基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路及其应用方法
【专利摘要】本发明公开了基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路及其应用方法，该驱动电路包括磁芯激励部分、磁芯重置部分、信号采样和放大部分、电源部分。采用“对称差分采样”电路结构，消除了由模拟开关或场效应晶体管带来的“电荷注入效应”；通过在金属接收线圈中施加一个电流对磁芯进行重置，从而消除了磁芯的磁滞效应；采用偶数条串联磁芯和对称缠绕方式的金属接收线圈结构，消除了磁芯和接收线圈间的感性耦合效应、降低了激励电流在金属接收线圈上形成的容性耦合效应，从而提高了传感器输出信号的信噪比和线性度；将每一条磁芯切分为若干段等长的小段，能方便控制传感器的磁场检测范围和磁场灵敏度。
【专利说明】基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路及其应用方法
【技术领域】
[0001]本发明属于磁场传感器领域，特别是涉及一种基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器的驱动、信号采集电路及其应用方法。
【背景技术】
[0002]现有技术普遍使用单条(或多条并联)高导磁率非晶丝、非晶薄膜或非晶带作为磁芯，外绕有一个接收线圈或接收线圈+反馈补偿线圈的结构。通过在磁芯上流过一个高频交变电流或高频脉冲电流作为激励，并检测此时接收线圈上的电压信号来感测磁芯长度方向上的外加磁场，接收线圈上的电压信号大小与外加磁场的大小相对应。
[0003]现有技术存在以下不足:
[0004]1.在磁芯上流过一个激励电流时，该电流会在磁芯周围产生一个环绕电流流动方向的磁场，由于接收线圈和该磁场的磁感线不能做到完全平行，两者间存在一个很小的夹角。在激励电流接通或断开的瞬间，由激励电流产生的磁场变化会在接收线圈上产生感性耦合，从而在接收线圈上形成一个感应电压。该感应电压会叠加到最终的输出信号中，造成输出信号失真，并降低输出信号的信噪比。
[0005]2.在现有技术所采用的结构下，由于接收线圈和磁芯之间存在寄生电容，在磁芯上流过一个激励电流时，磁芯与接收线圈间会产生容性耦合，从而在接收线圈上形成一个耦合电压，该电压会叠加到最终的输出信号中，降低输出信号的信噪比甚至造成放大器输出的饱和。
[0006]3.由于非晶丝、非晶薄膜或非晶带磁芯自身的多磁畴结构特性，利用现有技术开发的磁场传感器均具有磁滞效应，即磁芯被外部磁场磁化后，传感器输出会发生偏移的现象。
[0007]4.现有技术采用的峰值电压采样电路使用模拟开关(或场效应晶体管)对接收线圈上的电压信号进行采样，由于模拟开关(或场效应晶体管)存在“电荷注入效应(ChargeInject1n Effect) ”，即:随着模拟开关(或场效应晶体管)的打开或关断，少量电荷会从控制端通过电容耦合至采样信号中，并且电荷的注入量会随接收线圈上的电压信号大小而变化，这使得采样后的电压信号产生失真从而影响到传感器输出的线性度。
【发明内容】
[0008]发明目的:解决上述现有技术中存在的不足，提出一种基于非晶态合金材料的高灵敏度磁场传感器的驱动电路，以提高传感器输出信号的信噪比和线性度，消除磁滞效应。
[0009]技术方案:基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路，包括磁芯激励部分、磁芯重置部分、信号采样和放大部分、电源部分，如图10，
[0010]所述电源部分的VCC为直流电源，其电压范围为+1.8V?+12V ；
[0011]所述磁芯激励部分由第一电阻R1，第一电容Cl，第二开关SW2和第四电阻R4组成，第四电阻R4的一端连接磁场传感器El的磁芯的上输入端子a，磁芯的下输入端子b接地；直流电源通过限流的第一电阻Rl对第一电容Cl进行充电，第一电阻Rl起到限流和隔离的作用，以减小第一电容Cl在充放电时对电源造成的压降影响；第四电阻R4起到限制磁芯电流的作用，目的在于防止磁芯上的电流过大；通过控制第二模拟开关或场效应晶体管的控制端子P2的高低电平可实现第二开关SW2的通断，从而控制磁芯的激励电流的通断；
