[發(fā)明專利]惠斯通電橋裝置及其調(diào)試方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310685114.X
• 申請(qǐng)日: 2013-12-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103616919A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葛康康
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 杭州士蘭微電子股份有限公司
• 主分類號(hào): G05F1/56
• 分類號(hào): G05F1/56
• 代理公司: 上海思微知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 31237
• 代理人: 鄭瑋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電子電路技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種惠斯通電橋裝置及其調(diào)試方法。

背景技術(shù)

惠斯通電橋廣泛應(yīng)用于磁傳感器和壓力傳感器等傳感器中，它的差分結(jié)構(gòu)可以用來(lái)提高器件的分辨率和靈敏度，減小溫度系數(shù)影響。但它的四個(gè)電阻由于制作工藝的偏差，不能做的完全匹配，這個(gè)不匹配所引起的誤差會(huì)導(dǎo)致傳感器檢測(cè)能力下降。

以各向異性磁阻（AMR）的惠斯通電橋在磁傳感器中的應(yīng)用為例：假設(shè)在無(wú)外部磁場(chǎng)情況下，惠斯通電橋的失調(diào)電壓（由于制造和不匹配等原因引起）為12mV；在地球磁場(chǎng)（0.5高斯）下，由地球磁場(chǎng)引起的惠斯通電橋輸出電壓為1mV；惠斯通電橋的輸出電壓為30mV時(shí)，ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）的輸出飽和。所以，正常情況下，飽和磁場(chǎng)可以測(cè)到接近15高斯；而在有失調(diào)電壓存在的情況下，飽和磁場(chǎng)只能測(cè)到接近9高斯，此時(shí)惠斯通電橋總的輸出電壓為30mV，包括惠斯通電橋的失調(diào)電壓12mV和外部9高斯磁場(chǎng)引起的輸出電壓18mV，失調(diào)電壓占了總輸出電壓的40%。惠斯通電橋的失調(diào)電壓引起的熱漂移會(huì)進(jìn)一步降低磁傳感器的檢測(cè)能力。

具體的，請(qǐng)參考圖1，其為惠斯通電橋的電路圖。如圖1所示，電阻R1～R4是各向異性磁阻，其中，電阻R1和R2構(gòu)成了II臂，電阻R3和R4構(gòu)成了I臂。通過(guò)控制磁化方向和電流方向，可以使惠斯通電橋單臂上的兩個(gè)電阻在磁場(chǎng)作用下的磁阻效應(yīng)變化趨勢(shì)相反（如R1減小，R2增大），而雙臂同一位置上的兩個(gè)電阻變化趨勢(shì)也相反（如R1減小，R3增大）。

其中，在有外部磁場(chǎng)的情況下：假設(shè)R1=R2=R3=R4=R,Vb為橋電壓，ΔR為由外部磁場(chǎng)引起的電阻變化量。無(wú)失調(diào)電壓存在時(shí)，

I臂：V₀₊=V_b[(R+ΔR)/2R]

II臂：V_0-=V_b[(R-ΔR)/2R]

V_out=V₀₊-V_0-=V_b{[(R+ΔR)/2R]-[(R-ΔR)/2R]}＝V_b(ΔR/R)

有失調(diào)電壓V_OS存在時(shí)，

Vout=V_b(△R/R)+V_OS

這個(gè)惠斯通電橋的失調(diào)電壓在使用過(guò)程中都保持不變，因此在制造完成后只需補(bǔ)償一次。傳統(tǒng)的消除這個(gè)失調(diào)電壓的方法主要包括：燒斷電阻方法及開(kāi)關(guān)電容方法等。

請(qǐng)參考圖2，其為通過(guò)燒斷電阻方法消除失調(diào)電壓的電路原理圖。具體的，在無(wú)外部磁場(chǎng)情況下，通過(guò)并聯(lián)一個(gè)或多個(gè)燒斷電阻到惠斯通電橋的輸出端和電源之間，以重新使惠斯通電橋平衡。為了減小燒斷電阻的數(shù)量，首先要找到惠斯通電橋的四個(gè)電阻中最大的電阻。通過(guò)一個(gè)自動(dòng)測(cè)試裝置（ATE）找到大的輸出端，然后并聯(lián)上一個(gè)計(jì)算出來(lái)的燒斷電阻。這種方法的不足之處是需要在四個(gè)位置都放置燒斷電阻，而且還要有一個(gè)大的變化量。

請(qǐng)參考圖3，其為通過(guò)開(kāi)關(guān)電容方法消除失調(diào)電壓的電路原理圖。具體的，通過(guò)在放大器輸入端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)的電壓來(lái)消除惠斯通電橋的失調(diào)電壓。如果惠斯通電橋有一個(gè)10mV的失調(diào)電壓，通過(guò)調(diào)整（trimming）電阻產(chǎn)生一個(gè)反向電流，相當(dāng)于在惠斯通電橋的輸出端產(chǎn)生一個(gè)V_b/2-10mV的電壓，用來(lái)消除失調(diào)電壓。此種方法的缺點(diǎn)是電阻匹配度低，導(dǎo)致調(diào)節(jié)精度有限。

傳統(tǒng)的消除惠斯通電橋中電阻不匹配引起誤差的方法都較為復(fù)雜，因此提出一種新的、較簡(jiǎn)便的方法消除惠斯通電橋中電阻不匹配引起誤差的方法成了本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種惠斯通電橋裝置及其調(diào)試方法，以解決現(xiàn)有的消除惠斯通電橋中電阻不匹配引起誤差的方法較為復(fù)雜或者精度有限的問(wèn)題。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種惠斯通電橋裝置，所述惠斯通電橋裝置包括：惠斯通電橋；及與所述惠斯通電橋的電源端和輸出端相連接的電流源組；所述電流源組包括多個(gè)電流源，每個(gè)電流源的一端各通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)元件與電源端連接，每個(gè)電流源的另一端共同通過(guò)兩個(gè)正、負(fù)開(kāi)關(guān)分別與正、負(fù)輸出端連接。

可選的，在所述的惠斯通電橋裝置中，所述多個(gè)電流源輸出的電流以二進(jìn)制比例增加。

可選的，在所述的惠斯通電橋裝置中，連接于電流源和電源端的開(kāi)關(guān)元件均受控于寄存器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器；正、負(fù)開(kāi)關(guān)均受控于比較器。

本發(fā)明還提供一種惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法，所述惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法包括：