CN102185600A - 基于cmos工艺的霍尔开关温度补偿方法及其电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿方法及其电路，方法包括：对电源进行稳压和电压偏置；将所述霍尔电压信号转换为单端电压并进行失调电压消除，将处理后的电压信号与设定的阈值电压进行迟滞比较；所述设定的阈值电压的温度系数与霍尔薄片的霍尔迁移率的温度系数相等。本发明中所产生的迟滞比较器阈值电压的温度系数与霍尔薄片所用材料的电子迁移率的温度系数相同，从而抵消了霍尔迁移率的温度系数，使霍尔开关可以工作在-40～150℃温度范围内。与现有技术相比，本发明可以在CMOS工艺基础上，使用较少的元器件，使霍尔开关能在较宽温度范围内正常工作。

Description

基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿方法及其电路

技术领域

本发明涉及霍尔开关电路，特别是涉及一种基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿方法及其电路。

背景技术

霍尔效应是磁电效应的一种，这一现象是美国物理学家霍尔(A.H.Hall，1855-1938)于1879年在研究金属的导电机构时发现的。当电流垂直于外磁场通过导体时，在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这一现象便是霍尔效应，这个电势差也被叫做霍尔电压V_H，其大小为：

$V_H=B{\mathrm{\μ}}_{H}I\frac{\mathrm{\ρ}}{t}\mathrm{\δ}\left(\frac{L}{W}\right)---\left(1\right)$

式中：

B为垂直与霍尔薄片方向上的磁场强度；

μ_H为霍尔迁移率；

I为流过霍尔薄片的电流；

ρ为电阻率；

t为霍尔薄片的厚度；

σ(L/W)为霍尔薄片几何校正因子。

以霍尔效应为基础的霍尔传感器已发展成一个品种多样的磁传感器产品家族，被越来越广泛地应用于工业控制的各个领域。霍尔开关即是其中的一种应用，它利用通电的集成霍尔薄片检测外部磁场，将磁场的变化参量转变为数字电压的形式输出，使之具备开关的功能。

常规的霍尔开关电路构成模块如图1所示，包括稳压器101，霍尔薄片102，霍尔电压放大器103，迟滞比较器104和锁存输出单元105。霍尔薄片由半导体材料(如硅)制成，其电阻不可避免地随温度的升高呈现较大的增加，当施加在霍尔薄片上的电压固定不变的时候，流过霍尔薄片的电流将随温度的升高而逐渐减小，由式(1)可知，霍尔电压V_H也将随温度升高而逐渐减小，从而导致霍尔开关输出错误，这是不可接受的。为了在-40～150℃甚至更宽的温度范围内使用霍尔开关(如车用开关)，必须找到一种霍尔开关的温度补偿方法以使其保持对温度的相对稳定性。

中国专利公开号CN101290233A提出了一种霍尔开关温度补偿方法，该方法需要稳压器101提供与霍尔迁移率的温度系数变化成正比关系相互跟随的正温度系数电压作为霍尔薄片的偏置电压。这种方法不但二阶效应难以控制，而且没有考虑其它参数(如霍尔电压放大倍数、迟滞比较器阈值)随温度的变化，同时，增加了电路和工艺的复杂度，不易于在CMOS工艺下制作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术中所存在的缺陷，提供一种基于CMOS工艺技术的霍尔开关电路温度补偿方法及其电路。

本发明所提出的霍尔开关电路的温度补偿方法可以通过以下技术方案来实现：将与霍尔迁移率温度系数相同的电压作为迟滞比较器的阈值电压，同时保证霍尔电压放大倍数随温度相对稳定，即可达到霍尔开关在宽温度范围内正常工作的要求。