[0012]所述磁芯重置部分由第二电阻R2，第二电容C2，第三电阻R3，二极管D1，第一开关SW1、第三开关SW3和第四开关SW4组成，第三开关SW3的一端连接磁场传感器El的金属接收线圈的上输出端子c，第四开关SW4的一端连接金属接收线圈的下输出端子d ;
[0013]所述信号米样和放大部分由第五开关SW5和第六开关SW6、第三电容C3和第四电容C4、第五电阻R5和第六电阻R6以及差分放大器或仪表放大器Al组成，所述第五开关SW5、第六开关SW6和第三电容C3、第四电容C4构成对称的采样电路结构，第五开关SW5的一端连接磁场传感器El的金属接收线圈的上输出端子C，第六开关SW6的一端连接金属接收线圈的下输出端子d。
[0014]优选的，电源部分采用VCC为+5V的直流电源；
[0015]所述磁场传感器E1，包括绝缘基板1、高导磁率非晶丝、非晶薄膜或非晶带做成的磁芯2、非磁性导电金属3、结构对称的非磁性金属接收线圈4，在绝缘基板I上放置或加工偶数条上下平行且首尾相连、相互串联的磁芯2，每条磁芯2的左、右两端分别连接一段非磁性导电金属3 ;在串联的磁芯2外部缠绕有一个或一组结构对称的非磁性金属接收线圈4 ;磁芯的上输入端子a、下输入端子b分别连通传感器最上部、最下部两个磁芯2的某一端的非磁性导电金属3并位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d相互靠近并位于传感器的另一侧，如图7或图8所示；
[0016]所述磁芯2具有如图1、图2所示的短轴异向性磁畴结构，磁芯的材料可为钴(CoFeSiBXoFeNiSiB或CoZrB)基非晶材料，或镍(Ni)基非晶材料，或铁(Fe)基非晶材料；非晶薄膜、非晶带的厚度范围为0.0lum?lOOum，非晶丝的直径范围为2um?lOOum，磁芯的长度范围为0.05mm?20mm ;优选的，本发明中采用的是直径为1um的CoFeSiB非晶丝作为磁芯，其长度为0.8mm ；
[0017]所述金属接收线圈4的线圈形式可以是微机电(MEMS)型线圈、普通绕线线圈、金属薄膜型线圈等；
[0018]优选的，将每一条磁芯2切分为若干段等长的小段，每条小段之间使用非磁性导电金属3连通(如图9所示)。
[0019]在磁芯2的长度方向上存在一个外加磁场时，磁畴结构中的磁化方向将发生偏转，如图3、图4所示，此时，在磁芯2上流过一个激励电流，磁芯2中磁畴的磁化方向将被重新沿短轴方向排列，如图5、图6所示，该种排列改变了磁芯2的导磁率μ，并在磁芯2的长轴方向上形成一个磁通量的变化Δ φ，该磁通量的变化被缠绕在磁芯2外部的接收线圈4感测到并转化为一个电压输出信号，该电压输出信号在固定相位的波峰处(或波谷处)的幅值大小与磁芯2长度方向上外加磁场的大小相对应，其极性与外加磁场的方向相对应；
[0020]在磁芯的上输入端子a和下输入端子b间施加一个激励电流时，由于每条磁芯2首尾相连、相互串联，所以相邻上下两条磁芯2的激励电流方向相反，由激励电流流过每条磁芯2所产生的磁场将相互抵消，不会在金属接收线圈4上形成感性耦合，从而增加了输出信号的信噪比，解决了上述现有技术的第“I”点不足；
[0021]采用对称缠绕方式的金属接收线圈和偶数条串联磁芯的结构，使得磁芯的上输入端子a和下输入端子b可以相互靠近位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d可以相互靠近并位于传感器的另一侧，磁芯和接收线圈的两对端子可以尽量远离。这种结构使得激励电流在磁芯上形成的电势差通过容性耦合效应耦合到金属接收线圈4上的影响降到最小，解决了上述现有技术的第“2”点不足；
[0022]优选的，将每一条磁芯2切分为若干段等长的小段，每条小段之间使用非磁性导电金属3连通，通过调整每段磁芯的长度控制其在长度方向上退磁因子的大小，从而达到控制传感器的磁场检测范围和磁场灵敏度的目的；随着每段磁芯长度的缩短，磁芯长度方向上的退磁因子随之增大，磁场检测检测范围变宽、磁场灵敏度变小；反之，磁场检测范围变窄、磁场灵敏度变大(如图9所示);
