高带宽tmr型电流传感器读出电路的设计
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电流传感器可以分为直接接触型和隔离型两种 类型。其中隔离型电流传感器由于其安全，可靠和体 积小等优点，在市场上的需求越来越高。隔离型电流 传感器的原理是通过检测电流产生的磁场，从而来 检测电流的大小。它主要包括霍尔传感器、 AMR/GMR 传感器和 TMR 传感器等。TMR 比其他类 型传感器具有更高的灵敏度[2]，约为 100mV/mT[3]。这 意味着在相同的精度下，TMR 传感器具有更高的感 应带宽。
设计
CIC 中国集成电路
China lntegrated Circult
（a）TMR 元件构造
（b）惠斯顿桥模型 图1
2 读出电路系统框架
TMR 桥式传感头中的差分信号变化，反映了外 界的磁场的变化。本文采用 chopper-stabilized amplifier 结构作为 TMR 的读出电路的框架，读取 TMR 桥式传感头中的差分信号，如图 2 所示。读出电路包 括两个信号路径，Gm1 和 Gm2 构成读出电路的高频高 带宽路径，负责对输入信号进行迅速响应。Gm3、Gm4、
在生产时固定，而自由层的磁化方向取决于外界的 磁场方向，电流方向垂直于势垒层。受洛伦兹力的作 用，当外加磁场方向与磁化方向正向平行时，元件电 流最大，电阻最小；当外加磁场方向与磁化方向反向 平行时，元件电流最小，电阻最大。磁场变化越大， TMR 元件的阻值变化越大。把 TMR 元件接成惠斯 顿桥结构，可以有效抑制共模噪声，提高传感器的线 性度和灵敏度[3]，如图 1（b）所示。
Design of the Read-out IC for Wide-bandwidth TMR Current Sensor
ZENG Zhuo-qu （College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China）
一般来说，带宽越大，输出噪声越大，继而影响 磁场检测的精度。这也是目前市场上电流传感器带 宽普遍不高的原因。文献[1]采用霍尔 + 线圈的方 式，实现了 3MHz 的信号感应带宽，但是其牺牲了面 积且精度仅为 200μT。而基于 TMR 的传感器达到 更高的感应带宽的同时能够获得更好的精度。本文 基于 TMR 传感头设计了一种高带宽全差分读出电 路，其感应带宽为 3MHz，并提供双输 出通道。电路输出噪声峰峰值（3σ）为 1.8mV，按照文献[3]所给的灵敏度换算 为磁场单位约为 18μT。
设计
CIC 中国集成电路
China lntegrated Circult
高带宽 TMR 型电流传感器读出电路的设计
曾濯渠 （福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州，350116）
摘要：本文提出了一种高带宽穿隧磁阻（Tunnel Magnetoresistance, TMR）型传感器的读出电路，电路采 用 chopper-stabilized amplifier 技术和纹波抑制环路技术（Ripple Reduction Loop, RRL）结构实现高信号 感应带宽，同时抑制输出纹波。本设计采用 SMIC 0.18μm CMOS 工艺，电源电压为 3.3V，双通道输出， 并提供±1.5mA 的输出驱动器。仿真结果表明，整个读出电路共消耗电流为 3.9mA，感应带宽 3MHz，输 入等效噪声谱密度均方根 18.3nV 姨Hz @ 20KHz。 关键词：TMR 读出电路；高带宽电流传感器；chopper-stabilized amplifier 技术；RRL 技术
Abstract: In this paper, a readout circuit of a Tunnel Magnetoresistance （TMR） sensor is proposed. The circuit combines chopper-stabilized amplifier technology with Ripple Reduction Loop （RRL） technology to achieve a wide sensing bandwidth and reduce the output ripples. This design uses SMIC 0.18μm CMOS process, with supply voltage of 3.3V, and double output drivers of ±1.5mA. The simulation results show that the total current consumption of readout circuit is 3.9mA, the sensing bandwidth is 3MHz, and the input-referred RMS noise density is 18.3nV 姨Hz @ 20KHz. Key words: TMR read-out; current sensor; chopper-stabilized amplifier; RRL
1 TMR 简介
TMR 传感器的原理是磁阻效应， 即自身阻值随磁场的变化而变化。 TMR 元件的构造如图 1（a）所示，它由 两层金属层和一层绝缘薄膜构成。金 属层构成自由层和磁化层，绝缘薄膜 构成势垒层。其中磁化层的磁0·5-6·（总第 252-253 期） 51
50 （总第 252-253 期） 2020·5-6·
http：//
CIC 中国集成电路 China lntegrated Circult
设计
引言
