₄。受益于本公开的技术人员将理解，在非差分设置的情况下，可能仅需要一个滤波器分支。RC滤波器124的电阻器R₃和电容器C₃的串联连接形成高通滤波器，并且导致在频率f_p1处的零点，因此f_z2＝f_p1，而RC滤波器124的电阻器R₄和电容器C₃形成低通滤波器并且可以被配置为导致在频率f_p2<f_p1处的极点。这在图3中示意地示出。

(多个)电阻器R₃可实施为硅化多晶硅电阻器且可以具有例如+0.31％/K的TCR。电阻器R₃的电阻例如可以是32kΩ。例如，电容器C₃的电容可以是25pF。以这种方式，在宽温度范围上，f_z2＝f_p1。此外，f_p1的温度相关的频率漂移基本对应于f_z2的温度相关的频率漂移。由于硅化多晶硅电阻器R₁、R₃的TCR类似于金属电阻器R_线圈的TCR，所以f_p1和f_z2的温度相关的频率漂移适于R_线圈的温度相关漂移。

如图4的上波特图所示，包括与电容器C₁并联的电阻器R₁的RC滤波器114可以引起例如在频率f_p1＝200kHz处的极点。极点频率f_p1＝200kHz对应于拐角频率，RC滤波器114传递函数的幅度曲线的斜率在该拐角频率处减小20dB/decade。如图4的中间波特图所示，包括与电容器C₂串联的电阻器R₂的RC滤波器126可以引起例如在频率f_p3＝1.25kHz处的极点。极点频率f_p3＝1.25kHz对应于拐角频率，RC滤波器126传递函数的幅度曲线的斜率在该拐角频率处减小20dB/decade。由RC滤波器124的电阻器R₄和电容器C₃形成的低通滤波器部分可以引起在频率f_p2＝10kHz处的极点。由RC滤波器124的电阻器R₃和电容器C₃形成的高通滤波器部分可以引起在频率f_z2＝f_p1＝200kHz处的零点。级1和级2的总传递函数在图4的下波特图中示出。

如前所述，图2的磁场传感器电路200可以是宽带宽的混合磁场传感器的线圈路径。如在图5的简化框图中所示，附加的霍尔传感器路径可以用于低频，从而产生混合磁场传感器。

图5的混合磁场传感器电路500包括用于高频的线圈路径200和用于低频的附加霍尔路径501。霍尔路径501包括霍尔传感器电路，霍尔传感器电路被耦合到第二级放大器122的输入。霍尔传感器电路可以包括至少一个自旋电流霍尔传感器502和斩波放大器电路510，斩波放大器电路510被耦合在自旋电流霍尔传感器502和第二级放大器122之间。

图6示出根据本公开的实施例的宽带宽的混合电流传感器600的详细示意图。

混合电流传感器600的霍尔路径501包括：自旋电流霍尔传感器502的差分对，自旋电流霍尔传感器502的差分对包含霍尔#1和霍尔#2；第一霍尔级放大器电路610；第二霍尔级放大器电路620；以及霍尔路径501的低通滤波器电路630。低通滤波器电路630耦合在第二霍尔级放大器电路620的输出和第二级放大器122的输入之间。包含霍尔#1和霍尔#2的自旋电流霍尔传感器502的差分对耦合在一个或多个(偏置)电流源640和地之间。

第一自旋电流霍尔传感器霍尔#1的第一霍尔电压输出被电容性地耦合到第一霍尔级放大器电路610的第一放大器612-1的反相输入。第一自旋电流霍尔传感器霍尔#1的第二霍尔电压输出被电容性地耦合到第一放大器612-1的非反相输入。第一霍尔级放大器电路610包括低通RC滤波器614，低通RC滤波器614耦合在第一放大器612-1的输入和输出之间。在此示例中，RC滤波器614包括反相滤波器分支，反相滤波器分支耦合在第一放大器612-1的反相输入端子与输出端子之间。反相滤波器分支包括与电容器并联的电阻器。在该示例中，RC滤波器614包括另外的非反相分支，该另外的非反相分支包括电阻器，电阻器与耦合在第一放大器612-1的非反相输入端子和输出端子之间的电容器并联。受益于本公开的技术人员将理解，在非差分设置的情况下，可能仅需要一个滤波器分支。

