CN103308075A - 电流输出型线性霍尔传感器 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种电流输出型线性霍尔传感器，包括线性霍尔芯片及压控电流源模块，所述线性霍尔芯片包括稳压电路、磁场感应元件、放大器、输出级模块、补偿修调模块；压控电流源模块用以把磁场感应元件霍尔板上产生的电压信号转化成电流信号，使传感器的输出电流或者电源电流与传感器上所加磁场的磁场强度成线性关系。本发明通过在芯片内部集成压控电流源模块，把磁场感应元件霍尔板上产生的电压信号转化成电流信号，使芯片的输出电流或者电源电流与芯片上所加磁场的磁场强度成线性关系。同时传感器可以设计为只有电源和地两个与外界相连的端口，比传统线性霍尔传感器减少一个端口，可降低使用成本，可靠性更高。

Description

电流输出型线性霍尔传感器

技术领域

本发明属于集成电路技术领域，涉及一种霍尔传感器，尤其涉及一种电流输出型线性霍尔传感器。 

背景技术

霍尔传感器是利用霍尔效应原理将霍尔感应元件、放大器、补偿电路和其他电子线路、利用集成电路工艺技术集成在一个芯片上而制成，它具有体积小、寿命长、非接触式感应以及频率高等有点被广泛应用于汽车传感器模块、电子仪器仪表和工业控制领域。 

线性霍尔传感器芯片是霍尔传感器家族的重要成员，它根据外界磁场的磁场强度的变化输出与该磁场强度成线性关系的模拟电学信号，被广泛的应用于检测微小位移、角度测量、伺服电机控制和精密仪器仪表等工业控制领域。 

传统线性霍尔传感器芯片有3个端口，电源端口、地端口和输出端口。电源电压一般为3V到10V之间，在没有磁场时，输出电压为电源电压的一半，即VCC/2，随着S极磁场的增强，输出电压从VCC/2线性增加到接近最高电源电压；随着N极的增强，或者S极磁场的减弱，输出电压从VCC/2线性减小到接近地电压。 

传统线性霍尔传感器有两个缺点：（1）输出电压信号抗干扰能力弱，应用范围较窄；（2）芯片有3个端口，应用成本高，可靠性低。 

霍尔传感器把磁场强度值转换为电信号，然后传输到几百米外的控制室或者显示设备上。如果采用电压信号进行传输，则很容易受到供电电源和传输环境的干扰，并且由于导线电阻的存在，传输距离受到限制。工业上一般采用4～20mA的电流来传输模拟量。采用电流信号的原因是不容易受干扰，并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度，在普通双绞线上可以传输数百米。工业应用中，测量点一般在现场，而显示设备或者控制设备都在控制室或者控制柜上，两者之间的距离可能数十至数百米，所以传感器的端口越少则成本越低，且 可靠性更高。 

有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的霍尔传感器，以克服现有霍尔传感器的上述缺陷。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种电流输出型线性霍尔传感器，可提高输出信号的抗干扰能力。 

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案： 

一种电流输出型线性霍尔传感器，所述传感器包括：线性霍尔芯片及压控电流源模块，所述线性霍尔芯片包括稳压电路、磁场感应元件、放大器、输出级模块、补偿修调模块； 

所述稳压电路用以为传感器内的其他电路提供基准电压，使内部电路的工作状态不随电源电压的变化而发生变化； 

所述磁场感应元件用以感应外界磁场；随着外界磁场强度的变化，所述磁场感应元件根据霍尔效应产生相应的霍尔电压； 

所述放大器用以把霍尔电压进行放大到伏特级别，输入到输出级模块； 

所述输出级模块作为传感器与外界的接口电路； 

所述补偿修调模块用以实现霍尔电压的温度补偿、零磁场输出电压的修调以及失调电压的修调； 

所述压控电流源模块用以把磁场感应元件霍尔板上产生的电压信号转化成电流信号，使传感器的输出电流或者电源电流与传感器上所加磁场的磁场强度成线性关系。 

作为本发明的一种优选方案，所述线性霍尔芯片的输出电压Vout=Sen（hall）*β*B+Vout（0）=Sen（chip）*B+Vout（0）； 

其中：Vout表示线性霍尔芯片的输出电压；S（hall）表示磁场感应元件的灵敏度；β表示放大器的放大倍数；B表示磁场，S磁极为正，N磁极为负；Vout（0）表示零磁场输出电压值，为电源电压一半，即VCC/2；Sen（chip）表示芯片的灵敏度； 

