[发明专利]一种基于电流输出模式的四相旋转电流电路和方法

权利要求书

1.一种基于电流输出模式的四相旋转电流失调消除方法，其特征在于四端口霍尔器件采用电流偏置/电流输出的工作模式，四相旋转电流失调消除操作分为以下两个二相旋转电流操作：

(1)第一次二相旋转电流，即四相旋转电流的第一和第二相，输出的霍尔电流I_h极性相同，假定同为正向，而失调电流信号I_op的极性相反变化，这一对霍尔和失调电流信号同时送到积分放大器进行电流-电压的转换，在输入电流信号转换电压信号的过程中，极性相反的失调信号彼此抵消，得到正向输出的霍尔电压和第一次二相旋转电流后的残余失调，接着被相关双采样电路进行第一次采样/保持；

(2)第二次二相旋转电流，即四相旋转电流的第三和第四相，输出的霍尔电流I_h同为反向的极性，而失调电流信号I_op的极性仍然相反变化，同样在进行电流积分转换为电压的过程中极性相反的失调信号彼此抵消，而得到反向输出的霍尔电压和第二次二相旋转电流后的残余失调，同样，在时钟的控制下，该反向输出的霍尔电压和第二次二相旋转电流后的残余失调 被相关双采样电路进行第二次采样，于是相关双采样电路用第二次采样结果减去第一次采样结果，从而获得四倍的霍尔电压输出，最后通过低通滤波器消除高次谐波分量，输出低频霍尔信号，同时获得极低的残余失调；

所述四相旋转电流的具体操作方法如下：

(1)第一相旋转电流：当四相顺序时钟信号clk1高电平有效时，NMOS开关管M1、M8、M11、M14导通，其余NMOS开关管关断，偏置电流I_bias从霍尔器件的a端口流入，然后从c端口流出，霍尔器件端口b和d之间输出差分霍尔电流的极性I_h为正，输出差分失调电流I_op1的极性为正，所以第一相旋转电流输出差分电流信号为(I_h+I_op1)；

(2)第二相旋转电流：当四相顺序时钟信号clk2高电平有效时，NMOS开关管M2、M7、M10、M15导通，其余NMOS开关管关断，偏置电流I_bias从霍尔器件的b端口流入，然后从d端口流出，霍尔器件端口c和a之间输出差分霍尔电流的I_h极性为正，输出差分失调电流I_op2的极性为负，所以第二相旋转电流输出差分电流信号为(I_h-I_op2)；

(3)第三相旋转电流：当四相顺序时钟信号clk3高电平有效时，NMOS开关管M4、M5、M12、M13导通，其余NMOS开关管关断，偏置电流I_bias从霍尔器件的c端口流入，然后从a端口流出，霍尔器件端口b和d之间输出差分霍尔电流的极性I_h为负，输出差分失调电流I_op3的极性为负，所以第三相旋转电流输出差分电流信号为(-I_h-I_op3)；

(4)第四相旋转电流：当四相顺序时钟信号clk4高电平有效时，NMOS开关管M3、M6、M9、M16导通，其余NMOS开关管关断，偏置电流I_bias从霍尔器件的d端口流入，然后从b端口流出，霍尔器件端口c和a之间输出差分霍尔电流的I_h极性为负，输出差分失调电流I_op4的极性为正，所以第四相旋转电流输出差分电流信号为(-I_h+I_op4)；

所述电流输出模式的四相旋转电流失调消除的具体步骤如下：

(1)第一次二相旋转电流和电流积分操作阶段：

当四相顺序时钟信号clk1高电平有效时，进行第一相旋转电流操作，输出差分电流信号为(I_h+I_op1)；当四相顺序时钟信号clk2高电平有效时，进行第二相旋转电流操作，输出差分电流信号为(I_h-I_op2)，在进行第一相和第二相旋转电流时，即在第一次二相旋转电流期间，输入积分定时信号clk_S高电平有效时，电流积分放大器的两个MOS管开关K1和K2导通，第一相和第二相旋转电流输出的差分霍尔电流和失调电流送入电流积分放大器进行电流到电压信号的转换，由于第一相和二相旋转电流输出的霍尔电流极性同为正，而失调电压极性相反变化，送入电流积分器后失调电压互相抵消，而霍尔电压相互叠加，得到的输出霍尔电压为V_1,2＝2V_h+△V_op1,2，其中V_h为霍尔电流I_h积分放大后输出的霍尔电压，△V_op1,2为第一相和第二相旋转电流后的失调电流经过积分后的残余失调电压，此时相关双采样电路(CDS)的时钟控制信号clk_c1高电平有效时，相关双采样器对电流积分放大器得得输出电压进行第一次采样并保持，随后积分电容清零信号clk_R高电平有效时，电流积分放大器的两个MOS管开关K3和K4导通，积分电容C上的电压清零，等待第二次二相旋转电流和电流积分操作；

(2)第二次二相旋转电流和电流积分操作阶段：

当四相顺序时钟信号clk3高电平有效时，进行第三相旋转电流操作，输出差分电流信号为(-I_h-I_op3)；当四相顺序时钟信号clk4高电平有效时，进行第四相旋转电流操作，输出差分电流信号为(-I_h-I_op4)，在进行第三相和第四相旋转电流时，即在第二次二相旋转电流期间，输入积分定时信号clk_S高电平有效时，电流积分放大器的两个MOS管开关K1和K2导通，第三相和第四相旋转电流输出的霍尔电流和失调电流送入电流积分放大器进行电流到电压信号的转换，由于第三相和四相旋转电流输出的霍尔电流极性同为负，而失调电压极性相反变化，送入电流积分器后失调电压互相抵消，而霍尔电压相互叠加，得到的输出霍尔电压为V₃,₄＝-2V_h+△V_op3,4，其中V_h为霍尔电流I_h积分放大后输出的霍尔电压，△V_op3,4为第三相和第四相旋转电流后的失调电流经过积分后的残余失调电压，此时相关双采样电路的时钟控制信号clk_c2高电平有效时，相关双采样电路进行第二次采样；

(3)相关双采样解调和保持阶段：

相关双采样电路用第二次采样后的电压值V_3,4再减去第一次采样/保持的电压值V_1,2，得到电压信号为V_out＝V_3,4-V_1,2＝-4V_h+(△V_op1,2-△V_op3,4)，采样/保持器在时钟信号clk_c2控制对该电压信号V_out＝V_3,4-V_1,2＝-4V_h+(△V_op1,2-△V_op3,4)进行采样并保持，输出解调后的霍尔电压信号，随后积分电容清零信号clk_R高电平有效时，电流积分放大器的两个MOS管开关K3和K4导通，积分电容C上的电压清零，等待下一次动态失调消除操作；

(4)低通滤波阶段：

将上述相关双采样解调和保持后的霍尔电压信号送入低通滤波器将高次谐波滤波，最后输出放大后的霍尔电压信号。

2.一种可以实现权利要求1所述的基于电流输出模式的四相旋转电流失调消除方法的电路，其特征在于该电路包括四相旋转电流调制器、电流积分放大器、相关双采样解调器、采样/保持器、低通滤波器和时钟信号产生电路。