第二自旋电流霍尔传感器霍尔#2的第一霍尔电压输出被电容性地耦合到第一霍尔级放大器电路610的第二放大器612-2的反相输入。第二自旋电流霍尔传感器霍尔#2的第二霍尔电压输出被电容性地耦合到第二放大器612-2的非反相输入。第一霍尔级放大器电路610包括低通RC滤波器614，低通RC滤波器614耦合在第二放大器612-2的输入和输出之间。在此示例中，RC滤波器614包括反相滤波器分支，反相滤波器分支耦合在第二放大器612-2的反相输入端子与输出端子之间。反相滤波器分支包括与电容器并联的电阻器。在该示例中，RC滤波器614包括另外的非反相分支，该另外的非反相分支包括电阻器，电阻器与耦合在第二放大器612-2的非反相输入端子和输出端子之间的电容器并联。受益于本公开的技术人员将理解，在非差分设置的情况下，可能仅需要一个滤波器分支。

第一霍尔级放大器电路610的第一和第二放大器612-1、612-2的反相输出和非反相输出被电容性地耦合到包括具有调制器和解调器电路624、626的斩波放大器622的第二级放大器电路620。借助于调制器电路624，第一霍尔级放大器电路610的第一和第二放大器612-1、612-2的反相输出和非反相输出可以被交替地电容性耦合到斩波放大器622的反相输入和非反相输入。调制器电路624的开关的斩波频率f_ch可以对应于自旋电流霍尔传感器霍尔#1、霍尔#2的频率f_s的两倍。斩波放大器622的反相输出端子和非反相输出端子被耦合到也以斩波频率f_ch操作的解调器电路626。第二霍尔级放大器电路620包括低通RC滤波器628，低通RC滤波器628耦合在斩波放大器622的输入和输出之间。在该示例中，RC滤波器628包括反相滤波器分支，反相滤波器分支耦合在斩波放大器622的反相输入端子和输出端子之间。反相滤波器分支包括与电容器并联的电阻器。在该示例中，RC滤波器628包括另外的非反相分支，该另外的非反相分支包括电阻器，电阻器与耦合在斩波放大器622的非反相输入端子和输出端子之间的电容器并联。受益于本公开的技术人员将理解，在非差分设置的情况下，可能仅需要一个滤波器分支。

解调器电路624的反相输出和非反相输出被耦合到低通滤波器630的输入。低通滤波器630包括第一分支，该第一分支包括电阻器R_LPF1、R_LPF2的串联连接，其中，R_LPF1与解调器电路624通过接口连接，并且R_LPF2与第二级放大器122的第一差分输入通过接口连接。第一分支的电容器C_LPF耦合在地和第一分支的电阻器R_LPF1、R_LPF2之间的节点之间。低通滤波器630包括第二差分分支，该第二差分分支包括电阻器R_LPF1、R_LPF2的串联连接，其中，R_LPF1与解调器电路624通过接口连接，并且R_LPF2与第二级放大器122的第二差分输入通过接口连接。第二分支的电容器C_LPF耦合在地和第二分支的电阻器R_LPF1、R_LPF2之间的节点之间。

在一些实施例中，一个或多个电流源640可以为包括霍尔#1和霍尔#2的霍尔传感器502递送温度相关的偏置电流，以便补偿包括霍尔#1和霍尔#2的霍尔传感器502的温度相关的电阻变化。在这样的实施例中，RC低通滤波器630的电阻器R_LPF1、R_LPF2可以被实现为非硅化多晶硅电阻器，并且RC低通滤波器122的电阻器R₄可以被实现为硅化多晶硅电阻器。这样，第二(线圈)级放大器122的增益将是温度相关的，以在宽温度范围上产生整体平坦的传递函数。

本公开的一些实施例呈现了一种混合电流传感器，混合电流传感器可以测量基于引线框架的电流轨周围的差分场。通过感测线圈电流并采用极点零点抵消方案，其前端可以在没有外部组件的情况下实现高动态范围(DR)和分辨率。

