CN1032888C - 带自动补偿的霍尔传感器 - Google Patents

Abstract

用于自动补偿单片集成的霍尔传感器的电路和方法，产生工作电流(iv，j)的装置在热学上和工艺上密切地与霍尔元件(h)耦合在一起。霍尔元件在灵敏度上由于生产和温度引变化通过供电电流(iv)和补偿电流(j)的一定的控制而得到补偿，至少要提供两个能产生两个辅助电流(i₁，i₂)的具有不同程度相关性的电流源(q₁，q₂)。依靠加法/减法装置(k₁，k₂，…)所得具有其它温度相关性的电流(iv，j，ik₁，…)通过和/差及不同加权而由辅助电流(i₁，i₂)形成。

Description

带自动补偿的霍尔传感器

本发明涉及一个带有补偿的单片集成霍尔传感器。这个霍尔传感器包括一个用于提供工作电流的供电装置，本发明还涉及一种对于带有或不带有磁滞开关装置器件的霍尔元件因生产过程所引起的灵敏度变化和温度相关性的自动补偿霍尔传感器的方法。

单片集成霍尔传感器是市场上买得到的，它除用来测量磁场外，还越来越多地用于实现无触点开关的领域。这些领域包括，例如，汽车转速计或传动中的旋转速度测量领域。在这种开关的应用中，单向或交变磁场的方向和量值就是通过霍尔电压来确定的，并且当超出一定的阈值时，一个计数脉冲就会被释放出来。由晶体管开路集电极构成的电子开关在多数情况下都是集成电路的一部分，因此亦成为霍尔元件的一部分。在开关应用中，霍尔传感器一般包括放大传感元件或缓冲放大器，有磁滞的施密特触发器级和电流和/或电压供应装置。目前熟知的霍尔传感器的缺点是生产过程在灵敏度上引起的变化的补偿和霍尔元件的温度相关性的补偿必须在芯片制造当中由单独的调节步骤来完成。

因此，本发明的目的就是提供一个补偿霍尔传感器的电路和以该电路为基础的一种方法，这种方法能在灵敏度方面对技术工艺和温度引起的变化自动补偿，而不需要单独的调节步骤。

本发明提供的优点实质上在于排除了对单独调节的需要，这样，更简单的半导体器件制造技术就可以得到应用。另外，由于其它原来所需要的必不可少的调节接触的面积减少，从而使所需要的芯片面积减少，该自动补偿既可以在测量应用领域的线性霍尔传感器方面应用，又可以在具有开关功能的霍尔传感器方面应用，例如，这种功能包括一个磁滞开关功能。也可以在一定的限度范围内预置霍尔传感器的温度相关性函数。由于自动补偿仅由有关半导体芯片的生产工艺参数跟踪来控制，这些参数的非线性影响也极大地得到了补偿。

本发明的一个其本设想就是霍尔元件的工作电流是由半导体芯片上的电源装置产生的，该装置在热学上和工艺上同霍尔元件半导体区域结合在一起。霍尔电压(＝uh)取决于霍尔元件半导体区域的技术参数，绝对度(＝T)和参考温度(＝T₀)，具体关系如下：

(1)uh(T)＝μH(T)×R(T)×iv(T)×B，这里μH＝与温度和材料相关的霍尔迁移率

(1.1)μH(T)＝μ(T₀×1/(1+a×ΔT)

     ΔT＝T-T₀＝参考温度差

     R(T)＝霍尔元件的欧姆电阻

R(T)＝R(T₀)×(1+a×ΔT)

iv(T)＝霍尔元件的供电电流

B＝磁感应

a＝在参考温度时霍尔元件半导体区域表层电阻率(＝r’)的温度系数

霍尔电压的温度和工艺技术关系式函数是通过将个别的函数关系替换到公式(1)中得到的。技术相关因子(1+a×ΔT)去掉了，因而如果磁感B与温度开关的话，使得只有供应电流iv(T)的温度相关性函数才能进入霍尔电压中。

(2)uh(T)＝比例因子×iv(T)

公式(2)表示，霍尔电压的温度相关性函数紧密地与供电电流的温度相关性函数相关联。当然，如果供应电流的温度相关性被调节到0的话，霍尔电压将显示没有温度相关性函数，这一点是特别令人感兴趣的。

如果一个补偿电压(＝uj)通过霍尔元件检测输入端上的补偿电流(j)而叠加在霍尔电压uh上，那么这个补偿电压值为：

(3)uj(T)＝j(T)×rh(T)

