惠斯通電橋裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了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電流源，每個電流源的一端各通過一個開關(guān)元件與電源端連接，每個電流源的另一端共同通過兩個正、負(fù)開關(guān)分別與正、負(fù)輸出端連接。在本實(shí)用新型提供的惠斯通電橋裝置中，通過調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流，使得惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端所輸出的電壓相等或者基本相等，由此，能夠十分方便地消除/基本消除惠斯通電橋中電阻不匹配引起的誤差（即失調(diào)電壓）。
【專利說明】惠斯通電橋裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電子電路【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種惠斯通電橋裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]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。但它的四個電阻由于制作工藝的偏差，不能做的完全匹配，這個不匹配所引起的誤差會導(dǎo)致傳感器檢測能力下降。
[0003]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)在無外部磁場情況下，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(0.5高斯)下，由地球磁場引起的惠斯通電橋輸出電壓為ImV ;惠斯通電橋的輸出電壓為30mV時，ADC (模數(shù)轉(zhuǎn)換器)的輸出飽和。所以，正常情況下，飽和磁場可以測到接近15高斯；而在有失調(diào)電壓存在的情況下，飽和磁場只能測到接近9高斯，此時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高斯磁場引起的輸出電壓18mV，失調(diào)電壓占了總輸出電壓的40%?；菟雇姌虻氖д{(diào)電壓引起的熱漂移會進(jìn)一步降低磁傳感器的檢測能力。
[0004]具體的，請參考圖1，其為惠斯通電橋的電路圖。如圖1所示，電阻Rl?R4是各向異性磁阻，其中，電阻Rl和R2構(gòu)成了 II臂，電阻R3和R4構(gòu)成了 I臂。通過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電阻在磁場作用下的磁阻效應(yīng)變化趨勢相反(如Rl減小，R2增大)，而雙臂同一位置上的兩個電阻變化趨勢也相反(如Rl減小，R3增大)。
[0005]其中，在有外部磁場的情況下:假設(shè)R1=R2=R3=R4=R，Vb為橋電壓，Λ R為由外部磁場引起的電阻變化量。無失調(diào)電壓存在時，
[0006]I 臂:V=Vb [ (R+ Δ R) /2R]
[0007]11 臂:V0_=Vb [ (R- Δ R) /2R]
[0008]Vout=V0+-V0_=Vb {[(R+Δ R) /2R]-[(R-Δ R) /2R]} = Vb ( Λ R/R)
[0009]有失調(diào)電壓Vffi存在時，
[0010]Vout=Vb ( Δ R/R) +Vos
[0011]這個惠斯通電橋的失調(diào)電壓在使用過程中都保持不變，因此在制造完成后只需補(bǔ)償一次。傳統(tǒng)的消除這個失調(diào)電壓的方法主要包括:燒斷電阻方法及開關(guān)電容方法等。
[0012]請參考圖2，其為通過燒斷電阻方法消除失調(diào)電壓的電路原理圖。具體的，在無外部磁場情況下，通過并聯(lián)一個或多個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電阻中最大的電阻。通過一個自動測試裝置(ATE)找到大的輸出端，然后并聯(lián)上一個計(jì)算出來的燒斷電阻。這種方法的不足之處是需要在四個位置都放置燒斷電阻，而且還要有一個大的變化量。
[0013]請參考圖3，其為通過開關(guān)電容方法消除失調(diào)電壓的電路原理圖。具體的，通過在放大器輸入端產(chǎn)生一個負(fù)的電壓來消除惠斯通電橋的失調(diào)電壓。如果惠斯通電橋有一個IOmV的失調(diào)電壓,通過調(diào)整(trimming)電阻產(chǎn)生一個反向電流,相當(dāng)于在惠斯通電橋的輸出端產(chǎn)生一個Vb/2-10mV的電壓，用來消除失調(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。
[0014]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)人員亟待解決的問題。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0015]本實(shí)用新型的目的在于提供一種惠斯通電橋裝置，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題。
[0016]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型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電流源，每個電流源的一端各通過一個開關(guān)元件與電源端連接，每個電流源的另一端共同通過兩個正、負(fù)開關(guān)分別與正、負(fù)輸出端連接。
[0017]可選的，在所述的惠斯通電橋裝置中，所述多個電流源為輸出的電流以二進(jìn)制比例增加的電流源。
[0018]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關(guān)元件均受控于寄存器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器；正、負(fù)開關(guān)均受控于比較器。
[0019]在本實(shí)用新型提供的惠斯通電橋裝置中，通過調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流，使得惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端所輸出的電壓相等或者基本相等，由此，能夠十分方便地消除/基本消除惠斯通電橋中電阻不匹配引起的誤差(即失調(diào)電壓)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是惠斯通電橋的電路圖；
[0021]圖2是通過燒斷電阻方法消除失調(diào)電壓的電路原理圖；
[0022]圖3是通過開關(guān)電容方法消除失調(diào)電壓的電路原理圖；