图7示出电流传感器电路700，包括电流轨702、布置在电流轨702的第一位置处的第一线圈102-1、布置在电流轨702的第二位置处的第二线圈102-2。第一级差分放大器电路110(未示出)被耦合到具有第一传递函数的第一和第二线圈102-1、102-2，该第一传递函数具有在第一频率处的极点。第二级差分放大器电路120(未示出)被耦合到第一级差分放大器电路110的输出并且具有第二传递函数，该第二传递函数具有在第一频率处的零点。可选地，第一自旋电流霍尔传感器502-1可以被布置在电流轨702的第一位置处，并且第二自旋电流霍尔传感器502-2可以被布置在电流轨702的第二位置处。第一差分斩波放大器电路610、620(未示出)可以被耦合在第一自旋电流霍尔传感器502-1和第二级差分放大器电路120之间。第二差分斩波放大器电路610、620可以被耦合在第二自旋电流霍尔传感器502-2和第二级差分放大器电路120之间。

电流轨702可以包括低电阻(例如，250μΩ)S形的引线框架，该引线框架可以集中由霍尔/线圈对霍尔#1、霍尔#2以及线圈#1和线圈#2所看到的磁场。每个霍尔传感器霍尔#1、霍尔#2可以包括并联连接的四个自旋电流霍尔板。板中的电流可以被设计成在不同的方向上流动，导致偏移和应力灵敏度的显著降低。

霍尔和线圈路径501、200的简化框图在图5中示出。由于线圈电流与引线框架电流(I_rail)的导数成比例，所以线圈路径200包括两级积分器。第一级110包括具有在f_p1处的极点的跨阻抗放大器112，跨阻抗放大器确保I_rail的高频分量不会导致其输出被削波。为了阻止偏移，其输出被交流耦合到第二级120，在那里其与霍尔路径501的输出组合。第二级实现f_p2处的极点和f_z2＝f_p1处的零点，从而实现具有在f_p2处的极点的线圈路径。通过适当地设定霍尔路径501的增益，总传递函数是平坦的，而霍尔传感器的热噪声可以在交叉频率f_c＝f_p2以上被过滤，交叉频率可以被选择以用于平衡线圈和霍尔路径的噪声贡献。

电流传感器的更详细的示意图在图6中示出，并且对应的波特图在图8中示出。

线圈路径200的第一级110可以例如实现f_p1＝200kHz(R₁C₁)。在该频率以上，当I_rail～25A时，C₁(例如，25pF)可以将其输出摆动限制到～1.125V。第二级120可以实现f_z2＝200kHz(R₃C₃)和f_p2＝10kHz(R₄C₃)。线圈路径200因此表现得像具有10kHz极点的积分器，如图8(左)所示。尽管这可以在单个级中完成，但是R₁将非常大(例如，3MΩ)，其与低线圈电阻R_线圈(例如，3.3kΩ)一起将使得第一级110的输出关于其自身的偏移(～2mV)进行削波。所提出的架构允许R₁较小(32k第一级110)，导致在第一级110的输出处的～20mV的偏移。然后，这被C₂(260pF)阻断，其与R₂(例如480kΩ)一起定义了1.25kHz处的极点，并且因此在f_c以上具有可忽略的影响。第二级120的偏移可以被增益2放大(例如，R₄＝R_LPF1+R_LPF2)，并且因此该偏移对前端的输出偏移具有可忽略的影响(～4mV)。为了确保传播的鲁棒性，时间常数R₁C₁和R₃C₃可以由相同类型的组件实现。而且，通过利用硅化n型多晶硅电阻器(TCR＝0.31％/K)实现R_1,3，可以抵消R_线圈的大温度系数(TCR＝0.36％/K)。R₂可以利用p型多晶硅电阻器来实施，其低TCR(-0.02％/K)导致总的线圈路径TCR为0.03％/K。

为了最小化他们的偏置电路640的功耗，可以堆叠两个自旋霍尔传感器502-1、502-2。他们的灵敏度的TCR可以通过用温度相关的电流(例如，在室温下～4mA)偏置他们来补偿，该电流可以从具有正(I_PTC)和负(I_NTC)TCR的两个电流导出，如图6所示。这些可以通过跨两个电阻器强制由一对亚阈值偏置的PMOS晶体管产生的PTAT(与绝对温度成比例)和CTAT(与绝对温度互补)电压ΔV_GS和V_GS来实现。