这里rh＝霍尔元件的等效电阻

于是，(4)uj(T)＝j(T)×rh(T₀)×(1+a×ΔT)

因此，为使参考温度T₀下的补偿电压温度相关性函数到零点，补偿电流必须满足下列条件：

(5)j(T)＝j(T₀)×1/(1+a×ΔT)

为了跟踪霍尔电压和补偿电压温度相关性函数，尤其在调零期间，由公式(2)和(5)而来的下述条件必须满足：

(6)Δiv(T)/Δj(T)＝1+a×ΔT

公式(6)把霍尔元件工作电流的温度相关性函数比率与霍尔元件半导体区域的表层电阻率(＝r’)的温度相关性函数结合起来，由因子(1+a×ΔT)来确定。这样，根据公式(6)，工作电流温度相关性函数的绝对值对工作电流iv和j的每一个来讲，都是可以任意预置的。由于公式(6)适用于任何参考温度T₀和整个的工作范围，这就为不同电路变形的温度补偿提供了一个极好的评价标准。

本发明还进一步确认，通过形成具有不同温度相关性函数的电流的和或差具有其它温度相关性函数的电流就能形成。不同的温度相关性越大，这种方法的再现性就越好。根据本发明，用于至少两个具有不同温度相关性函数的辅助电流的电源装置集成在霍尔传感器上。假设各相应温度特性是近似于线性的，相对斜率就决定于参考温度T₀，例如333开尔文度。相对的斜率宜作为一个正或负的ppm值(ppm＝百万分之一)给出。通过加或减相应的ppm值，能够很容易地确定相关联的部分或在相应的参考温度T₀的辅助电流的加权因子，这就产生了在参考温度T₀下具有所期望的温度系数的新电流。在不知道参考温度T₀以外的确切温度相关性函数的情况下，如何在整个温度范围内进行温度调整为好是不能确定的，而温度近似值可能或多或少地好一些。

下面的简单例子是说明根据等值的两个辅助电流I₁，I₂确定加权因子的。I₁有一个+5000ppm的温度相关性函数，I₂有一个-2000ppm的温度相关性函数。通过对I₂赋以加权因子2.5而相加，就得到总电流，总电流的温度相关性函数是0ppm，即表明至少在参考温度下没有温度相关性。I₁+2.5×I₂给出简单的ppm计算表示法：

5000ppm+(-2.5×2000ppm)＝0ppm

用I₂带加权因子2相减，给出一个差分电流I₁-2×I₂，这个差分电流在参考点上的温度有下列的简单ppm计算表示法表示的值：

5000ppm-(-2×2000ppm)＝9000ppm

为了可反复产生足够的电流以及可通过ppm的表达式简单计算加权因子，差分电流大约应该是单一电流I₁或I₂的数量级。具有不同温度相关性函数的电流的产生将参考实施例解释。

根据公式(6)，自动地补偿磁滞开关灵敏度，根据供应电流iv(T)所具有的那一种相关性函数，而较好地实现。下面要考虑的是假设霍尔元件半导体区域的表层电阻率r’作为供电电流iv和补偿电流j大小的共同因子。

第一个例子：如果iv(T)是一个恒定的量，并且与温度无关，那么uh(T)也是一个恒定的量，但补偿电流j(T)的温度相关性函数必须遵循下列条件：

(7)j(T)＝j(T₀)/(1+a×ΔT)

图1表示上述的一个较佳实施例。

第二个例子，如果霍尔元件的电源由供应电压V_DD直接提供，这样，由于供应电流iv和霍尔灵敏度在那时都是最大的，另一种有利的工作模式就会得到。在该情况下，供应电压V_DD的相应值和供应电压的通常温度相关性函数V_DD(T)，以及霍尔元件半导体区域的温度相关性函数进入供应电流iv的量值，这样，供应电流iv(T)就由下列公式来决定。公式中V_DD表示一个固定的供电电压参考值或一个标准值：

(8)iv(T，V_DD)＝iv(T₀)×(V_DD/V_DD0)/(1+a×ΔT)

根据公式(6)补偿电流j(T)也取决于供应电压V_DD。但是，霍尔元件半导体区域的温度相关性函数则必须进入具有因子1/(1+a×ΔT)²的补偿电流的量值中。这样，对于补偿电流j(T)得到下面的条件公式：

(9)j(T，V_DD)＝j(T₀)×(V_DD/V_DD0)/(1+a×ΔT)

