CN102971639B - 霍尔传感器系统 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及霍尔传感器系统。集成电路霍尔传感器系统包含多个基块(EB)，每个基块都包括霍尔单元(4)、差分差值放大器(DDA)的输入级的差分对(8)，和端子(12a、12b)，其中端子(12a、12b)横向置于与Y轴平行的每个基块的相反外侧上，并且多个基块以并列方式布置以便形成垂直于Y轴沿着X轴延伸的至少一排(6a、6b)，并且通过端子互相连接。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于磁场感知应用或用于电流感知应用的霍尔传感器系统。
背景技术
对于许多应用而言，集成在硅电路中的霍尔效应传感器优于其它的磁场传感器，因为它们完全能够通过对于大批量生产而言更经济的标准CMOS或其它集成电路制造过程来装配。然而，传统的集成式霍尔效应器件的缺点是它们具有相对大的剩余偏移，也就是在零磁场有剩余电压。限制剩余偏移的是由于霍尔传感器内局部电阻对电流密度的依赖性导致的器件非线性。根据反转电场的互易原理[3]，旋转电流法能够消除线性系统内的偏移。随着系统变成非线性，旋转电流法的效率降低，因此剩余偏移保留。非线性的主要原因是面结型场效应[4]或载流子速度饱和，取决于器件几何形状。在这两种情况下，非线性随着器件偏压而增加。已知诸如旋转电流[1]或正交耦合的技术用于使偏移降至100μT范围。
然而，为了获得对竞争技术的优势，集成式霍尔传感器的偏移应该被进一步降低，例如至10μT范围。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种精确的、特别是具有低偏移的磁场传感器系统。提供一种在大批量生产中更经济的磁场传感器系统将是有利的。
提供一种小型可靠的磁场传感器将是有利的。
本发明的目的已经通过提供根据权利要求1所述的霍尔传感器系统而实现。
本发明的目的已经通过提供根据权利要求4所述的霍尔传感器系统而实现。
从属权利要求描述了根据本发明的霍尔传感器系统的进一步有利的特征。
本文中公开的是一种包含多个基块(EB)的集成电路霍尔传感器系统，每个基块都包括霍尔单元、放大器的输入级、和端子，其中，端子被横向置于每个基块的相反外侧上，并且多个基块以并列的方式被布置，以便形成通过端子互相连接的至少一排。每个基块可以有利地进一步包括电流源，和被连接至霍尔单元的四相开关盒。
在一个有利的实施例中，输入级可以包含或存在于差分对中，并且放大器可以包含或存在于差分差值放大器(DDA)中。
每排中的霍尔单元可以被连接和被配置成并联操作。
在一个有利的实施例中，有呈镜像对称布置的至少两排基块。每排基块可以通过放大器的第二级被终接以便形成前端通道。每个通道可以进一步包括解调器和输出缓冲器。
附图说明
通过权利要求书和下面与附图有关的本发明实施例的详细说明，本发明的其他目的和有利的特征将是清楚的，其中：
图1是示出典型的剩余偏移作为应用于集成式霍尔单元上的偏压的函数的图；
图2是根据本发明的一个实施例的特征、具有差分信号连接In、Ip的差分差值放大器(DDA)拓扑的示意图；
图3a和3b示出根据本发明的一个实施例的形成用于传感器系统的分布式霍尔单元阵列的构建单元(building unit)的基块(EB)，其中，图3a是方块图，而图3b是示意性电路图；
图4是根据本发明的一个实施例的两通道集成式霍尔传感器系统的平面布置图；
图5是根据本发明的安装在印刷电路板(PCB)上的霍尔传感器系统的试验装置(setup)的一个实例的照片；
图6是用于图5试验装置的温度上的差分剩余偏移漂移的图，由此，霍尔单元偏流从100uA扫动(sweep)至600uA，并且对于每个温度梯级来说在前端通道1和通道2的输出端处的差异被测得。
具体实施方式
在具有低偏移和偏移漂移的集成式霍尔单元的设计中，一个目的是保持偏压为低。作为应用于十字形CMOS集成式霍尔单元上的电压的函数的典型偏移值如图1所示，其中，剩余电压除以用磁场单位表示的灵敏度。在零磁场应用四相旋转电流法后获得剩余偏移。图1示出保持偏压为低是重要的，然而减小偏压降低了信噪比，因为热噪声占统治地位。
根据本发明，通过集成霍尔单元的阵列使信噪比显著改善，每一个集成霍尔单元的阵列被弱偏置。阵列是有利地可扩展的，并且不受布局限制而易于集成。在一个优选实施例中，阵列包含差分差值放大器(DDA)拓扑(参见用于DDA设计的说明的参考[5])，其提供了在选择差分对8的数量上的灵活性，差分对8被连接至图2所示的DDA的公共信号连接In、Ip。差分对的数量能够通过将其它差分对与公共信号连接In、Ip并联连接来增加。
在本发明的一个实施例中，基于DDA的霍尔电压的差分感知是优选的。不过，在本发明的范围内，采用其它放大手段是可行的，由此，偏置方法的选择可以影响第一信号放大级的构造和性能。如果使用的是运算放大器(OA)，则用于霍尔偏流的电路能够例如根据[6]和合并在基块内的相应的输入级而被重新布置。