[0023]在沿磁芯长度方向上施加一个恒定大小的外部磁场时，接收线圈的输出信号幅值随磁芯的条数增加而增大，本发明中采用100匝的普通绕线线圈和四条磁芯的结构(如图8)。
[0024]所述基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路的应用方法，包括:
[0025]I)采用“谐振预驱动”对磁芯进行激励，具体方法为:
[0026]由于接收线圈和磁芯构成了一个具有固定的谐振频率f的电感，通过控制第二模拟开关或场效应晶体管的控制端子P2的高低电平切换频率，使磁芯激励电流的通断频率接近电感的谐振频率f，当两者频率相同时，在金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d间将得到一个最大幅值的输出信号，在信号的峰值或谷值处进行采样后即可控制第二模拟开关或场效应晶体管的控制端子P2为低电平，停止对磁芯进行激励以实现降低功耗的目的；
[0027]本实施例中采用的“谐振预驱动”的谐振频率为6MHz ;
[0028]如图11所示，A为磁芯激励电流的波形，B为金属接收线圈上的输出信号波形，波形中的第①阶段为预驱动阶段，该阶段中金属接收线圈上的输出信号的幅值随激励时间而增大；第②阶段为谐振阶段，该阶段中金属接收线圈上的输出信号的幅值达到最大值，可以在此阶段对接收线圈上的输出信号进行采样；第③阶段为衰减阶段，该阶段磁芯激励停止，金属接收线圈上的输出信号随时间逐渐衰减。
[0029]2)采用将接收线圈复用为“磁芯重置线圈”，进行磁芯重置，方法为:
[0030]通过在金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d间施加一个电流，线圈内部会产生一个平行于磁芯长度方向的磁场，在该磁场的作用下，磁芯会被重新磁化并且其内部的磁畴结构将被重新排列，从而消除了磁芯的磁滞效应，解决了上述现有技术的第“3”点不足；
[0031]具体方法为:先控制第五、第六模拟开关或场效应晶体管的控制端子P4为低电平，断开第五开关SW5和第六开关SW6 ;然后控制第一模拟开关或场效应晶体管的控制端子Pl和第三、第四模拟开关或场效应晶体管的控制端子P3为高电平以接通第一开关SW1、第三开关SW3和第四开关SW4，使电流通过接收线圈并延时0.05us?10us以完成磁芯重置；由于金属接收线圈和磁芯构成了一个类似电感的结构，而电感上的电流是不能发生突变的，为了使其内部的能量得以释放，在磁芯重置完成后需要先控制第一模拟开关或场效应晶体管的控制端子Pi为低电平，断开第一开关SW1，并保持第三、第四模拟开关或场效应晶体管的控制端子P3为高电平，使第三开关SW3、第四开关SW4和二极管Dl构成一个续流回路，在延时0.05us?10us后控制第三、第四模拟开关或场效应晶体管的控制端子P3为低电平以断开第三开关SW3和第四开关SW4 ;
[0032]本实施例中，重置磁芯时的延时时间为10us，重置电流幅值为100mA。
[0033]3)采用“对称差分采样”方法，消除由模拟开关或场效应晶体管带来的“电荷注入效应(Charge Inject1n Effect) ”，解决上述现有技术的第“4”点不足，具体方法为:
[0034]所述第五开关SW5、第六开关SW6和第三电容C3、第四电容C4构成的对称的采样电路结构，对金属接收线圈上的电压信号进行采样时，先控制第一模拟开关或场效应晶体管的控制端子Pl和第三、第四模拟开关或场效应晶体管的控制端子P3为低电平，断开第一开关SW1、第三开关SW3和第四开关SW4;然后控制第五、第六模拟开关或场效应晶体管的控制端子P4为高电平以接通第五开关SW5和第六开关SW6，此时第三电容C3和第四电容C4同时对金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d上的电压信号进行采样；采样完成后控制第四模拟开关或场效应晶体管控制端子P4为低电平以断开第五开关SW5和第六开关SW6 ;差分放大器或仪表放大器Al对第三电容C3和第四电容C4上的电压差进行放大并输出。