所期望的温度相关性函数是通过第二个电流分量ik₂乘以第一电流分量ik₂取得，其中ik₁与1/(1+a×ΔT)成比例，ik₂与(V_DD/V_DD0)/(1+a×ΔT)成比例。这样，如所期望那样ik₁×ik₂＝j自然与(V_DD/V_DD0)/(1+a×ΔT)²成比例。由于电流相乘，具有零温度系数的第3电流分量ik₃就需要作为一个参考电流。第二个例子的较佳实施例如图2所示。

第三个例子，在一个更有利的工作模式中，霍尔元件的供应电压是由一个温度稳定的霍尔元件供应电压(＝V)提供，而不是由那个未较准的供应电压V_DD提供。然后，就仅需要将电流分量ik₁求平方而不是需要ik₁和ik₂这两个不同电流分量的相乘。具有零温度系数的参考电流ik₃仍然需要。补偿电流j(T)由下列公式得出：

(10)j(T)＝j(T₀)/(1+a×ΔT)²

如果a×ΔT远远小于1，那么平方因子1/(1+a×ΔT)²就可以近似地由因子1/(1+2×ΔT)代替，这样就可使设计更为简单化，这又是通过带有不同温度特性的电流的加或减来实现的。顺便说一下，上述情况适用于公式(8)和(9)中的平方因子。第三个例子中的较佳实施例如图3所示。

本发明和其它优点将通过参考各附图来详细地解释，其中：

图1是带有磁滞开关装置的霍尔传感器的第一较佳实施例的方框图；

图2是第二个较佳实施例的方框图，该装置中的霍尔元件是由供应电压V_DD直接供电；

图3是利用一个温度稳定霍尔元件供应电压V的第三个较佳实施例的方框图。

图1所示的是带有磁滞开关装置的霍尔传感器的第一个实施例。这是一个自补偿的霍尔传感器，这个霍尔传感器是通过使用单片集成电路技术来实现的，在这个传感器中，提供工作电流的所有电源装置都被集成在芯片表面ob上。该霍尔传感器设计为三端装置，即仅仅需要电源供应电压端V_DD，接地端M，和一个低阻抗的输出端K，这个输出端提供霍尔传感器的输出信号。

图1的实施例包括一个磁滞开关装置hs，hs将补偿电压uj叠加在霍尔电压uh上，以引起与霍尔元件h的检测输入2和4相连接的比较器K的确定的开闭。霍尔元件h可以简单地描述为，它由两上并联的霍尔元件与晶体晶格网络成90°角放置，并且相对晶全边缘成45°角的方向。

为使得霍尔元件被用作一个周期开关，使补偿电压uj被交替开闭，开闭动作由比较器k相应的状态而产生。为了这个目的，比较器k的输出连接到控制器st。控制器st又决定着电子转换开关s的相应位置。根据后者的位置，补偿电流j通过检测输入2或4输送到霍尔元件h。这个补偿电流j通过检测端2或4与接地端3之间的霍尔元件等效电阻rh上产生补偿电压uj。

对磁场的量化测量而言，磁滞开关装置hs是不必要的。比较器K由一个高阻抗线性传感装置来代替，这个装置检测霍尔电压uh，并且可以在低阻抗的输出端K得到一个相应的电压值。

补偿电流j的叠加不必在霍尔元件h上直接发生，但可能受去耦叠加装置f的影响，该装置作为一个附加电路详示于图1中，去耦网络由两个并联的晶体管组成，其增益利用等值的辅助电阻ra、ra’调整到相同值。连接到集电极端子2’，4’的是比较器K，补偿电流j被注入到该两集电极。基极2，4和集电极2’，4’被分别连接在霍尔元件h和电子转换开关s相应指定的各端。上述去耦叠加装置f仅作为示范。其它具体实施，包括使用场效应晶体管的具体装置，都能够由本领域技术人员实现。补偿电流j或它的一部分，也可以对称地叠加在霍尔电压uh上，而不需要磁滞开关装置hs。