本发明所提出的霍尔开关电路的温度补偿方法所涉及的电路，包括：霍尔薄片，感应磁信号并将其转化为霍尔电压信号；稳压器，将稳压后的电压施加在所述霍尔薄片上；信号处理单元，将所述霍尔电压信号转换为单端电压并进行失调电压的消除以得到处理后的电压信号；迟滞比较器，将处理后的电压信号与设定的阈值电压进行迟滞比较；时钟信号与逻辑控制单元，为信号处理单元、迟滞比较器提供时钟信号和逻辑控制信号；电压偏置单元，为信号处理单元和迟滞比较器提供偏置电压；所述电压偏置单元产生与霍尔薄片的霍尔迁移率的温度系数相等的偏置电压，并将该偏置电压连接到信号处理单元和迟滞比较器的输入端，用作迟滞比较器的阈值电压。合理设计所述迟滞比较器的阈值电压的温度系数，使之与霍尔薄片电子迁移率的温度系数相等，从而抵消霍尔迁移率的温度系数，使霍尔元件在较宽的温度范围内都能正常工作。

与现有技术相比，本发明只需要在偏置电路上引入与霍尔薄片相同材料的电阻，适当选取电阻比例，就能得到与霍尔电子迁移率相同温度系数的迟滞比较器阈值电压，避免了现有霍尔开关工作温度范围较窄的问题，使设计者可以在CMOS工艺基础上使用较少元器件的同时，达到霍尔开关宽温度范围工作的性能要求。

附图说明

图1为现有技术中常规霍尔开关电路的结构示意图；

图2为本发明实施例示出的具有温度补偿的霍尔开关电路框图；

图3为本发明霍尔开关温度补偿电路的一个优选实施例的原理图；

图4为图2和图3中电压偏置电路的一种实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

图2给出了本发明霍尔开关温度补偿方法的一实施例，由稳压器201、霍尔薄片202、电压偏置207、霍尔电压放大器203、信号处理单元208、迟滞比较器204、输出锁存205和时钟信号与逻辑控制206组成。

稳压器201为其它电流提供稳定的电压和电流偏置，电压偏置207为信号处理单元208和迟滞比较器204提供偏置电压，霍尔薄片202感应磁信号并将其转化为电压信号，电压放大器203对采集到的霍尔电压信号进行放大，放大后的差分电压信号经信号处理单元208转换为单端电压，并进行失调电压的消除，处理后的电压信号与设定的阈值电压在迟滞比较器204中进行比较，输出相应的电压信号到输出锁存205，时钟信号与逻辑控制206为信号处理单元208、迟滞比较器204和输出锁存205提供时钟信号和逻辑控制信号。

在式(1)中，流过霍尔薄片202的电流I可以表示为：

$I=\frac{V_{\mathrm{REF}}}{R_H}=\frac{V_{\mathrm{REF}}}{\frac{\mathrm{\ρ}}{t}\×\frac{L}{W}}---\left(2\right)$

式中，

V_REF表示加在霍尔薄片上的电压，由稳压器201产生，对电源电压和温度相对稳定；

R_H表示霍尔薄片的电阻；

ρ表示霍尔薄片电阻率；

t表示霍尔薄片的厚度；

L和W分别表示霍尔薄片的长和宽。

将式(2)带入式(1)，可得：

$V_H=B{\mathrm{\μ}}_H{V}_{\mathrm{REF}}\frac{W}{L}\mathrm{\δ}\left(\frac{L}{W}\right)---\left(3\right)$

设电压放大器的增益为A_V，迟滞比较器的高阈值电压为V_{TH_H}，则当磁场强度增大到B_OP时，输出翻转为低电平，由A_V*V_H1＝V_{TH_H}得到：

$B_{\mathrm{OP}}=\frac{V_{\mathrm{TH}\_H}}{A_V{\mathrm{\μ}}_H{V}_{\mathrm{REF}}\frac{W}{L}\mathrm{\δ}\left(\frac{L}{W}\right)}---\left(4\right)$

设迟滞比较器的低阈值电压为V_{TH_L}，则当则当磁场强度降低到B_RP时，输出翻转为高电平，由A_V*V_H2＝V_{TH_L}得到：

$B_{\mathrm{RP}}=\frac{V_{\mathrm{TH}\_L}}{A_V{\mathrm{\μ}}_H{V}_{\mathrm{REF}}\frac{W}{L}\mathrm{\δ}\left(\frac{L}{W}\right)}---\left(5\right)$