[0035]由于第五开关SW5和第六开关SW6的对称性，在开关同时断开后，第五开关SW5和第六开关SW6注入到第三电容C3和第四电容C4的电荷量相等，注入的电荷在第三电容C3和第四电容C4形成的电势变化也相等；基于差分放大器或仪表放大器Al的共模电压抑制特性，第三电容C3和第四电容C4上的等电势变化将不会被差分放大器或仪表放大器Al所放大，从而消除了由模拟开关或场效应晶体管带来的“电荷注入效应(Charge Inject1nEffect) ”及其造成的传感器输出信号失真，提高了传感器输出的线性度；此外，由于差分放大器或仪表放大器Al的输入阻抗很高，采样电路中使用了分压的第五电阻R5和第六电阻R6为接收线圈构成一个电荷流动的路径，以防止接收线圈悬空导致差分放大器或仪表放大器Al输入端的共模输入电压超过其最大输入电压范围；第五电阻R5和第六电阻R6的另一个作用是为差分放大器或仪表放大器Al的输入端提供一个固定的共模偏置电压，使其内部的晶体管工作在放大状态。
[0036]本电路的控制时序示例如图12所示，外加磁场强度和传感器的输出电压关系如图13所示。
[0037]本发明的有益效果:本发明驱动电路采用“对称差分采样”方法，消除了由模拟开关或场效应晶体管带来的“电荷注入效应”;通过在金属接收线圈的上输出端子和下输出端子间施加一个电流，线圈内部产生一个平行于磁芯长度方向的磁场，在该磁场的作用下，磁芯会被重新磁化并且其内部的磁畴结构将被重新排列，从而消除了磁芯的磁滞效应；每条磁芯首尾相连、相互串联，相邻上下两条磁芯的激励电流方向相反，由激励电流流过每条磁芯所产生的磁场将相互抵消，从而不会在金属接收线圈上形成感性耦合，从而增加了输出信号的信噪比；采用对称缠绕方式的金属接收线圈和偶数条串联磁芯的结构，磁芯的两个输入端子相互靠近并位于传感器的一侧，而接收线圈的两个输出端子相互靠近并位于传感器的另一侧，磁芯和接收线圈的两对端子可以尽量远离，使得激励电流在磁芯上形成的电势差通过容性耦合效应耦合到金属接收线圈上的影响降到最小。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1是高导磁率非晶丝磁芯示意图；
[0039]图2是高导磁率非晶薄膜或非晶带磁芯示意图；
[0040]图3是在高导磁率非晶丝磁芯长度方向上存在一个外加磁场时磁畴结构中的磁化方向发生偏转示意图；
[0041]图4是在高导磁率非晶薄膜或非晶带磁芯长度方向上存在一个外加磁场时磁畴结构中的磁化方向发生偏转示意图；
[0042]图5是在高导磁率非晶丝磁芯长度方向上存在一个外加磁场且在磁芯上流过一个反向的激励电流时磁畴结构中的磁化方向发生重置示意图；
[0043]图6是在高导磁率非晶薄膜或非晶带磁芯长度方向上存在一个外加磁场且在磁芯上流过一个反向的激励电流时磁畴结构中的磁化方向发生重置示意图；
[0044]图7是本发明磁场传感器采用微机电型(MEMS)线圈时结构示意图；
[0045]图8是本发明磁场传感器采用普通绕线线圈时结构示意图；
[0046]图9是本发明磁场传感器中每一条磁芯切分为若干段等长的小段时结构示意图；
[0047]图10是本发明磁场传感器的驱动和信号采集电路示意图；
[0048]图11是本发明磁场传感器的磁芯激励电流波形与金属接收线圈上的输出信号波形示意图；
[0049]图12是本发明磁场传感器的驱动和信号采集电路的控制时序示意图；
[0050]图13是本发明磁场传感器的外加磁场强度和传感器的输出电压关系示意图。
【具体实施方式】
[0051]为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。
[0052]实施例:基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路，如图10，所述的驱动和信号采集电路，包括磁芯激励部分、磁芯重置部分、信号采样和放大部分、电源部分，所述电源部分的VCC为直流电源，其电压范围为+1.8V?+12V ；