现代工业的发展离不开电能供给系统，而电流 检测作为系统监测的一环，是系统安全稳定工作的 前提和保障，其重要性不言而喻。随着科学技术的不 断发展，市场上出现了开关型电源管理系统，且其工 作频率越来越高。这时，需要带宽足够高的电流传感 器来监测高速瞬变的电流[1]。
设计
CIC 中国集成电路
China lntegrated Circult
（a）TMR 元件构造
（b）惠斯顿桥模型 图1
2 读出电路系统框架
TMR 桥式传感头中的差分信号变化，反映了外 界的磁场的变化。本文采用 chopper-stabilized amplifier 结构作为 TMR 的读出电路的框架，读取 TMR 桥式传感头中的差分信号，如图 2 所示。读出电路包 括两个信号路径，Gm1 和 Gm2 构成读出电路的高频高 带宽路径，负责对输入信号进行迅速响应。Gm3、Gm4、
在生产时固定，而自由层的磁化方向取决于外界的 磁场方向，电流方向垂直于势垒层。受洛伦兹力的作 用，当外加磁场方向与磁化方向正向平行时，元件电 流最大，电阻最小；当外加磁场方向与磁化方向反向 平行时，元件电流最小，电阻最大。磁场变化越大， TMR 元件的阻值变化越大。把 TMR 元件接成惠斯 顿桥结构，可以有效抑制共模噪声，提高传感器的线 性度和灵敏度[3]，如图 1（b）所示。
Design of the Read-out IC for Wide-bandwidth TMR Current Sensor
ZENG Zhuo-qu （College of Physics and Information Engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350116, China）
一般来说，带宽越大，输出噪声越大，继而影响 磁场检测的精度。这也是目前市场上电流传感器带 宽普遍不高的原因。文献[1]采用霍尔 + 线圈的方 式，实现了 3MHz 的信号感应带宽，但是其牺牲了面 积且精度仅为 200μT。而基于 TMR 的传感器达到 更高的感应带宽的同时能够获得更好的精度。本文 基于 TMR 传感头设计了一种高带宽全差分读出电 路，其感应带宽为 3MHz，并提供双输 出通道。电路输出噪声峰峰值（3σ）为 1.8mV，按照文献[3]所给的灵敏度换算 为磁场单位约为 18μT。
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高带宽 TMR 型电流传感器读出电路的设计
曾濯渠 （福州大学 物理与信息工程学院，福建 福州，350116）
摘要：本文提出了一种高带宽穿隧磁阻（Tunnel Magnetoresistance, TMR）型传感器的读出电路，电路采 用 chopper-stabilized amplifier 技术和纹波抑制环路技术（Ripple Reduction Loop, RRL）结构实现高信号 感应带宽，同时抑制输出纹波。本设计采用 SMIC 0.18μm CMOS 工艺，电源电压为 3.3V，双通道输出， 并提供±1.5mA 的输出驱动器。仿真结果表明，整个读出电路共消耗电流为 3.9mA，感应带宽 3MHz，输 入等效噪声谱密度均方根 18.3nV 姨Hz @ 20KHz。 关键词：TMR 读出电路；高带宽电流传感器；chopper-stabilized amplifier 技术；RRL 技术
Abstract: In this paper, a readout circuit of a Tunnel Magnetoresistance （TMR） sensor is proposed. The circuit combines chopper-stabilized amplifier technology with Ripple Reduction Loop （RRL） technology to achieve a wide sensing bandwidth and reduce the output ripples. This design uses SMIC 0.18μm CMOS process, with supply voltage of 3.3V, and double output drivers of ±1.5mA. The simulation results show that the total current consumption of readout circuit is 3.9mA, the sensing bandwidth is 3MHz, and the input-referred RMS noise density is 18.3nV 姨Hz @ 20KHz. Key words: TMR read-out; current sensor; chopper-stabilized amplifier; RRL
1 TMR 简介
TMR 传感器的原理是磁阻效应， 即自身阻值随磁场的变化而变化。 TMR 元件的构造如图 1（a）所示，它由 两层金属层和一层绝缘薄膜构成。金 属层构成自由层和磁化层，绝缘薄膜 构成势垒层。其中磁化层的磁0·5-6·（总第 252-253 期） 51
50 （总第 252-253 期） 2020·5-6·
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引言
现代工业的发展离不开电能供给系统，而电流 检测作为系统监测的一环，是系统安全稳定工作的 前提和保障，其重要性不言而喻。随着科学技术的不 断发展，市场上出现了开关型电源管理系统，且其工 作频率越来越高。这时，需要带宽足够高的电流传感 器来监测高速瞬变的电流[1]。