所述压控电流源模块的输出电流Iout=K*Vout； 

其中：Iout为压控电流源模块的输出电流；K为压控电流源模块的放大倍数；Vout为线性霍尔芯片的输出电压； 

所述传感器的传输函数为：Iout=K*Sen*B+K*Vout（0）。 

作为本发明的一种优选方案，当传感器上的磁场强度为零时，输出电流为大小为K*Vout（0）的常量； 

当施加于传感器上的S极磁场增强时，输出电流线性增加，放大系数为直线的斜率K*Sen； 

当施加于传感器上的S极磁场减弱时或者N极增强时，输出电流线性减小，放大系数同样为直线的斜率K*Sen。 

作为本发明的一种优选方案，所述压控电流源模块包括第二放大器、MOS管NM1；第二放大器的正向端与线性霍尔芯片的输出脚Vout相连接，第二放大器的输出端与MOS管NM1的栅极相连接，MOS管NM1的源端通过电阻R1连接到地电平，并同时与放大器的负向端相连，MOS管NM1的漏端为电流输出端。 

作为本发明的一种优选方案，所述线性霍尔芯片共有3个端口，第一电源端口、第一地端口、第一输出端口； 

所述压控电流源模块共有4个端口，第二电源端口、第二地端口、输入端口、电流输出端口； 

第一电源端口、第二电源端口与整个传感器的电源端口相连；第一地端口、第二地端口与整个传感器的地端口相连；输入端口与线性霍尔芯片的第一输出端口连接；电流输出端口是整个传感器的电流输出端口。 

作为本发明的一种优选方案，所述传感器外接共3个端口：电源端口、地端口、电流输出端口。 

作为本发明的一种优选方案，所述传感器外接2个端口：电源端口、地端口，电源端口与供电电源相连，地端口与地电平相接；所述传感器的输出电流为传感器的电源电流Icc，电源电流Icc为线性霍尔芯片内处理电路的静态电流Iq1与压控电流源模块的输出电流Iq2之和。 

本发明的有益效果在于：本发明提出的电流输出型线性霍尔传感器，通过把 磁场感应元件霍尔板上产生的电压信号转化成电流信号，使芯片的输出电流或者电源电流与芯片上所加磁场的磁场强度成线性关系。电流输出型线性霍尔传感器抗干扰能力强，更适用于工业应用。电流输出型线性霍尔传感器可以比传统线性霍尔传感器减少一个端口，可降低使用成本，可靠性更高。本发明通过在线性霍尔芯片内部集成一个压控电流源模块，与标准集成电路制造工艺兼容，电路设计相对容易，且基本不增加成本。 

附图说明

图1为本发明传感器中线性霍尔芯片的组成示意图。 

图2为本发明线性霍尔传感器的组成示意图。 

图3为本发明线性霍尔传感器的传输曲线示意图。 

图4为实施例一中的压控电流源模块实施电路图。 

图5为实施例一中线性霍尔传感器的组成示意图。 

图6为实施例二中线性霍尔传感器的组成示意图。 

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。 

实施例一 

请参阅图2，本发明揭示了一种电流输出型线性霍尔传感器，图2是本发明电流输出型线性霍尔传感器的组成示意图。本发明线性霍尔传感器包含两个部分，线性霍尔芯片10和压控电流源模块20（voltage-controlled current source,简称VCCS）。 