图8(右)示出霍尔路径501的各个级的传递函数。为了减小霍尔传感器偏移，可以采用自旋电流技术，其中，霍尔电压被上调制到自旋频率的两倍(例如，2f_s＝100kHz)，而其偏移保持在DC处。由于引线框架的尺寸，两个霍尔传感器霍尔#1和霍尔#2之间的距离可以相当大(例如，～2.4mm)。因此，为了保持信号完整性，在由同样可以具有增益为50的类似CCA 622(第二霍尔级620)求和并解调之前，它们的输出可以由增益为50的局部电容性耦合的放大器(CCA)612-1、612-2(第一霍尔级610)提升。然后，级120的放大器122可以组合霍尔和线圈路径200、501的输出。CCA可以使用开关电阻器来实现大的DC反馈电阻(例如，＞1GΩ)，DC反馈电阻可以建立可以阻挡霍尔传感器和第一霍尔级610的偏移的零点(～500Hz)。放大器622的上调制偏移可以仅经历单位增益并且可以由通过R_LPF1、R_LPF2和C_LPF实现的50kHzLPF 630滤波。在每次自旋电流转换之后，放大器622的虚地处的死区开关可以用于阻挡霍尔传感器的所得到的热稳定瞬态，从而减少它们的残余偏移。死区表示传递函数域中的输入值的带，其中，输出为零(输出为“死”，没有动作发生)。

比率R₄/(R_LPF2+R_LPF1)可以确定低频霍尔路径501的随温度和技术扩展的恒定增益：在霍尔板的恒定电流偏置的情况下，这些电阻器可以来自相同类型。在具有大约-3000ppm/K的霍尔板的I_NTAT电流偏置的情况下，这些电阻器可以来自不同类型，并且优选地R₄可以是硅化电阻器，而R_LPF1和R_LPF2可以是非硅化电阻器，以形成具有大约3000ppm/K的增益比。在这种情况下，具有大约-2500…-3000ppm/K的霍尔偏置电流约为：

或者

或者

霍尔路径501也可以有益于R_{poly-silicide}/R_{poly_non_silicide}。：

代替具有恒定电流的霍尔板：I_ntat偏置将导致大约V_ptat偏置，而不是具有I_const的+6000ppm V_霍尔偏置。它导致霍尔板输出电压的大约-3000ppm/灵敏度，但是它可以用R_{poly-silicide}/R_{poly_non_silicide}≈+3000ppm/K来补偿。175℃处的信噪比S/N保持相同(限于最大V_半偏置)。但是在25°处并且甚至在-40℃处S/N会更好(因子≈1.5)。

例如，放大器112、122可以是米勒补偿放大器，具有折叠共源共栅输入级和AB类输出级，以分别处理感应线圈电流并且驱动外部负载(20pF)。为了最大化放大器的噪声效率，放大器612-1、612-2可以是伸缩式电流重用放大器。放大器112和放大器612-1、612-2的等效输入参考噪声可以被设计为分别适配R_线圈(3.3kΩ)和R_霍尔(700Ω)的热噪声。

实施例提出使用快速和低噪声线圈高频路径和低偏移低频霍尔信号路径的组合。实施例提出在两个放大路径中使用硅化(和非硅化)电阻器进行极点零点抵消以补偿温度系数、技术扩展、应力相关性，并且使用极点零点补偿以获得平坦的频率行为。实施例还提出了一种应力补偿的偏置系统。

连同一个或多个先前详细的示例和附图提及和描述的方面和特征也可以与其他示例中的一个或多个示例组合，以便替换其他示例的类似特征或者以便向其他示例附加地引入该特征。

说明书和附图仅仅示出本公开的原理。此外，本文中叙述的所有示例主要明确地旨在仅用于说明性目的，以帮助读者理解本公开的原理和由(多个)发明人为了促进本领域而贡献的概念。这里叙述本公开的原理、方面和示例的所有陈述及其具体示例旨在涵盖其等同物。

表示为执行某一功能的“用于...的装置”的功能块可以指被配置为执行某一功能的电路。因此，“用于某物的装置”可以被实现为“被配置用于或适合于某物的装置”，诸如被配置用于或适合于相应任务的装置或电路。