对于简单霍尔单元阵列的实现，DDA的差分对的数量能够任意地增加并连线至霍尔单元。然而，当达到一定数量的差分对时，平面布置图变得复杂。另外，如果所有路径选择行(routing line)都集中至偏心DDA块，则布局对称性被破坏。根据本发明的一个有利方面，每个霍尔单元都与偏流电路和允许并联连接的放大级的一部分相关联。这些部件是基块(EB)的一部分，如图3a和3b所示。
更确切地，根据本发明的一个有利的实施例的基块EB包括霍尔器件4、开关盒(也称作旋转盒)7、电流源5和放大器的输入级8。在所示的实施例中，输入级包括差分差值放大器(DDA)的差分对8。开关盒7被来自逻辑电路9a、9b、通过EB的连接A、B、C和D输入的逻辑信号驱动，以执行四相旋转电流。差分对8有利地将霍尔感知电压转变成易于读出的电流信号。EB端子12沿着Y轴被横向、对称地放置，以易于构建含有数量为N个的基块EB的一排6a、6b，数量为N个的基块EB通过临近基块的临近而相反的端子12a、12b而互相连接。在每排6a、6b中的霍尔单元4并联操作。因为每个霍尔单元的霍尔信号是相关的，所以每个基块的电流的总和代表有用的测量信号，但是霍尔单元4的固有偏移是不相关的并且对基块的数量N做平均。电流信号在终接每排6a、6b的DDA的第2级11a、11b内转变成电压。每个完整的排6a、6b与其DDA的第2级块11a、11b形成前端通道。
正如图4中所描述的，为了实现呈镜像对称的基块EB的两排6a、6b，为了获得差分输出并且抑制由电子设备产生的不期望的系统偏移，前端通道能够通过垂直于Y轴、沿着X轴被镜像复制。
因此，系统的拓扑“被分布”，并且相对于一条中心线轴X是对称的。这种结构允许在偏移降低、灵敏度和电流消耗量之间找到好的折衷方案。在所示的实施例中，系统通过调理电路9a、9b完成，该调理电路还特别提供旋转盒逻辑信号A、B、C、D、基于开关电容电路的解调器14和输出缓冲器16，用于每个通道获得独立的磁场微传感器。后端电路可以与传统电路类似，例如正如[7]中所描述的。
试验装置
芯片实现的实例
采用0.35um CMOS标准工艺的试验系统由16个EB构成，16个EB均匀分布在由图5中芯片照片所示的布局的中心部分。霍尔信号以差分方式被处理并且在每个DDA的输出端以调制形式被监测，或使用开关电容技术和取决于所需信号带宽的可变时钟频率来解调。逻辑电路或者被内部时钟驱动：具有分频器的2.6MHz RC张弛振荡器，或者被外部控制。电路测试的调制频率范围从kHz上到1.3MHz。霍尔单元的偏流能够被用于测试目的的电流源外部控制。布局的大小为1.6x1.6mm2。上排的第三个EB被放大，并且霍尔器件位置用十字形示意。取决于霍尔单元偏流值的总电流消耗：当将500uA应用于每个霍尔单元时，3.3V电源电压的总电流消耗为25mA。
为了研究剩余偏移在系统内的性态及其起源，在温度和霍尔单元偏置电流能够扫动之处使用试验装置。6层坡莫合金磁屏蔽用于保护系统不受环境噪声干扰并且抑制外部磁场。测试在三个任意选择的样品上执行。不仅通道之间的差分偏移(这是系统的最终偏移)被监测，而且每个通道的单独偏移被监测。系统灵敏度取决于霍尔单元的偏置电流，例如，每霍尔单元500uA偏置电流，测得的总灵敏度为21V/T。
前端部分的特性描述
当实现低偏移系统时，知道系统内偏移起源是重要的。出于这个目的，DDA输出端的被调制信号用外部锁定放大器进行监测和解调，通过来自系统的逻辑信号进行同步。相对低的5kHz调制频率被选择以忽略DDA的建立时间和由开关产生的尖峰信号。对于每个温度梯级，霍尔偏置电流从100uA扫动至600uA。因为霍尔电压在DDA的输入端被调制，所以剩余霍尔偏移能够通过解调从DDA偏移中被分离，并且从测量结果中被提取。偏移漂移在从-20至100°C的温度范围内被测得。图6示出用于在试验装置上测得的不同霍尔偏置电流的差分偏移漂移。对于低于200uA的偏置电流，偏移漂移被噪声隐藏。对于高于300uA的霍尔偏置电流，偏移漂移显示出与图1所示性态类似的增长，尽管处于非常低的水平。
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Claims (23)
1.一种集成电路霍尔传感器系统，包含多个基块，每个基块都包括霍尔单元(4)、连接至所述霍尔单元的开关盒(7)、放大器的输入级，和端子(12a、12b)，其中，所述端子(12a、12b)被横向置于与Y轴平行的每个基块的相对的外侧上，并且所述多个基块以并列方式布置以便形成垂直于Y轴沿着X轴延伸的至少一排(6a、6b)，并且所述多个基块通过所述端子互相连接。
2.根据权利要求1所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，连接至所述霍尔单元的所述开关盒是四相开关盒。
3.根据权利要求1所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，基块的每排(6a、6b)被所述放大器的第二级(11a、11b)终接，形成前端通道。