这里明确地指出，这些实施例适合由用双极型管和场效应管技术或者二者混合的技术单片集成。各电路参数的匹配和各电路组件最适用的设计都是本领域技术人员所熟知的。

霍尔元件的工作电流，也就是供应电流iv和补偿电流j，都产生于集成在芯片表面ob上的电源供应装置。这使得操作电流能够在工艺上和热能上与霍尔元件半导体区域生产的变化及其各自的工作温度T相耦合。为了这个目的，电源供应装置包括了一个具有第一温度相关性函数的用于第一辅助电流i₁的第1电流源q₁，以及具有第2温度相关性函数的用于第2辅助电流i₂的第2电流源a₂。第1和第2电流源q₁和q₂分别包括至少1个第1电阻r₁和1个第2电阻r₂，第1、第2电流源的半导体区域在技术工艺上与霍尔元件h的半导体区域是等价的。例如，第1电流源q₁包括一个带有晶体管对t₁、t₂的带隙电路，这个晶体管对的发射区比率有这样的值A，例如A＝14。决定第1辅助电流il的第1电阻r₁由一个24千欧姆的电阻与一个207千欧姆的电阻串联构成。

众所周知，带隙电路的工作事实上主要是：晶体管对t₁、t₂的等发射电流是由调整电路调整到这样一个值，即基极—发射极电压差，该差值是由发射极面A引起的，它与涉及在电压比较中的r₁的电阻的电压降等值。这个电压比较是由第一控制器g₁进行的，这个放大器的输入被连接到第1晶体管t₁的发射极和第1电阻r₁的分压器的抽头上。

这个第1控制放大器g₁的输出被耦合到控制电流组的控制输入上，这个控制电流组通过不同的变换比形成了一个第1电流变换器b₁。根据上面给出的电阻值，带隙电路bg提供给每一个晶体管t₁，t₂ 5.7微安的发射极电流，一这就是第1辅助电流i₁。

如图1表示的带隙电路的实施例只是一个例子，其优点在于适于以场效应品体管技术实现：晶体管对t₁，t₂由基片晶体管组成，这种晶体管可以非常容易地用CMOS工艺技术实现。

带隙电路bg的另外一个优点是，它附加地提供了一个温度稳定的带隙电压Vr，这个电压是用作为第2电流源q₂的参考电压。在最简单的情况下，第2电流源q₂仅包括一个第2电阻r₂，这个电阻在工艺技术上与霍尔元件半导体区域的电阻相同，以及一个比较第2电阻两端电压与带隙电压Vr的第2控制放大器g2。通过第2电阻r₂的电流，即第2电流i₂由第2控制电流组(Current bark)，第2电流变换器b₂调整的，直到第2电阻r₂两端电压与带隙电压相等。于是，第2电流源q₂起着电压—电流变换器ui的作用。

第1辅助电流i₁的温度相关性函数是由带隙电路bg根据下式决定的：

(11)i₁(T)＝i₁(T₀)×(T/T₀)/(1+a×ΔT)

由于温度稳定带隙电压Vr的原因，第2辅助电流i₂的温度相关性函数是：

(12)i₂(T)＝i₂(T₀)/(1+a×ΔT)

如电压—电流变换器Ui的参考电压Vr不是与温度无关而取决于温度系数b(＝第2系数)，这个温度相关性函数将不得不作为一个附加因子1+b×ΔT，合并到条件等式(12)中去。即：

(13)i₂(T)＝i₂(T₀)×(1+b×ΔT)/(+1+a×ΔT)

例如，参考电压Vr的被确定与工艺技术相关的温度相关性函数，可以通过从一个或更多的基极—一发射极路径的温度相关性函数中得出来实现。这可以在一个合适的附加带隙电路中实现。

为说明图1中的实施例，下面给出一个具体示范值。温度稳定带隙电压Vr为1.2V，电阻r₂为39千欧姆，第2辅助电流i₂为21微安。如果利用CMOS技术，从n-并的表面电阻率r’即可推出霍尔元件半导体区域的温度系数a为+6220ppm。这里相应地给出了第1、第2辅助电流i₁、i₂的温度系数在参考温度T₀为333开尔文度时为-2887ppm和-6220ppm。

图1的实施例是在这样一个假设的基础上，即霍尔电压uh(T)是与温度无关的，根据公式(2)，这要求供应电压iV(T)也是与温度与无关的。第1和第2电流变换器b₁和b₂分别提供第1和第2分量电流i₁₁、i₁₂，…和i₂₁，i₂₂，相对于第1、第2辅助电流i₁和i₂，其具有固定的变换比c₁₁，c₁₂…和c₂₁，c₂₂，…，通过这种布置，即可实现所示的实施例。通过在加法/减法装置中加/减第1、第2分量电流，具有所期望的温度相关性函数的工作电流ui和j便产生了，这些都是通过加权因子c₁₁，c₁₂…产生的固定的分量电流比而调整确定的。加法/减法装置是由结点k₁，k₂，…形成的，各自的分量电流被提供到这些结点。