从式(4)～式(5)可以看出，如果A_V和V_REF不随温度变化，忽略σ(L/W)的温度效应，可以得出B_OP和B_RP的温度系数为：

$\frac{1}{B_{\mathrm{OP}}}\frac{\∂B_{\mathrm{OP}}}{\∂T}=\frac{1}{V_{\mathrm{TH}\_H}}\frac{\∂V_{\mathrm{TH}\_H}}{\∂T}-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_H}\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_H}{\∂T}---\left(6\right)$

$\frac{1}{B_{\mathrm{RP}}}\frac{\∂B_{\mathrm{RP}}}{\∂T}=\frac{1}{V_{\mathrm{TH}\_L}}\frac{\∂V_{\mathrm{TH}\_L}}{\∂T}-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_H}\frac{{\∂\mathrm{\μ}}_H}{\∂T}---\left(7\right)$

因此，只需要设置V_{TH_H}和V_{TH_L}的温度系数与μ_H的温度系数相等，即可得到不随温度变化的B_OP和B_RP，磁滞宽度(B_OP-B_RP)也不再随温度变化。

更一步地，图3给出了本发明的霍尔开关温度补偿方法的优选实施例，电压放大器303采用全差分结构，R7、R8、R9采用同种类型的电阻，且R8与R9阻抗相等。电压放大器303的放大倍数A_V：

$A_V=\frac{V_O}{V_I}=1+\frac{2R8}{R7}---\left(8\right)$

A_V只取决于R8和R7的比例，与温度无关。

信号处理单元采用电容C1、C2和开关k1～k7组成，开关k1～k7的控制信号clk0～clk2为三相互不重叠的时钟信号，由时钟信号与逻辑控制306提供，电压偏置V_HALF、V_H、V_L由电压偏置307提供。

若磁场强度为B，方向是垂直直面向里。在clk0为高电平期间，若磁场强度B较小，则输出out为高电平，开关k7导通，电压V_HALF-V₁对电容C2充电，上正下负；clk1为高电平期间，电压A_V*V_H对电容C1充电，下正上负；clk2为高电平期间，电容C1和C2上的电荷进行中和，最终的电荷为(V_HALF-V₁)*C2-A_V*V_H*C1，因此电容C2下极板的电位等于V_HALF-((V_HALF-V₁)*C2-A_V*V_H*C1)/(C1+C2)，该电压通过k5连到迟滞比较器304的正相输入端，与迟滞比较器304的负相输入端V_HALF进行比较，若磁场强度B增大，使得V_HALF-((V_HALF-V₁)*C2-A_V*V_H1*C1)/(C1+C2)＞V_HALF，即A_V*V_H1*C1/C2＞V_HALF-V₁，迟滞比较器304的输出翻转为高电平，使霍尔开关的输出锁定为低电平，此时的磁场强度即为B_OP。若C1＝C2，则上式可以写为：

A_V×V_H1＝V_HALF-V₁          (9)

与A_V*V_H＝V_{TH_H}相比可知，V_HALF-V₁即为V_{TH_H}。

霍尔开关的输出变为低电平后，clk0为高电平期间，开关k7导通，电压V_HALF-V₂对电容C2充电，上正下负；clk1为高电平期间，电压A_V*V_H对电容C1充电，下正上负；clk2为高电平期间，电容C1和C2上的电荷进行中和，最终的电荷为(V_HALF-V₂)*C2-A_V*V_H*C1，因此电容C2下极板的电位等于V_HALF-((V_HALF-V₂)*C2-A_V*V_H*C1)/(C1+C2)，该电压通过k5连到迟滞比较器304的正相输入端，与迟滞比较器304的负相输入端V_HALF进行比较，若磁场强度减弱，使得V_HALF-((V_HALF-V₂)*C2-A_V*V_H2*C1)/(C1+C2)＜V_HALF，即A_V*V_H2*C1/C2＜V_HALF-V₂，迟滞比较器304的输出翻转为低电平，使霍尔开关的输出锁定为高电平，此时的磁场强度即为B_RP。若C1＝C2，则上式可以写为：

A_V×V_H2＝V_HALF-V₂         (10)

