[發明專利]自動增益控制系統及方法

有效

• 申請號: 202011103936.9
• 申請日: 2020-10-15
• 公開（公告）號: CN112187200B
• 公開（公告）日: 2022-10-14
• 發明（設計）人: 陸游
• 申請（專利權）人: 上海麥歌恩微電子股份有限公司
• 主分類號: H03G3/20
• 分類號: H03G3/20
• 代理公司: 上海金盛協力知識產權代理有限公司 31242
• 代理人: 王松

本發明揭示了一種自動增益控制系統及方法，所述自動增益控制系統包括：第一霍爾器件、第二霍爾器件、第一儀表放大器、第二儀表放大器、第一可變增益放大器、第二可變增益放大器、第一模數轉換器、第二模數轉換器、計算電路、檢測電路及自動增益控制電路。本發明提出的自動增益控制系統及方法，可以滿足霍爾角度傳感器和編碼器在小角度應用場景下的自動增益控制，同時自動辨別霍爾角度傳感器是因為檢測到按鍵操作還是因為環境變化(包括溫度、應力、磁鐵特性等)而引起的信號強度變化，從而決定信號鏈路是否需要進行增益調節，避免自動增益控制功能與按鍵檢測功能的相互沖突。

技術領域

本發明屬于電子信息技術領域，涉及一種增益控制系統，尤其涉及一種自動增益控制系統及方法。

背景技術

磁傳感器是把磁場、電流、應力應變、溫度、光等外界因素引起敏感元件磁性能變化轉換成電信號，以這種方式來檢測相應物理量的器件。磁傳感器的應用十分廣泛，已在國民經濟、國防建設、科學技術、醫療衛生等領域都發揮著重要作用，其中角度傳感器、編碼器等產品是磁傳感技術的重要組成部分。霍爾器件屬于比較常見的一種磁敏感元件，是一種利用霍爾效應的固態電子器件，用硅外延或者離子注入方法制造的薄膜霍爾器件可以與標準的CMOS工藝兼容，因其具有尺寸小、成本低、便于大規模生產等優點而被越來越廣泛地應用。

目前，市面上主流的磁角度傳感器和磁編碼器產品根據磁敏感元件類型可以分為兩大類：基于磁阻技術的角度傳感器和編碼器和基于霍爾技術的角度傳感器和編碼器。對于前者，磁阻在較小的外部磁場下(幾百Gs左右)就能飽和并提供較大的信號幅度(幾十到幾百mV量級)，因此基于磁阻技術的角度傳感器和編碼器在較小的外部磁場下就可以提供較高的信噪比；并且工作在飽和區的磁阻的輸出信號幅度幾乎與外界磁場強度無關，因此可以簡化傳感器芯片模擬前端設計；但是由于磁阻工藝和標準的CMOS工藝不兼容，需要額外的制造工序，因此其制造周期更長，成本更高。對于后者，在較小的外部磁場下(幾百Gs左右)霍爾器件能提供的信噪比要低一些；并且由于霍爾器件在很寬的磁場強度范圍內仍具有線性關系，因此傳感器芯片的模擬前端需要增加自動增益控制(AGC)以適應不同磁場強度的應用，增加了設計復雜度；但是，可以利用霍爾器件“在很寬的磁場強度范圍內仍具有線性關系”這一特點，在角度傳感器和編碼器產品的基礎上集成更多的功能(如垂直于芯片方向的位置檢測功能，例如按鍵檢測等)，實現更高的集成度；同時，基于霍爾技術的角度傳感器和編碼器芯片因其具有更低的成本而得到市場越來越多的青睞。

圖1所示為按鍵檢測霍爾角度傳感器和編碼器芯片的功能框圖：霍爾器件(HP)將外界磁場強度信號轉換為電壓信號，經過儀表放大器(IA)和可變增益放大器(PGA)放大，送入模數轉換器(ADC)轉成數字信號；兩條信號鏈路分別用來檢測磁場強度在X軸和Y軸方向上的分量，得到數字信號DX和DY，并利用數字信號處理的CORDIC算法算出當前外界磁場的角度(ANG_OUT)，同時得到信號幅度(AMP_OUT)信息；最后根據信號強度的變化判斷是否存在按鍵操作。圖2所示為按鍵檢測霍爾角度傳感器和編碼器芯片的典型應用，磁鐵放置于芯片正上方：旋轉磁鐵，芯片的角度輸出跟隨鐵磁的旋轉角度；按壓磁鐵達到一定行程，芯片的按鍵檢測輸出給出響應。

前文提到霍爾器件在很寬的磁場強度范圍內仍具有線性關系，并且其靈敏度受環境(包括溫度、應力等等)影響較大，因此傳感器芯片模擬前端需要做自動增益控制(AGC)。如圖3所示為傳統的信號鏈路自動增益控制系統：可變增益放大器(PGA)將信號放大后送入模數轉換器(ADC)，得到數字信號DO，利用信號幅度檢測(AMP_DET)模塊檢測信號幅度，并送入自動增益控制(AGC)模塊計算合適的PGA增益控制字PGA_CODE，實現閉環控制。這里AMP_DET通常是檢測信號的峰峰值或者有效值，不論檢測哪種值都要求系統的輸入信號超過一個完整的周期，但是角度傳感器和編碼器產品的實際應用并不總是滿足這個條件，很多時候角度傳感器和編碼器的信號只是在很小的角度范圍內波動，這個時候傳統的AGC是無法滿足要求的。另外，磁鐵被按壓達到一定行程之后，芯片檢測到的信號強度變大，此時傳統的AGC會主動降低信號鏈路的增益以減小信號強度，這樣的話就會直接影響按鍵檢測功能的實現。