4.根据权利要求3所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，每个通道都包含逻辑电路(9a、9b)，其通过所述基块的连接部(A、B、C、D)而被连接、被配置成将逻辑信号输送至被连接至所述霍尔单元的每个基块的四相电流开关盒，以便在每个霍尔单元上执行四相旋转电流。
5.根据权利要求3所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，每个通道都包含基于开关电容电路的解调器(14a、14b)。
6.根据权利要求3所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，每个通道都包含输出缓冲器(16a、16b)。
7.根据权利要求1所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，所述输入级是差分对(8)。
8.根据权利要求1所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，所述放大器是差分差值放大器DDA。
9.根据权利要求8所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，所述差分差值放大器DDA的第二级(11a、11b)被配置成将所述基块的电流信号输出转变成电压信号。
10.根据权利要求1所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，每个基块进一步包括电流源(5)。
11.根据权利要求1所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，在所述至少一排(6a、6b)中的所述霍尔单元(4)被连接和被配置成并联操作。
12.根据权利要求1所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，有基块的至少两个所述排(6a、6b)被布置成关于所述X轴呈镜像对称。
13.一种集成电路霍尔传感器系统，包括多个基块，每个基块都包括霍尔单元(4)、放大器的输入级，和端子(12a、12b)，其中，所述端子(12a、12b)被横向置于与Y轴平行的每个基块的相对的外侧上，并且所述多个基块以并列方式布置以便形成垂直于Y轴沿着X轴延伸的至少一排(6a、6b)，并且所述多个基块通过所述端子互相连接，并且其中，基块的每排(6a、6b)被所述放大器的第二级(11a、11b)终接，形成前端通道。
14.根据权利要求13所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，每个基块进一步包括被连接至所述霍尔单元的四相开关盒(7)。
15.根据权利要求13所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，每个通道都包含逻辑电路(9a、9b)，其通过所述基块的连接部(A、B、C、D)而被连接、被配置成将逻辑信号输送至被连接至所述霍尔单元的每个基块的四相电流开关盒，以便在每个霍尔单元上执行四相旋转电流。
16.根据权利要求13所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，每个通道都包含基于开关电容电路的解调器(14a、14b)。
17.根据权利要求13所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，每个通道都包含输出缓冲器(16a、16b)。
18.根据权利要求13所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，所述输入级是差分对(8)。
19.根据权利要求13所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，所述放大器是差分差值放大器DDA。
20.根据权利要求19所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，所述差分差值放大器DDA的第二级(11a、11b)被配置成将所述基块的电流信号输出转变成电压信号。
21.根据权利要求13所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，每个基块进一步包括电流源(5)。
22.根据权利要求13所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，在所述至少一排(6a、6b)中的所述霍尔单元(4)被连接和被配置成并联操作。
23.根据权利要求13所述的集成电路霍尔传感器系统，其中，有基块的至少两个所述排(6a、6b)被布置成关于所述X轴呈镜像对称。
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