与A_V*V_H2＝V_{TH_L}相比可知，V_HALF-V₂即为V_{TH_L}。

图4给出了一种电压偏置示意图，V_REF来自稳压器301，其大小不随电源电压和温度变化。电阻R1和R6采用与霍尔薄片同种类型的电阻且阻抗相等，R2～R5采用与霍尔薄片相反温度系数(这里即为负温度系数)的电阻，且R2的阻抗等于R3～R5的阻抗之和，因此V_HALF＝V_REF/2，不随电源电压和温度变化。

由此可得：

$V_{\mathrm{TH}\_H}=\frac{R3+R4}{2(R1+R2)}\×V_{\mathrm{REF}}---\left(11\right)$

$V_{\mathrm{TH}\_L}=\frac{R3}{2(R1+R2)}{V}_{\mathrm{REF}}---\left(12\right)$

对式(11)～(12)求温度系数，得：

$\frac{1}{V_{\mathrm{TH}\_H}}\frac{\∂V_{\mathrm{TH}\_H}}{\∂T}=\frac{R1}{R1+R2}\×(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_N}\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_N}{\∂T}-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_{N2}}\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_{N2}}{\∂T})---\left(13\right)$

$\frac{1}{V_{\mathrm{TH}\_L}}\frac{\∂V_{\mathrm{TH}\_L}}{\∂T}=\frac{R1}{R1+R2}\×(\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_N}\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_N}{\∂T}-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_{N2}}\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_{N2}}{\∂T})---\left(14\right)$

式中，

μ_N为正温度系数电阻R1的电子迁移率；

μ_N2为负温度系数电阻R2的电子迁移率。

由式(13)～(14)可以看出，只需使R1和R2满足

$\frac{R2}{R1}=\frac{-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_{N2}}\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_{N2}}{\∂T}}{\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_N}\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_N}{\∂T}}---\left(15\right)$

即可得到：

$\frac{1}{V_{\mathrm{TH}\_H}}\frac{\∂V_{\mathrm{TH}\_H}}{\∂T}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_N}\frac{{\∂\mathrm{\μ}}_N}{\∂T}---\left(16\right)$

$\frac{1}{V_{\mathrm{TH}\_L}}\frac{\∂V_{\mathrm{TH}\_L}}{\∂T}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_N}\frac{{\∂\mathrm{\μ}}_N}{\∂T}---\left(17\right)$

将式(16)～(17)分别代入式(6)～(7)，可以得到：

$\frac{1}{B_{\mathrm{OP}}}\frac{\∂B_{\mathrm{OP}}}{\∂T}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_N}\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_N}{\∂T}-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_H}\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_H}{\∂T}---\left(18\right)$

$\frac{1}{B_{\mathrm{RP}}}\frac{\∂B_{\mathrm{RP}}}{\∂T}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_N}\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_N}{\∂T}-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_H}\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_H}{\∂T}---\left(19\right)$

由于R1与霍尔薄片的材料相同，因此式(18)～(19)所表示的B_OP和B_RP的温度系数等于相同半导体材料的电子迁移率的温度系数和霍尔迁移率的温度系数之差，而同一材料的电子迁移率的温度系数和霍尔迁移率的温度系数是相等的，所以B_OP和B_RP的温度系数为零。

本发明设计思想的核心是设计迟滞比较器阈值电压的温度系数，使之等于霍尔薄片所用材料的电子迁移率的温度系数，从而与霍尔迁移率的温度系数抵消，并最终使BOP和BRP的温度系数为零，满足霍尔开关在较宽温度范围内工作的性能要求。图3所示的实施例中，迟滞比较器阈值电压温度系数的取得，是基于与霍尔薄片材料相同的电阻以及与该电阻温度系数相反的另一种电阻，适当选取这两种电阻的比例，使其符合式(15)，即可将迟滞比较器阈值电压的温度系数等于霍尔薄片所用材料的电子迁移率的温度系数。

以上所述的实施例仅为说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能依此来限定本发明的保护范围，即以本发明所揭示的精神所作的均等变化或推导，仍应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿方法，包括如下步骤：

