巨磁阻传感器的温度补偿电路系统设计

滕志刚，朱华辰，白 茹，钱正洪

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

巨磁阻传感器的温度补偿电路系统设计

滕志刚，朱华辰，白 茹，钱正洪

(杭州电子科技大学 电子信息学院，浙江 杭州 310018)

巨磁阻传感器具有灵敏度高、易小型化、能耗低、应用前景广泛等特点，但其灵敏度易受温度的影响，在高性能应用中需进行必要的温度补偿。文中设计针对课题组研制的VA100F3自旋阀巨磁阻传感器灵敏度的温度特性，采用CMOS温度传感器来采集温度信号，并通过模数转换器转变为控制信号，进而调节可调增益放大器的增益，以补偿温度变化所导致的GMR传感器灵敏度的变化，巨磁阻传感器温度补偿前后的灵敏度温度系数分别是2 498 ppm/℃和678 ppm/℃，达到了较好的补偿效果。系统各电路均基于CSMC 0.5 μm Mix-Signal工艺进行设计，可以实现单芯片集成。

巨磁阻传感器；温度补偿；温度传感电路；数据转换电路；可编程仪表放大器

1988年，德国科学家Peter Grunberg和法国科学家Albert Fert分别独立发现了巨磁阻效应(Giant Magneto-Resistance，GMR)，并于2007年共同分享了诺贝尔物理学奖。1994年，美国NVE公司率先实现了GMR传感器的产业化。此后GMR传感器凭借其高灵敏度、小尺寸、低功耗和高稳定性等优势被广泛应用于工业控制、医疗电子、汽车电子、智能电网、智能交通等领域。然而GMR自旋阀传感器的灵敏度会随着温度的升高而降低，在温度变化较大的环境中使用，要达到高精度测量，必须进行温度补偿

补偿系统针对巨磁阻传感器灵敏度的温度特性，将CMOS温度传感器、模数转换器及可调增益放大器等多个模块集成在一起，形成温度自适应的片上电路系统。所有电路均基于CSMC 0.5μm Mix-Signal工艺进行设计，可实现单芯片集成，且补偿前后灵敏度温度系数分别是2 498 ppm/℃和678 ppm/℃，实现了较好的补偿效果。

1 自旋阀传感器芯片

系统针对VA1003F自旋阀传感器灵敏度温度特性进行设计。传感器内部电路是由4个等值的自旋阀材料的电阻R1、R2、R3、R4构成的惠斯通电桥，阻值均为5 kΩ，如图1所示。其中R1和R3被NiFe软磁屏蔽层覆盖，对外磁场不敏感，而R2和R4未覆盖屏蔽层，对外磁场比较敏感。此外，NiFe软磁屏蔽层还作为磁通聚集器，可以放大外磁场对R2和R4的作用。

图1 自旋阀传感器的惠斯通电桥结构

虽然惠斯通电桥结构可以降低传感器的温度漂移，但在环境温度变化较大的情况下，其灵敏度仍会受温度影响。图2为实验测得的巨磁阻传感器芯片在-25～85 ℃范围内的灵敏度变化情况，可由式(1)描述其灵敏度与温度关系

S(T)=[1-CT(T-25)]·S0

(1)

其中，CT是传感器灵敏度变化的温度系数；S0为25 ℃时标定的传感器灵敏度。根据图2所示数据，拟合得到CT为0.002 5/℃，S0=2.15 mV/V/Oe。

图2 传感器灵敏度与温度的关系以及拟合曲线

2 系统研究

2.1 系统的整体结构

电路系统的结构框图如图3所示。对于惠斯通电桥结构的GMR传感器而言，其输出信号的共模电平较大，驱动能力较弱，因此采用共模抑制能力强的仪表放大器来放大传感器的输出信号。该系统采用常规三运放仪表放大器，当R1=R2，R3=R4=R5=R6时，其增益可表示为

(2)

其中，R1为仪表放大器内部增益控制电阻；Rg为仪表放大器外部反馈电阻。系统中还增加了单位反相电路，目的是消去式(2)中的常数项“1”，以使增益控制的设计更为简便。

图3 系统结构框图

温度传感器输出与温度线性相关的电压信号，通过ADC可以转换成控制信号来控制由仪表放大器和可编程电阻阵列组合而成的可编程增益放大器模块，形成温度对增益的自动控制，从而实现GMR传感器的灵敏度补偿。由于数字信号对增益的控制是不连续的，整个温度工作范围会被分为若干个区间，在单个区间内的放大器的增益是固定的。因此理论补偿效果如图4所示。

图4 理论补偿前后灵敏度对比

2.2 补偿方案

该设计采用反相器对三运放仪表放大器增益表达式进行优化，如图5所示，所以输出为

(3)

(4)

GMR传感器的输出信号V(T)与灵敏度 的关系为

V(T)=VDD·B·S(T)

(5)

其中，T是环境温度；VDD为GMR传感器供电电压；B为GMR传感器所探测磁场大小。

由图3及式(2)和式(5)可知，传感器补偿后的输出信号VO可表示为

(6)