[0053]所述磁芯激励部分由第一电阻R1，第一电容Cl，第二开关SW2和第四电阻R4组成，第四电阻R4的一端连接磁场传感器El的磁芯的上输入端子a，磁芯的下输入端子b接地；直流电源通过限流的第一电阻Rl对第一电容Cl进行充电，第一电阻Rl起到限流和隔离的作用，以减小第一电容Cl在充放电时对电源造成的压降影响；第四电阻R4起到限制磁芯电流的作用，目的在于防止磁芯上的电流过大；通过控制第二模拟开关或场效应晶体管的控制端子P2的高低电平可实现第二开关SW2的通断，从而控制磁芯的激励电流的通断；
[0054]所述磁芯重置部分由第二电阻R2，第二电容C2，第三电阻R3，二极管D1，第一开关SW1、第三开关SW3和第四开关SW4组成，第三开关SW3的一端连接磁场传感器El的金属接收线圈的上输出端子c，第四开关SW4的一端连接金属接收线圈的下输出端子d ;
[0055]所述信号米样和放大部分由第五开关SW5和第六开关SW6、第三电容C3和第四电容C4、第五电阻R5和第六电阻R6以及差分放大器或仪表放大器Al组成，所述第五开关SW5、第六开关SW6和第三电容C3、第四电容C4构成对称的采样电路结构，第五开关SW5的一端连接磁场传感器El的金属接收线圈的上输出端子C，第六开关SW6的一端连接金属接收线圈的下输出端子d。
[0056]优选的，电源部分采用VCC为+5V的直流电源；
[0057]所述磁场传感器E1，包括绝缘基板1、高导磁率非晶丝、非晶薄膜或非晶带做成的磁芯2、非磁性导电金属3、结构对称的非磁性金属接收线圈4，在绝缘基板I上放置或加工偶数条上下平行且首尾相连、相互串联的磁芯2，每条磁芯2的左、右两端分别连接一段非磁性导电金属3 ;在串联的磁芯2外部缠绕有一个或一组结构对称的非磁性金属接收线圈4 ;磁芯的上输入端子a、下输入端子b分别连通传感器最上部、最下部两个磁芯2的某一端的非磁性导电金属3并位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d相互靠近并位于传感器的另一侧，如图7或图8所示；
[0058]所述磁芯2具有如图1、图2所示的短轴异向性磁畴结构，磁芯的材料可为钴(CoFeSiBXoFeNiSiB或CoZrB)基非晶材料，或镍(Ni)基非晶材料，或铁(Fe)基非晶材料；非晶薄膜、非晶带的厚度范围为0.0lum?lOOum，非晶丝的直径范围为2um?lOOum，磁芯的长度范围为0.05mm?20mm ；
[0059]本实施例中采用的是直径为1um的CoFeSiB非晶丝作为磁芯，其长度为0.8mm ；
[0060]所述金属接收线圈4的线圈形式可以是微机电(MEMS)型线圈、普通绕线线圈、金属薄膜型线圈等；
[0061]本实施例中，将每一条磁芯2切分为若干段等长的小段，每条小段之间使用非磁性导电金属3连通(如图9所示)；
[0062]在磁芯2的长度方向上存在一个外加磁场时，磁畴结构中的磁化方向将发生偏转，如图3、图4所示，此时，在磁芯2上流过一个激励电流，磁芯2中磁畴的磁化方向将被重新沿短轴方向排列，如图5、图6所示，该种排列改变了磁芯2的导磁率μ，并在磁芯2的长轴方向上形成一个磁通量的变化Δ φ，该磁通量的变化被缠绕在磁芯2外部的接收线圈4感测到并转化为一个电压输出信号，该电压输出信号在固定相位的波峰处(或波谷处)的幅值大小与磁芯2长度方向上外加磁场的大小相对应，其极性与外加磁场的方向相对应；在磁芯的上输入端子a和下输入端子b间施加一个激励电流时，由于每条磁芯2首尾相连、相互串联，所以相邻上下两条磁芯2的激励电流方向相反，由激励电流流过每条磁芯2所产生的磁场将相互抵消，不会在金属接收线圈4上形成影响最终输出信号的感应电压，从而增加了输出信号的信噪比，解决了上述现有技术的第“I”点不足；
[0063]采用对称缠绕方式的金属接收线圈和偶数条串联磁芯的结构，使得磁芯的上输入端子a和下输入端子b可以相互靠近并位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d可以相互靠近并位于传感器的另一侧，磁芯和接收线圈的两对端子可以尽量远离。这种结构使得激励电流在磁芯上形成的电势差通过容性耦合效应耦合到金属接收线圈4上的影响降到最小，解决了上述现有技术的第“2”点不足；本实施例将每一条磁芯2切分为若干段等长的小段，每条小段之间使用非磁性导电金属3连通，通过调整每段磁芯的长度控制其在长度方向上退磁因子的大小，从而达到控制传感器的磁场检测范围和磁场灵敏度的目的；随着每段磁芯长度的缩短，磁芯长度方向上的退磁因子随之增大，磁场检测检测范围变宽、磁场灵敏度变小；反之，磁场检测范围变窄、磁场灵敏度变大(如图9所示)；在沿磁芯长度方向上施加一个恒定大小的外部磁场时，接收线圈的输出信号幅值随磁芯的条数增加而增大，本发明中采用100匝的普通绕线线圈和四条磁芯的结构(如图8)。