图中所示的各种元件的功能，包括标记为“装置”、“用于提供信号的装置”、“用于生成信号的装置”等等的任何功能块，可以以专用硬件的形式来实现，例如“信号提供器”、“信号处理单元”、“处理器”、“控制器”等等，以及能够执行与适当软件相关联的软件的硬件。当由处理器提供时，功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器、或多个单独的处理器提供，这些中的一些或全部可以被共享。然而，术语“处理器”或“控制器”到目前为止不限于能够排他地执行软件的硬件，而是可以包括数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和非易失性存储器。也可以包括其他常规和/或定制的硬件。

例如，框图可以示出实现本公开的原理的高级电路图。类似地，流程图、程序图表、状态转换图、伪代码等可以表示各种处理、操作或步骤，其可以例如被基本表示在计算机可读介质中并且因此由计算机或处理器执行，而不管是否明确示出这样的计算机或处理器。说明书或权利要求书中公开的方法可以由具有用于执行这些方法的各个动作中的每个动作的装置的设备来实现。

应当理解，除非明确地或隐含地另外说明，例如出于技术原因，否则在说明书或权利要求书中公开的多个动作、过程、操作、步骤或功能的公开不应被解释为在特定顺序内。因此，多个动作或功能的公开将不会将这些限制到特定顺序，除非这样的动作或功能出于技术原因不可互换。此外，在一些示例中，单个动作、功能、过程、操作或步骤可以分别包括或可以被分成多个子动作、功能、过程、操作或步骤。除非明确排除，否则这些子动作可以被包括在此单个动作的公开中并且是该公开的一部分。

此外，所附权利要求由此被并入具体实施方式中，其中，每个权利要求可以独立地作为单独的示例。虽然每个权利要求可以独立地作为单独的示例，但是应当注意，尽管从属权利要求可以在权利要求中指与一个或多个其他权利要求的特定组合，但是其他示例也可以包括从属权利要求与每个其他从属或独立权利要求的主题的组合。除非说明不是旨在特定组合，否则本文明确提出了此类组合。此外，即使一个权利要求不是直接从属于独立权利要求，也旨在将该权利要求的特征包括到任何其他独立权利要求。

Claims (17)

1.一种磁场传感器电路(100；200；600)，包括：

至少一个线圈(102)，用于测量磁场；

第一级放大器电路(110；112)，被耦合到所述线圈(102)，并且具有第一传递函数，所述第一传递函数具有在第一频率处的极点；以及

第二级放大器电路(120；122)，被耦合到所述第一级放大器电路(110；112)的输出，并且具有第二传递函数，所述第二传递函数具有在所述第一频率处的零点。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器电路(100；200；600)，其中，

第一滤波器电路(114)被包括在所述第一级放大器电路(110；112)中，所述第一滤波器电路(114)被配置为具有所述第一传递函数的所述极点的温度相关的频率漂移，

第二滤波器电路(124)被包括在所述第二级放大器电路(120；122)中，所述第二滤波器电路(124)被配置为具有所述第二传递函数的所述零点的温度相关的频率漂移，

其中，所述第一传递函数的所述极点的温度相关的频率漂移对应于所述第二传递函数的所述零点的温度相关的频率漂移。

3.根据前述权利要求中任一项所述的磁场传感器电路(100；200；600)，其中，

所述第一级放大器电路(110；112)包括第一RC滤波器(114)，所述第一RC滤波器(114)被耦合在第一放大器(112)的输入与输出之间，所述第一RC滤波器引起在所述第一频率处的所述极点(114)，

所述第二级放大器电路(120；122)包括第二RC滤波器(124)，所述第二RC滤波器(124)被耦合在第二放大器(122)的输入与输出之间，所述第二RC滤波器(124)引起在所述第一频率处的所述零点，

其中，所述第一RC滤波器(114)的电阻器和所述第二RC滤波器(124)的电阻器两者都被实现为硅化多晶硅电阻器。

4.根据权利要求3所述的磁场传感器电路(100；200；600)，其中，所述硅化多晶硅电阻器的温度系数与所述线圈(102)的电阻的温度系数的比率r在0.9≤r≤1.2内。

5.根据前述权利要求中任一项所述的磁场传感器电路(100；200；600)，其中，所述第二级放大器电路(120；122)被配置为在第二频率处具有所述第二传递函数的极点。