为了电流相加，来自两个电流变换器b₁，b₂的两个分量电流被直接供给到相应的结点，对于电流相减，一个分量电流的流动方向通过电流镜P在这个电流输入相关结点之前被反向。在电流相加过程中，正确标符号的ppm值针对参考温度相加，而在电流相减过程中，由于分量电流依靠电流镜P改变方向，ppm值在相加之前符号已相反。

在这种方式下，与温度无关的供应电流iv可以由两个分量电流构成，形成的电流必需通过一个合适的变换比而被高倍放大，这是因为霍尔元件的供应电流是7毫安。因此，可以在图1的实施例中采用不同的方法通过控制放大器r产生供应电流，这个控制放大器调整供应电流iv，直到霍尔元件h的检测输入2处的电压等于参考电压UV。这个控制是依靠一个第3控制器q₃完成的，这个第3控制器的输出被耦合到P-沟道晶体管的栅极，这个栅极被连接到供应电压V_DD到霍尔元件供应端之间的电流控制元件上。参考电压UV是由一个第3电阻r₃形成的，这个电阻在工艺技术上与霍尔元件半导体区域是等效的，并被提供一个来自第1节结k₁的与温度无关的电流iv因为i₁₁＝45微安，并且i₂₁＝21微安，所以这个实施例中iv₁＝24微安。加权因子c₁₁，c₂₇……是通过各自分量电流i₁₁，i₁₁，…大小而确定的。

由于两个电流源q₁，q₂的特定的耦合，第2电流变换器b₂的输出电流具有根据公式(7)的补偿电流j(T)的温度相关性函数。因此，补偿电流j就带有来自电流镜P的输出的加权因子c₂₃，电流镜P的输入由第2电流变换器b₂的第2辅助电流i₂提供。这里假设输入到电流镜的电流是21微安，并且加权因子c₂₃对就于0.74微安的电流。这样，供应电流iv大约比补偿电流j大10000倍。

图1的实施例表示出来自通过第2节点k₂的电流镜P的点线，如果有必要，通过节点k₂带有加权因子c₂₂的恒定的补偿电流被注入霍尔元件h的检测输入2，这里产生了霍尔电压uh的不平衡漂移。

来自带有加权因子c₂₄的第1、第2电流变换器b₁，b₂的虚线是说明在其它的ppm值，补偿电流j可通过第3节点k₃由不同加权的分量电流形成。

最后，一个点划线表示第1电流变换器b₁的进一步输出，第1电流变换器的加权因子c₁₃与第4节点k₄相连接，该节点也被提供来自电流镜P的加权因子c₂₃。这个点划线是示意地说明，通过确定加权因子的最佳值，既使非线性影响也可以在电流的加/减中加以考虑，就为高级别的影响提供了进一步的补偿能力。除了在参考温度T₀的斜率以外，在整个温度范围中的分量电流的特性曲线都可以被考虑进去，结果平均来说，补偿得到改善。由优选确定的加权因子不同于仅仅考虑参考温度T₀的加权因子。但方程(6)中的条件不能打破。

图2和图3的实施例中，在电源供应装置和磁滞开关装置区域处所示的功能单元是与图1中所示的那些有部分地相同。因此，这些功能单元由相同的标号指明，并且不再描述。不象图1的那样，图2中霍尔元件h直接与电源供应电压V_DD相连接，结果供应电流iv仅受霍尔元件的欧姆电阻R限制。这就在预定的供应电压V_DD下提供了最大的磁场灵敏度。

补偿电流j(T)的条件根据公式(9)得出。重要的是温度和材料特性因子1+a×ΔT以平方的形式进入公式(9)。在图2的实施例中，这是在乘法器m中通过乘以第1和第2电流分量ik₁、ik₂实现的。第1电流分量ik₁是从第2辅助电流i₂中得出的。辅助电流i₂的温度相关性函数由公式(12)给出。第2电流分量ik₂必须与电源供应电压V_DD和有关霍尔元件半导体区域表层电阻率r₁的倒数成比例。第2电流分量ik₂的条件分式因此为：

(14)ik₂(T，V_DD)＝ik₂(T₀)×(V_DD/V_DD0/(1+a×ΔT))

第2电流分量ik₂是通过第3电流源q₃形成的，这个电流源包括一个电流设定电阻r₄，这个电阻的半导体区域在技术工艺上与霍尔元件半导体区域是等效的。通过这个电阻r₄，形成供应电压V_DD，或与该电阻成比例的压降，这样，一个预先期望的相关性函数得到了。因为电阻r₄和PNP电流镜的基极—发射极路径的串联的缘故，图3所示的第3电流源仅近似地满足了这个要求。更精确但更昂贵的电路是本领域技术人员所熟悉的。大部分情况下，它们都被作成控制级。