[0064]所述基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路的应用方法，包括:
[0065]I)采用“谐振预驱动”对磁芯进行激励，具体方法为:
[0066]由于接收线圈和磁芯构成了一个具有固定的谐振频率f的电感，通过控制第二模拟开关或场效应晶体管的控制端子P2的高低电平切换频率，使磁芯激励电流的通断频率接近电感的谐振频率f，当两者频率相同时，在金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d间将得到一个最大幅值的输出信号，在信号的峰值或谷值处进行采样后即可控制第二模拟开关或场效应晶体管的控制端子P2为低电平，停止对磁芯进行激励以实现降低功耗的目的；
[0067]本实施例中采用的“谐振预驱动”的谐振频率为6MHz ;
[0068]如图11所示，A为磁芯激励电流的波形，B为金属接收线圈上的输出信号波形，波形中的第①阶段为预驱动阶段，该阶段中金属接收线圈上的输出信号的幅值随激励时间而增大；第②阶段为谐振阶段，该阶段中金属接收线圈上的输出信号的幅值达到最大值，可以在此阶段对接收线圈上的输出信号进行采样；第③阶段为衰减阶段，该阶段磁芯激励停止，金属接收线圈上的输出信号随时间逐渐衰减。
[0069]2)采用将接收线圈复用为“磁芯重置线圈”，进行磁芯重置，方法为:
[0070]通过在金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d间施加一个电流，线圈内部会产生一个平行于磁芯长度方向的磁场，在该磁场的作用下，磁芯会被重新磁化并且其内部的磁畴结构将被重新排列，从而消除了磁芯的磁滞效应，解决了上述现有技术的第“3”点不足；
[0071]具体方法为:先控制第五、第六模拟开关或场效应晶体管的控制端子P4为低电平，断开第五开关SW5和第六开关SW6 ;然后控制第一模拟开关或场效应晶体管的控制端子Pl和第三、第四模拟开关或场效应晶体管的控制端子P3为高电平以接通第一开关SW1、第三开关SW3和第四开关SW4，使电流通过接收线圈并延时0.05us?10us以完成磁芯重置；由于金属接收线圈和磁芯构成了一个类似电感的结构，而电感上的电流是不能发生突变的，为了使其内部的能量得以释放，在磁芯重置完成后需要先控制第一模拟开关或场效应晶体管的控制端子Pl为低电平，断开第一开关SW1，并保持第三、第四模拟开关或场效应晶体管的控制端子P3为高电平，使第三开关SW3、第四开关SW4和二极管Dl构成一个续流回路，在延时0.05us?10us后控制第三、第四模拟开关或场效应晶体管的控制端子P3为低电平以断开第三开关SW3和第四开关SW4 ;
[0072]本实施例中，重置磁芯时的延时时间为10us，重置电流幅值为100mA。
[0073]3)采用“对称差分采样”方法，消除由模拟开关或场效应晶体管带来的“电荷注入效应(Charge Inject1n Effect) ”，解决上述现有技术的第“4”点不足，具体方法为:
[0074]所述第五开关SW5、第六开关SW6和第三电容C3、第四电容C4构成的对称的采样电路结构，对金属接收线圈上的电压信号进行采样时，先控制第一模拟开关或场效应晶体管的控制端子Pl和第三、第四模拟开关或场效应晶体管的控制端子P3为低电平，断开第一开关SW1、第三开关SW3和第四开关SW4;然后控制第五、第六模拟开关或场效应晶体管的控制端子P4为高电平以接通第五开关SW5和第六开关SW6，此时第三电容C3和第四电容C4同时对金属接收线圈的上输出端子c和下输出端子d上的电压信号进行采样；采样完成后控制第四模拟开关或场效应晶体管控制端子P4为低电平以断开第五开关SW5和第六开关SW6 ;差分放大器或仪表放大器Al对第三电容C3和第四电容C4上的电压差进行放大并输出。