对电源进行稳压和电压偏置；

将稳压后的电压施加在霍尔薄片上；

霍尔薄片感应磁信号并将其转化为霍尔电压信号；

将所述霍尔电压信号转换为单端电压并进行失调电压消除，得到处理后的电压信号；

将处理后的电压信号与设定的阈值电压进行迟滞比较；

电压偏置所产生的电压为所述将所述霍尔电压信号转换为单端电压并进行失调电压消除、将处理后的电压信号与设定的阈值电压进行迟滞比较提供电压；

为将所述霍尔电压信号转换为单端电压并进行失调电压的消除、将处理后的电压信号与设定的阈值电压进行迟滞比较提供时钟信号和逻辑控制信号；

所述设定的阈值电压的温度系数与霍尔薄片的霍尔迁移率的温度系数相等。

2.如权利要求1所述的基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿方法，其特征在于，所述所述霍尔电压信号在转换为单端电压并进行失调电压消除之前进行放大。

3.如权利要求1所述的基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿方法，其特征在于，将处理后的电压信号与设定的阈值电压进行迟滞比较之后进行输出锁存。

4.如权利要求3所述的基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿方法，其特征在于，电压偏置所产生的电压为所述输出锁存提供电压。

5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿方法，其特征在于，所述阈值电压温度系数是通过基于与霍尔薄片材料相同的电阻以及与该电阻温度系数相反的另一种电阻来获得，所述与霍尔薄片材料相同的电阻以及与该电阻温度系数相反的另一种电阻的阻值之比，等于这两种材料电子迁移率温度系数比值的相反数。

6.一种基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿电路，其特征在于，包括：

霍尔薄片，感应磁信号并将其转化为霍尔电压信号；

稳压器，将稳压后的电压施加在所述霍尔薄片上；

信号处理单元，将所述霍尔电压信号转换为单端电压并进行失调电压的消除以得到处理后的电压信号；

迟滞比较器，将处理后的电压信号与设定的阈值电压进行迟滞比较；

时钟信号与逻辑控制单元，为信号处理单元、迟滞比较器提供时钟信号和逻辑控制信号；

电压偏置单元，为信号处理单元和迟滞比较器提供偏置电压；

所述电压偏置单元产生与霍尔薄片的霍尔迁移率的温度系数相等的偏置电压，并将该偏置电压连接到信号处理单元和迟滞比较器的输入端，用作迟滞比较器的阈值电压。

7.如权利要求6所述的基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿电路，其特征在于，还包括接收所述霍尔电压信号并进行放大后输出到所述信号处理单元输入端的运算放大电路。

8.如权利要求7所述的基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿电路，其特征在于，所述运算放大电路包括两个对称的第一、第二运算放大器，连接第一、第二运算放大器的反相输入端的第七电阻，连接第一运算放大器的反相输入端和输出端的第八电阻，以及连接第二运算放大器的反相输入端和输出端的第九电阻；所述第七、第八、第九电阻采用相同的材料制成，第一、第二运算放大器的正相输入端分别连到霍尔薄片的两个输出端。

9.如权利要求6或7或8所述的基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿电路，其特征在于，所述的电压偏置单元包括与霍尔薄片相同材料的第一、第六电阻，与霍尔薄片材料相同的电阻温度系数相反的第二、第三、第四、第五电阻；所述第一、第二、第三、第四、第五、第六电阻依次串联，所述第一电阻不与第二电阻连接的一端连接稳压器的输出端，所述第六电阻不与第五电阻连接的一端接地；所述第二、第三电阻的公共端形成第一输出，所述第三、第四电阻的公共端形成第二输出，所述第四、第五电阻的公共端形成第三输出。

10.如权利要求9所述的基于CMOS工艺的霍尔开关温度补偿电路，其特征在于，所述的信号处理单元包括七个开关和两个电容，其中第一开关和第三开关的公共端连到第一电容的上极板，第二开关和第四开关的公共端连到第一电容的下极板，第一开关的另一端连接第一运算放大器的输出，第二开关的另一端连接第二运算放大器的输出，第三开关的另一端连到第二电容的上极板，并与迟滞比较器的反相端和电压偏置单元的第一输出相连，第四、第五、第六、第七开关的公共端与第二电容的下极板相连，第五开关的另一端与迟滞比较器的正向端相连，第六开关的另一端与电压偏置单元的第二输出相连，第七开关的另一端与电压偏置单元的第三输出相连。

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