乘法器m的输出送出具有根据公式(9)的所期望的温度相关性函数的补偿电流j。

当实现乘法器m时，必须区别使用双极型管技术工艺或者场效应管技术，特别是在CMOS技术中。用双极型管技术时，基极—发射极电压与发射极或集电极电流是指数函数关系，当用场效应晶体管技术时，其栅—源电压和漏电流之间是平方律的关系。用这两种方法乘法器m的参考电流输入br必须由第3电流分量ik₃供应，这个电流分量ik₃一定是与温度无关的。通过两个分量电流加权的加/减，这个第3分量电流ik₃通过如图2中所示的第5节点k₅产生。这个与温度无关的电流，就是图1的实例中的与温度无关的电流ik₁。更详细的解释就不必要了。

例如用CMOS技术制成的乘法器m在“IEEE固态电路杂志”1987年6月3日第SC-22卷第357至365页，一篇题为“基于饱和MOS晶体管的平方定律特性模拟CMOS电路的一类”的文章中被描述过。再例如一个用双极型管技术制作的乘法器在U.Tietze和ch.Schenk所著的“高级电子电路”一书(Springer-Verlag1978版)的1.8.2章的36至37页上的“具有对数功能网络的乘法器”一文中也描述过。在该文给出的例子中的图1.39中示意利用参考电压U₂对两个模拟电压值U_x和U_y相乘。通过忽略输入电阻R₁、R₂、R₂’，电路对于输入，电流以一简单方式被转换。更进一步地，电流输出必须利用电压、电流转换器由电压输出U₀而形成的。

图3所示的实施例与图2的实施例的不同之处仅仅在于霍尔元件h的供电端1不是连接末调整的电源电压V_DD，而连接温度稳定霍尔元件供应电压V。霍尔元件供电电压是由标准电压源Vg产生的，而标准电压源Vg可以构成上述举例的图2或图3中的电源供应装置的一部分。最好的解决办法是带隙电路Vg，这个带隙电路已经产生了温度稳定输出电压Vr。这个电压仅需要用常规电路方法升高到霍尔元件电源供应电压值，这可由适当的控制电路进行。

在图1的实施例中，第1，第2电流源q₁，q₂用这样的方法耦合到一起，就是第2辅助电流i₂在第2电阻r₂上产生一个与温度无关的电压降。因为霍尔元件的表层电阻率和第2电阻r₂在技术工艺上是等效的，第2电流组b₂的升高电流通过霍尔元件h的欧姆电阻产生了一个电压降，这个电压降也是与温度无关的。这一实现过程在图3所示的实施例中表示出，这里的霍尔元件供电端1是从电流变换器b₂那里接过来的。

由于温度稳定霍尔元件供电电压V的缘故，电路在乘法器m的区域得到简化，因为第2电流分量ik₂不再必要，只需形成第1电流分量ik₁，这个电流分量然后被平方。馈入参考电流输入br的第3电流分量ik₃保持不变。第1电流分量ik₁的平方是利用平方器mq完成的，例如，这个平方器是通过上述的乘法器m构成的，然后，第1电流分量ik₁被送入两入乘法输入端。

电流分量ik₁，ik₂的平方或相乘，导致在形成的电流j中的平方因子1/(1+a×ΔT)²。如果a×ΔT远远小于1，平方项可近似地由因子1/(1+2×ΔT)代替。然而，具有这样温度相关性函数的电流可由图1所示的两个分量电流的加权加/减产生，这就免除了对相对复杂的电流乘积或平方的需要。这一变化在图3中是由第六结点k₆与到第一和第二电流转换器b₁，b₂的电流连接虚线表示的。第6节点的输出就提供了所需的补偿电流。

Claims (16)

1.用单片集成电路技术实现的包括用于提供工作电流的集成电源电路装置的有补偿的霍尔传感器：

其特征在于：

—电源装置包括一个用于具有第1温度相关性函数的第1辅助电流(i₁)的第1电源(q₁)和用于具有第2温度相关性函数的第2辅助电流(i₂)的第2电流源(q₂)；

—第1、第2电流源(q₁，q₂)分别包括一个第1电阻(r₁)和第2电阻(r₂)，其半导体区域在技术工艺上与霍尔元件(h)的半导体区域等效；

—第1电流变换器(b₁)和第2电流变换器(b₂)分别传输第1分量电流(i₁₁，i₁₂…)和第2分量电流(i₂₁，i₂₂…)，其相对于第1和第2辅助电流(i₁，i₂)分别具有预定的传输比(c₁₁，c₁₂…；c₂₁，c₂₂…)；以及

