三轴TMR磁强计中模拟前端检测电路设计.pdf

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1、硕士学位论文三轴TMR磁强计中模拟前端检测电路设计THEDESIGNOFANALOGFRONT-ENDDETECTIONCIRCUITINTRIAXIALTMRMAGNETOMETER荆智辉哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TN492学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开工程硕士学位论文三轴TMR磁强计中模拟前端检测电路设计硕士研究生：荆智辉导师：高志强副教授申请学位：工程硕士学科：集成电路工程所在单位：微电子科学与技术系答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN492U.D.C:621.3Dissertati

2、onfortheMasterDegreeinEngineeringTHEDESIGNOFANALOGFRONT-ENDDETECTIONCIRCUITINTRIAXIALTMRMAGNETOMETERCandidate：JingZhihuiSupervisor：AssociateProf.GaoZhiqiangAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：IntegratedCircuitEngineeringAffiliation：Dept.ofMicroelectronicsScienceandTechnologyD

3、ateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工程硕士学位论文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（TunnelMagnet

4、oresistance，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-FeedbackInstrumentationAmplifier，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

5、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16.39nV/sqrt(Hz)，1/f噪声转角频率为36.97mHz，闭环增益为40dB，GBW为10.82MHz（负载电容30pF），PM为74.82deg，总电流约为1.5mA。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

6、。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-8dBFs（1V）时，其1Hz动态范围大于130dB，信噪失真比SNDR达110dB，对应的有效位数ENOB为18位，总电流约为3.5mA。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10mV，经CFIA放大100倍后，最终调制器输出PSD的信噪失真比为106dB。关键字：三轴TMR磁强计；仪表放大器；Sigma-Delta调制器；斩波；低噪声-I-哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththerapiddevelopm

7、entofintegratedcircuitsandtheriseoftheInternetofThings,miniaturesensorsarewidelyusedinvariousfields.Amongthem,themagneticsensorcanconvertaweakmagneticsignalintoanelectricalsignal,therebyindirectlydetectingthephysicalquantityinform