6.根据权利要求5所述的磁场传感器电路(100；200；600)，其中，所述极点的第二频率低于所述零点的第一频率。

7.根据前述权利要求中任一项所述的磁场传感器电路(100；200；600)，还包括：

RC高通滤波器电路(126)，被耦合在所述第一级放大器电路(110；112)与所述第二级放大器电路(120；122)之间，所述RC高通滤波器电路(126)具有第三传递函数，所述第三传递函数具有在第三频率处的极点。

8.根据权利要求7所述的磁场传感器电路(100；200；600)，其中，所述第三频率低于所述第一频率、并且低于所述第二频率。

9.根据权利要求7或8所述的磁场传感器电路(100；200；600)，其中，所述RC高通滤波器电路(126)的一个或多个电阻器被实现为非硅化多晶硅电阻器。

10.根据前述权利要求中任一项所述的磁场传感器电路(100；200；600)，还包括：

霍尔传感器电路，被耦合到所述第二级放大器电路(122)的输入。

11.根据权利要求10所述的磁场传感器电路(100；200；600)，其中，所述霍尔传感器电路包括：

至少一个自旋电流霍尔传感器(502)；以及

斩波放大器电路(620)，被耦合在所述自旋电流霍尔传感器(502)与所述第二级放大器电路(122)之间。

12.根据权利要求10或11所述的磁场传感器电路(100；200；600)，还包括：

RC低通滤波器电路(630)，耦合在所述斩波放大器电路(620)的输出与所述第二级放大器电路(122)的输入之间。

13.根据权利要求10至12中任一项所述的磁场传感器电路(100；200；600)，其中，所述霍尔传感器电路包括温度相关的电流源(640)，所述温度相关的电流源(640)被耦合到所述自旋电流霍尔传感器(502)。

14.根据权利要求12或13所述的磁场传感器电路(100；200；600)，其中，

所述第二级放大器电路(120；122)包括RC低通滤波器(R₄、C₃)，所述RC低通滤波器(R₄、C₃)被耦合在放大器(122)的输入与输出之间，

其中，所述第二级放大器电路(120；122)的所述RC低通滤波器的电阻器(R₄)被实现为硅化多晶硅电阻器，并且耦合在所述斩波放大器电路(620)的输出和所述第二级放大器电路(120；122)的输入之间的所述RC低通滤波器(630)的一个或多个电阻器被实现为非硅化多晶硅电阻器。

15.一种电流传感器电路(700)，包括：

电流轨(702)；

第一线圈(102-1)，被布置在所述电流轨(702)的第一位置处；

第二线圈(102-2)，被布置在所述电流轨(702)的第二位置处；

第一级差分放大器电路(110；112)，被耦合到所述第一线圈和所述第二线圈，并且具有第一传递函数，所述第一传递函数具有在第一频率处的极点；以及

第二级差分放大器电路(120；122)，被耦合到所述第一级差分放大器电路(110；112)的输出，并且具有第二传递函数，所述第二传递函数具有在所述第一频率处的零点，

其中，所述第一传递函数的极点的温度相关的频率漂移对应于所述第二传递函数的零点的温度相关的频率漂移。

16.根据权利要求15所述的电流传感器电路(600)，还包括：

第一自旋电流霍尔传感器(502-1)，被布置在所述电流轨(702)的所述第一位置处；

第一差分斩波放大器电路(612-1；620)，被耦合在所述第一自旋电流霍尔传感器(502-1)与所述第二级差分放大器电路(120；122)之间；

第二自旋电流霍尔传感器(502-2)，被布置在所述电流轨(702)的所述第二位置处；以及

第二差分斩波放大器电路(612-2；620)，被耦合在所述第二自旋电流霍尔传感器(502-2)与所述第二级差分放大器电路(120；122)之间。

17.一种磁场感测的方法，包括：

利用至少一个线圈(102)捕获磁场；

将所述线圈耦合到具有第一传递函数的第一级放大器电路(110；112)，所述第一传递函数具有第一频率处的极点；以及

将所述第一级放大器电路(110；112)的输出耦合到具有第二传递函数的第二级放大器电路(120；122)，所述第二传递函数具有所述第一频率处的零点；

其中，所述第一传递函数的极点的温度相关的频率漂移对应于所述第二传递函数的零点的温度相关的频率漂移。

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