—加法/减法装置通过第1、第2分量电流的加/减产生具有所需温度相关性函数的工作电流(iv，j)。

2.权利要求1中的霍尔传感器，其特征是，检测霍尔电压(uh)的元件(K)被集成在芯片的表面(ob)。

3.权利要求2中的霍尔传感器，其特征在于；

—工作电流包含一个供电电流(iv)和一个补偿电流(j)；

—叠加装置(hs)利用补偿电流(j)把补偿电压(uj)叠加在霍尔电压(uh)上；

—当补偿电流(j)被注入在技术工艺上与霍尔元件半导体区域等效的、至少一个辅助电阻(ra，ra’)时，叠加或者在霍尔元件(h)上直接发生，或者与霍尔元件解耦；

—补偿电源(j)的温度相关性函数是通过分量电流比率而确定的，它与供电电流(iv)的温度相关性函数有下列关系；

Δiv(T)/Δj(T)＝1+a×ΔT

这里

a＝霍尔元件半导体区域的表层电阻率的温度系数＝第一系数

T＝绝对温度

T₀＝参考温度

ΔT＝T-T＝参考温度差

4.权利要求3的霍尔传感器，其特征在于：

—检测元件是一个有两个状态的比较器(K)；

—叠加装置包括一个磁滞开关器件，这个磁滞开关通过相应的开关位置决定磁滞电压(uj)的方向；

—磁滞开关器件的控制输入(hs)被连接到比较器(K)的输出上。

5.权利要求4的霍尔传感器，其特征在于：

—第一电流源(q₁)包括一个带隙电路(bg)，这个电路利用具有发射区比率A的晶体管对(t₁，t₁)和第1电阻(r₁)产生具有下列温度相关性函数的第1辅助电流(i₁)：

i₁(T)＝i₁(T₀)×(T/T₀)/(1+a×ΔT)

—第2电流源(q₂)包括第2电阻(r₂)，这个电阻两端出现具有一个不同于第1电阻(r₁)两端电压温度相关性函数的电压(Vr)；

—第2辅助电流(i₂)的温度相关性函数是通过如下所示的一个第2系数(b)(＝第2电阻(r₂)两端电压(Vr)的温度相关系数)和第一系数(a)来确定的；

i₂(T)＝i₂(T₀)×(1+b×ΔT)/(1+a×ΔT)

并且

—第1和第2电流变换器是一个第一被控制的Current-bank(b1)和第2控制电流组(b₂)，这些电流组的输出提供具有预定传输比(c₁₁，c₁₂…；c₂₂，…)(＝加权因子)的分量电流(i₁₁，i₁₂…；i₂₁，i₂₂…)。

6.权利要求5的霍尔传感器，其特征是在电阻(r₂)两端的电压(Vr)为一个来自带隙电路(bg)的温度稳定电压。

7.对霍尔元件(h)的生产引起的灵敏度和温度的相关性进行自动补偿的方法，其特征在于下述步骤：

通过在芯片表面(ob)上把电源器件与霍尔元件(h)集成在一起而形成霍尔元件(h)所需的工作电流(iv，j)与霍尔元件(h)在热学上工艺上的密切耦合；

—电源装置产生了一个具有第1温度相关性函数的第1辅助电流(i1)和一个不同于第1辅助电流的具有第2温度相关性函数的第2辅助电流(i₂)；霍尔元件半导体区域的表层电阻率(＝r’)，作为一个共同的与温度和技术工艺有关的因子r’×(1+a×ΔT)，决定第1、第2辅助电流(i1，i2)的大小和温度相关性函数；

—通过利用加法/减法装置(k₁，k₂…)对第1、第2辅助电流(i₁，i₂)按比例地加或减，形成霍尔元件(h)的工作电流(iv，j)其工作电流的温度相关性由各附助电流部分的量值决定。