[0075]由于第五开关SW5和第六开关SW6的对称性，在开关同时断开后，第五开关SW5和第六开关SW6注入到第三电容C3和第四电容C4的电荷量相等，注入的电荷在第三电容C3和第四电容C4形成的电势变化也相等；基于差分放大器或仪表放大器Al的共模电压抑制特性，第三电容C3和第四电容C4上的等电势变化将不会被差分放大器或仪表放大器Al所放大，从而消除了由模拟开关或场效应晶体管带来的“电荷注入效应(Charge Inject1nEffect) ”及其造成的传感器输出信号失真，提高了传感器输出的线性度；此外，由于差分放大器或仪表放大器Al的输入阻抗很高，采样电路中使用了分压的第五电阻R5和第六电阻R6为接收线圈构成一个电荷流动的路径，以防止接收线圈悬空导致差分放大器或仪表放大器Al输入端的共模输入电压超过其最大输入电压范围；第五电阻R5和第六电阻R6的另一个作用是为差分放大器或仪表放大器Al的输入端提供一个固定的共模偏置电压，使其内部的晶体管工作在放大状态。
[0076]本电路的控制时序示例如图12所示，外加磁场强度和传感器的输出电压关系如图13所示。
[0077]以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，在发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的系统结构与方法之内。
【权利要求】
1.基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路，包括磁芯激励部分、磁芯重置部分、信号采样和放大部分、电源部分，其特征在于: 所述电源部分的VCC为直流电源，其电压范围为+1.8V?+12V ; 所述磁芯激励部分由第一电阻(Rl)，第一电容(Cl)，第二开关(SW2)和第四电阻(R4)组成，第四电阻(R4)的一端连接磁场传感器(El)的磁芯的上输入端子(a)，磁芯的下输入端子(b)接地；直流电源通过限流的第一电阻(Rl)对第一电容(Cl)进行充电，第一电阻(Rl)起到限流和隔离的作用，以减小第一电容(Cl)在充放电时对电源造成的压降影响；第四电阻(R4)起到限制磁芯电流的作用，目的在于防止磁芯上的电流过大；通过控制第二模拟开关或场效应晶体管的控制端子(P2)的高低电平可实现第二开关(SW2)的通断，从而控制磁芯的激励电流的通断； 所述磁芯重置部分由第二电阻(R2)，第二电容(C2)，第三电阻(R3)，二极管(D1)，第一开关(SWl)、第三开关(SW3)和第四开关(SW4)组成，第三开关(SW3)的一端连接磁场传感器(El)的金属接收线圈的上输出端子(c)，第四开关(SW4)的一端连接金属接收线圈的下输出端子(d)； 所述信号米样和放大部分由第五开关(SW5)和第六开关(SW6)、第三电容(C3)和第四电容(C4)、第五电阻(R5)和第六电阻(R6)以及差分放大器或仪表放大器(Al)组成，所述第五开关(SW5)、第六开关(SW6)和第三电容(C3)、第四电容(C4)构成对称的采样电路结构，第五开关(SW5)的一端连接磁场传感器(El)的金属接收线圈的上输出端子(c)，第六开关(SW6)的一端连接金属接收线圈的下输出端子(d)。
2.根据权利要求1所述的基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路，其特征在于: 所述磁场传感器(El)，包括绝缘基板(I)、高导磁率非晶丝、非晶薄膜或非晶带做成的磁芯(2)、非磁性导电金属(3)、结构对称的非磁性金属接收线圈(4)，在绝缘基板(I)上放置或加工偶数条上下平行且首尾相连、相互串联的磁芯(2)，每条磁芯(2)的左、右两端分别连接一段非磁性导电金属(3);在串联的磁芯(2)外部缠绕有一个或一组结构对称的非磁性金属接收线圈(4);磁芯的上输入端子(a)、下输入端子(b)分别连通传感器最上部、最下部两个磁芯(2)的某一端的非磁性导电金属(3)并位于传感器的一侧，而金属接收线圈的上输出端子(c)和下输出端子(d)相互靠近并位于传感器的另一侧。