[0023]圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例的惠斯通電橋裝置的電路圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本實(shí)用新型提出的惠斯通電橋裝置作進(jìn)一步詳細(xì)說明。根據(jù)下面說明和權(quán)利要求書，本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)和特征將更清楚。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本實(shí)用新型實(shí)施例的目的。
[0025]請參考圖4，其為本實(shí)用新型實(shí)施例的惠斯通電橋裝置的電路圖。如圖4所示，所述惠斯通電橋裝置包括:惠斯通電橋10 ;及與所述惠斯通電橋10的電源端VCC和輸出端Vo+Λν相連接的電流源組11;所述電流源組11包括多個電流源，每個電流源的一端各通過一個開關(guān)元件與電源端連接，每個電流源的另一端共同通過兩個正、負(fù)開關(guān)分別與正、負(fù)輸出端連接。[0026]具體的，所述電流源組包括n+1個電流源(其中n+1為自然數(shù))，分別為電流源10……電流源1?，其中，電流源Itl~In的一端分別通過開關(guān)元件Ktl~Kn與電源端VCC連接；電流源I。~In的均通過兩個正開關(guān)K+和負(fù)開關(guān)K-分別與正輸出端VO+和負(fù)輸出端VO-連接。在此，電流源Itl~In與正開關(guān)K+和負(fù)開關(guān)K-的連接，通過如下方式予以實(shí)現(xiàn):電流源1(1~In均與一連接點(diǎn)連接，所述連接點(diǎn)與正開關(guān)K+和負(fù)開關(guān)K-連接。
[0027]在本實(shí)施例中，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件(即開關(guān)元件Ktl~Kn)均受控于寄存器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器；正開關(guān)K+和負(fù)開關(guān)K-均受控于比較器。以開關(guān)元件Ktl-Kn受控于一個八位寄存器為例，假設(shè)電流源組11中包括八個電流源，可通過八位寄存器和比較器控制該八個電流源是否將電流輸出以及輸出至正輸出端Vtl+還是負(fù)輸出端Vp具體的，首先，通過比較器比較正輸出端Vtl+和負(fù)輸出端Vtl-的電壓，如果νρνο-，則連接到Vtl+的正開關(guān)K+關(guān)斷，連接到Vtl-的負(fù)開關(guān)K-導(dǎo)通；反之，則相反。然后，根據(jù)二進(jìn)制算法，先通過寄存器把控制最大電流的開關(guān)打開，若輸出結(jié)果跟第一次比較結(jié)果一致，則把次大電流的開關(guān)打開，否則，把最大電流的開關(guān)關(guān)斷，把次大電流的開關(guān)打開。根據(jù)逐次逼近原理，得到最接近零失調(diào)電壓的開關(guān)結(jié)果。其中多個電流源輸出的電流以二進(jìn)制比例增加，假如Itl=IREF,則In=2n*IREF，其中，IREF為一恒定電流源，其可由裝置內(nèi)部電路產(chǎn)生，不隨電源電壓變化而變化，其溫度系數(shù)很小。
[0028]在上述的惠斯通電橋裝置中，通過調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流，便可使得惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端所輸出的電壓相等或者基本相等，由此，能夠十分方便地消除/基本消除惠斯通電橋中電阻不匹配引起的誤差(即失調(diào)電壓)。
[0029]進(jìn)一步的，本實(shí)施例還提供了一種惠斯通電橋裝置的調(diào)試方法，具體包括:
[0030]提供一惠斯通電橋裝置，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電流源，每個電流源的一端各通過一個開關(guān)元件與電源端連接，每個電流源的另一端共同通過兩個正、負(fù)開關(guān)分別與正、負(fù)輸出端連接；
[0031]調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流，使得惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端所輸出的電壓相等或者基本相等。
[0032]進(jìn)一步的，在調(diào)節(jié)電流源組輸出的電流之前，還包括:獲取惠斯通電橋的正輸出端和負(fù)輸出端之間的失調(diào)電壓。具體的，可以在無外部磁場條件下，通過高精度的萬用表測得惠斯通電橋兩端的失調(diào)電壓(VQ+-VQ_);也可以通過設(shè)置(SET)和重置(RESET)時的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸出計(jì)算得到失調(diào)電壓，等等多種方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0033]在本實(shí)施例中，當(dāng)正輸出端的電壓大于負(fù)輸出端的電壓時，將電流源組輸出的電流加載于負(fù)輸出端；當(dāng)負(fù)輸出端的電壓大于正輸出端的電壓時，將電流源組輸出的電流加載于正輸出端。進(jìn)一步的，當(dāng)正輸出端的電壓大于負(fù)輸出端的電壓時，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件部分或者全部導(dǎo)通，負(fù)開關(guān)導(dǎo)通；當(dāng)負(fù)輸出端的電壓大于正輸出端的電壓時，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件部分或者全部導(dǎo)通，正開關(guān)導(dǎo)通。
[0034]具體的，假如Rl=1000Q , R2=1002 Ω，R3=1003 Ω，R4=1001 Ω，Vb=3V，則:
【權(quán)利要求】
1.一種惠斯通電橋裝置，其特征在于，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電流源，每個電流源的一端各通過一個開關(guān)元件與電源端連接，每個電流源的另一端共同通過兩個正、負(fù)開關(guān)分別與正、負(fù)輸出端連接。
2.如權(quán)利要求1所述的惠斯通電橋裝置，其特征在于，所述多個電流源為輸出的電流以二進(jìn)制比例增加的電流源。
3.如權(quán)利要求1所述的惠斯通電橋裝置，其特征在于，連接于電流源和電源端的開關(guān)元件均受控于寄存器或者數(shù)模轉(zhuǎn)換器；正、負(fù)開關(guān)均受控于比較器。
【文檔編號】G05F1/56GK203630656SQ201320825629
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】葛康康 申請人:杭州士蘭微電子股份有限公司