A1·S0=S(T)·G′

(7)

其中，A1为一比例系数，A1>0。若令A1=1，可使补偿后的灵敏度等于25 ℃时标定的传感器灵敏度。因此式(7)可表示为

(8)

此外，将式(1)代入式(7)可得

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

(9)

根据式(9)可知，系统中Rg和温度T呈线性关系，因此可将温度区间等分为几段，与Rg一一对应。

图5 仪表放大器增益优化结构图

3 模块实现

3.1 感温模块和模数转换模块

如图6所示，CMOS温度传感器电路根据通有不同电流密度的双极型晶体管的基射级电压差与温度成正比的原理，实现温度的传感功能。其中Q1、Q2基射级电压差全部加在电阻R8两端，在R8上产生PTAT(Proportional to Absolute Temperature,PTAT)电流，并通过电阻R9将此电流转化成PTAT电压[11]。另外，为使图中电流更准确的镜像，采用R9=R10=R11。通过Spectre仿真得到在-40 ～80 ℃的输出电压从1.593～2.390 V。

图6 感温模块电路结构图

感温模块输出的电压信号通过ADC转换成数字信号。该设计采用了8位SAR ADC，其分辨率约为0.02 V。其中D6、D5和D4这3位的信息涵盖了所需补偿的温度范围(-40～80 ℃)，并将其分为5个区间。

3.2 可编程电阻阵列模块设计

可编程电阻阵列如图7所示，所以接入仪表放大器的反馈电阻 可表示为

(10)

其中，D6、D5、D4分别为ADC的输出位。将式(10)代入式(8)可得

(11)

最后可由式(11)分别计算出n1、n2、n3、n4的值。

图7 可编程电阻阵列

需补偿的温度区间(-40～80 ℃)被分为5个温区，且每个温区与模数转换器D6、D5和D4位输出的二进制码(010～110)一一对应。由式(1)计算出标定灵敏度S0与每个温区中间温度对应的灵敏度之比，如表1所示。可编程电阻阵列改变仪表放大器的增益仪G，使其增益满足式(8)，再根据表1中S0/S(T)的值及式(11)可得

(12)

3.3 三运放仪表放大器模块

三运放仪表放大器结构如图3所示。第一级为增益级，加在Rg两端的差分信号经过增益级后以(1+2R1/Rg)的增益系数被放大[13-14]。第二级是输出级，信号经过第二级以(R5/R3)的增益系数被放大。

仪表放大器由3个如图8所示的两级运放构成。此外，在设计中提高两级运放的增益以及内部电阻间的匹配，以补偿由于失配引起仪表放大器CMRR的衰减[15]。

图8 两级运算放大器

4 仿真结果及分析

4.1 可编程电阻阵列仿真

通过设定固定的控制信号对可编程电阻阵列进行仿真，并计算出不同控制信号下仪表放大器的实际增益值，以及实际增益和理论增益值的相对误差，如表2所示。

表2 实际增益与理论增益相的对误差

由于MOS开关管的导通电阻随温度的升高而增大，使得温度升高时，增益相对误差变大。为了减小增益相对误差，可以适当增加MOS开关管的W/L以减小导通电阻的影响。

4.2 三运放仪表放大器仿真

如图5的方式实现仪表放大器增益表达式的优化，且由式(4)可知在Rg→∞时，其增益为0，即输出不再随输入信号的变化而变化。仿真结果如图9所示，由仿真波形图可知仪表放大器的输出信号基本接近不变，即增益为0，满足式(4)。

图9 VREF端接入反向信号仿真图(Rg→∞)

4.3 系统仿真

通过在每个温度区间选取多个温度点进行系统仿真，结果如图10所示。由于数字信号对增益的控制在各个温区之间的不连续，使相邻温区的输出存在跳变。此外，可编程电阻阵列中，开关管电阻随温度的升高而增大，使得补偿后的输出出现随温度升高略微下降的趋势。

图10 系统仿真结果

定义GMR传感器灵敏度温漂系数为

(13)

其中，S(t0)为传感器25 ℃时标定灵敏度。所以根据式(1)和式(13)传感器补偿前的灵敏度温漂系数为2 498 ppm/℃，补偿后的灵敏度温漂系数为678 ppm/℃，灵敏度温漂系数有较明显的减小。

5 结束语

本文针对课题组研制的VA1003F自旋阀传感器温度特性设计了一款温度补偿电路系统。整个电路系统基于CSMC 0.5μm Mix-Signal工艺模型进行设计与仿真。结果表明，补偿前后传感器灵敏度受温度的影响得到明显改善，并且实现了片上电路系统温度灵敏度的自动控制。与传统温度补偿方法相比，有面积小、速度快、集成度高的优点。

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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

国家863计划(2014AA032904)

滕志刚(1990-)，男，硕士研究生。研究方向：模拟集成电路设计。朱华辰(1987-)，男，博士研究生。研究方向：集成磁敏传感器件。白茹(1983-)，女，副研究员。研究方向：纳米磁电子材料等。钱正洪(1967-)，男，教授。研究方向：磁电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