3.根据权利要求2所述的基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路，其特征在于: 所述磁芯(2)具有短轴异向性磁畴结构，磁芯的材料可为钴基非晶材料，或镍基非晶材料，或铁基非晶材料；非晶薄膜、非晶带的厚度范围为0.0lum?lOOum，非晶丝的直径范围为2um?lOOum，磁芯的长度范围为0.05mm?20_。
4.根据权利要求3所述的基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路，其特征在于:采用100匝的普通绕线线圈和四条磁芯的结构；将每一条磁芯(2)切分为若干段等长的小段，每条小段之间使用非磁性导电金属⑶连通:采用直径为1um的CoFeSiB非晶丝作为磁芯(2)，其长度为0.8mm。
5.根据权利要求1至5任意一种所述基于非晶态合金材料的磁场传感器的驱动电路的应用方法，包括: 1)采用“谐振预驱动”对磁芯进行激励，具体方法为: 由于接收线圈和磁芯构成了一个具有固定的谐振频率f的电感，通过控制第二模拟开关或场效应晶体管的控制端子(P2)的高低电平切换频率，使磁芯激励电流的通断频率接近电感的谐振频率f，当两者频率相同时，在金属接收线圈的上输出端子(c)和下输出端子(d)间将得到一个最大幅值的输出信号，在信号的峰值或谷值处进行采样后即可控制第二模拟开关或场效应晶体管的控制端子(P2)为低电平，停止对磁芯进行激励以实现降低功耗的目的； 2)采用将接收线圈复用为“磁芯重置线圈”，进行磁芯重置，方法为: 通过在金属接收线圈的上输出端子(c)和下输出端子⑷间施加一个电流，线圈内部会产生一个平行于磁芯长度方向的磁场，在该磁场的作用下，磁芯会被重新磁化并且其内部的磁畴结构将被重新排列，从而消除了磁芯的磁滞效应: 具体方法为:先控制第五、第六模拟开关或场效应晶体管的控制端子(P4)为低电平，断开第五开关(SW5)和第六开关(SW6);然后控制第一模拟开关或场效应晶体管的控制端子(Pl)和第三、第四模拟开关或场效应晶体管的控制端子(P3)为高电平以接通第一开关(Sffl)、第三开关(SW3)和第四开关(SW4)，使电流通过接收线圈并延时0.05us?10us以完成磁芯重置；由于金属接收线圈和磁芯构成了一个类似电感的结构，而电感上的电流是不能发生突变的，为了使其内部的能量得以释放，在磁芯重置完成后需要先控制第一模拟开关或场效应晶体管的控制端子(PD为低电平，断开第一开关(SWl)，并保持第三、第四模拟开关或场效应晶体管的控制端子(P3)为高电平，使第三开关(SW3)、第四开关(SW4)和二极管(Dl)构成一个续流回路，在延时0.05us?10us后控制第三、第四模拟开关或场效应晶体管的控制端子(P3)为低电平以断开第三开关(SW3)和第四开关(SW4); 3)采用“对称差分采样”方法，消除由模拟开关或场效应晶体管带来的“电荷注入效应，具体方法为: 所述第五开关(SW5)、第六开关(SW6)和第三电容(C3)、第四电容(C4)构成的对称的采样电路结构，对金属接收线圈上的电压信号进行采样时，先控制第一模拟开关或场效应晶体管的控制端子(Pl)和第三、第四模拟开关或场效应晶体管的控制端子(P3)为低电平，断开第一开关(SWl)、第三开关(SW3)和第四开关(SW4);然后控制第五、第六模拟开关或场效应晶体管的控制端子(P4)为高电平以接通第五开关(SW5)和第六开关(SW6)，此时第三电容(C3)和第四电容(C4)同时对金属接收线圈的上输出端子(c)和下输出端子⑷上的电压信号进行采样；采样完成后控制第四模拟开关或场效应晶体管控制端子(P4)为低电平以断开第五开关(SW5)和第六开关(SW6);差分放大器或仪表放大器(Al)对第三电容(C3)和第四电容(C4)上的电压差进行放大并输出。
【文档编号】G01R33/05GK104459571SQ201410789367
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月17日 优先权日:2014年12月17日
【发明者】王国安 申请人:王国安