8.如权利要求7的方法，该方法的特征是：电源供应装置包括电流设定电阻(r₁，r₂)，这两个电阻在技术工艺上与霍尔元件半导体区域的等效。

9.如权利要求8中的方法，其特征是：霍尔元件的工作电流是由一个供应电流(iv)和一个补偿电流(j)形成的，这两个电流温度相关性函数关系如下：

Δiv(7)/Δj(T)＝1+a×ΔT。

10.一种在权利要求8中所提出的方法，其特征在于：

—第1辅助电流(i₁)是利用一个带隙电路(bg)产生的，第1辅助电流(i₁)的大小是由第1电阻(r₁)以及一个具有发射区比率为A的晶体管对(t₁，t₂)决定的，这个电阻(r₁)与霍尔元件半导体区域在技术工艺上等效；

—第2辅助电流(i₂)是利用第2电阻(r₂)形成的，这个电阻(r2)在技术工艺上霍尔元件半导体区域是等效的，在这个电阻两端形成一个电压(Vr)，这个电压的温度相关性函数与第1电阻(r₁)两端电压的温度相关性函数不同。

11.如权利要求10的方法，其特征是：第2电阻，(r，两端的电压是来自带隙电路(bg)的温度稳定的电压。

12.一种在权利要求9中提出的方法，其特征在于：

—供电电流(iv)被调整使得它在工作范围中的温度相关性函数变为零；

—补偿电流(j)被调整使得它在工作范围内温度相关性函数决定于公式j(T)＝j(T₀)×1(1+a×ΔT)。

13.一种在权利要求7中提出的方法，其特征在于：通过自动补偿，除了在第1和第2辅助电流的(i₁，i₂)成比例的加或减中考虑线性部分外，也考虑温度系数的非线性部分，通过成比例地对第1及第2辅助电流(i₁，i₂)的加和减，温度相关性函数的非线性部分也被减少了，第1和第2辅助电流(i₁，i₂)的各自部分是由必须预设置附加的传输比(c₁₃，…)决定的。

14.对一个包括磁滞开关装置(hs)的霍尔元件(h)的生产和温度所产生的磁滞开关灵敏度进行自动补偿的方法，该方法通过以下步骤实现：

—霍尔元件(h)所需的供应电流(iv)是由霍尔元件电阻(R)和向其提供的供应电压(V_DD)决定的；

—霍尔元件(h)所需的补偿电流(j)通过电源器件与霍尔元件(h)共同集成在一块芯片表面(ob)而形成在热学与工艺上与该霍尔元件(h)密切耦合；

—当乘法器(m)的参考输入(br)接收在参考温度(T₀)上的温度相关性函数为零的第3电源分量(ik₃)时，流入磁滞开关器件(hs)的补偿电流(j)利用乘法器(m)由一个第1和一个第2电流分量(ik₁，ik₂)形成；

—第1电流分量(ik₁)是通过被设计为相互作用的第1电流源9q₁)和第2电流源(q₂)而形成的，使得第1电流分量(ik₁)有下列相依关系：

ik₁(T)＝ik₁(T₀)×1/(1+a×ΔT)

这里

a＝霍尔元件半导体区域的温度系数(＝第1系数)

T＝绝对温度

T₀＝参考温度

ΔT＝T-T₀＝参考温度差。

—第2电流分量(ik₁)是通过第3电流源(q₃)而形成的，其设计使得供电电压(V_DD)连同它的绝对值和它的温度相关性函数进入第2电流分量(ik₂)，如下：

ik₂(T，V_DD)＝ik₂(T₀)×(V_DD(V_DD0)/(1+a×ΔT)

并且

—第三电流分量(ik₃)由第五结点(k₅)形成，这是通过按比例地从第一电流源(q₁)中加减第一附助电流(i₁)以及从第二电流源(q₂)中按比例加减具有另一温度相关性函数的第二附助电流形成的，各电流份额(权因子)是固定的，从而所得电流(ik₃)(＝第三电流分量)至少在参考温度附近表现出温度无关性。

15.权利要求14中所提出的方法，其特征如下：

当第1电流分量(ik₁)被平方和第3电流分量(ik₃)被输入到平方器(mq)的参考电流输入(br)时，如果用于霍尔元件(h)的未校准的供电电压(V_DD)由来自已校准电压源(Vg)的电压和温度稳定的霍尔元件供电电压(V)代替，那么，乘法器(m)就可以由平方器(mq)代替。

16.权利要求14或15中提出的方法，其特征是：补偿电流(j)的二次温度相关因子1/(1+a×ΔT)是由第1和第2辅助电流(i₁，i₂)通过第6节点(k₆)按比例的加或减所代替的，据此形成所得电流(j)(等于补偿电流)，它在参考温度T₀的温度相关性函数近似由因子1/(1+2×a×ΔT)来决定。

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