线性霍尔芯片10的模块框图如图1所示，主要包含稳压电路11、磁场感应元件12、放大器13、输出级模块14和补偿修调模块15。 

其中，稳压电路10为芯片内的其他模块和电路提供基准电压，使内部电路的工作状态不随电源电压的变化而发生变化。磁场感应元件12用来感应外界磁场，随着外界磁场强度的变化，感应元件根据霍尔效应产生相应的霍尔电压，这 个霍尔电压非常小，一般为几微伏到几百微伏。放大器13把霍尔电压进行放大到伏特级别，输入到输出级模块。输出级模块14是芯片与外界的借口电路，输出电压的摆幅一般最低接近地电平，最高到达输入电源电平。补偿修调模块15主要包括霍尔电压的温度补偿、零磁场输出电压的修调以及失调电压的修调等功能电路。 

压控电流源模块20共有4个端口，第一个为电源端口，与整个芯片的电源端相连；第二个为地端口，与整个芯片的地端相连；第三个为输入端，与传统线性霍尔的输出连接；第四个端口为电流输出端口，是整个芯片的电流输出端。 

线性霍尔芯片的传输函数可以表示为： 

Vout=Sen（hall）*β*B+Vout（0）=Sen（chip）*B+Vout（0）  公式1 

其中： 

Vout表示芯片的输出电压； 

S（hall）表示磁场感应元件的灵敏度，一般为微伏级别； 

β表示放大器的放大倍数，一般为数百倍； 

B表示磁场，S磁极为正，N磁极为负； 

Vout（0）表示零磁场输出电压值，一般为电源电压一半，即VCC/2； 

Sen（chip）表示芯片的灵敏度，为传统线性霍尔传感器的重要参数。 

压控电流源模块的作用可以用一个公式表示： 

Iout=K*Vout----------公式2 

其中： 

Iout为压控电流源的输出电流； 

K为压控电流源的放大倍数，单位是跨导； 

Vout为线性霍尔芯片的输出电压。 

合并公式1和公式2即得到本发明电流输出型霍尔传感器芯片的传输函数： 

Iout=K*Sen*B+K*Vout（0）。 

传输曲线如图3所示，由图3可知：当芯片上的磁场强度为零时，输出电流为大小为K*Vout（0）的常量；当施加于芯片上的S极磁场增强时，输出电流线性增加，放大系数为直线的斜率K*Sen；当施加于芯片上的S极磁场减弱时 （或者N极增强时），输出电流线性减小，放大系数同样为直线的斜率K*Sen。 

压控电流源模块的电路实现有很多种，图4是本发明具体的一种实施电路；压控电流源模块包括第二放大器AMP、MOS管NM1、电阻R1。第二放大器AMP的正向端与线性霍尔芯片的输出脚Vout相连接，第二放大器的输出端与MOS管NM1的栅极相连接，MOS管NM1的源端通过电阻R1连接到地电平，并同时与第二放大器的负向端相连，MOS管NM1的漏端为电流输出端，该输出端可以直接接到传感器的控制电路或者电流感应模块形成3端电流输出型线性霍尔传感器；也可以与芯片的电源端相连形成2端电流输出型线性霍尔传感器。 

根据运算放大器工作原理，假定图4中的放大器放大倍数足够大，其正向端和负向端的电压保持相等（忽略失调电压），即NM1的源端电压与放大器的正向端电压保持一致，而放大器正向端电压为线性霍尔芯片的输出电压Vout，则NM1的源端电压即为Vout，从图中可得到流经电阻R1的电流为Vout/R1，MOS器件的稳态输入电流约为零，则NM1的漏端电流大小，输出电流Iout=Vout/R1。令K=1/R，则得到Iout=K*Vout；此公式与上文提到的公式2相同，其中K=1/R,为本压控电流源模块的跨导放大倍数。 

图5是本发明具体的一种实施电路。该电路有3个端口，电源端VCC与供电电源相接；地端与地电平相接；第三个端口为电流输出端，该端口可以与传感器系统中的控制模块相连，也可以与电流感应模块相连。根据前文所述，本电路的传输函数为Iout=Sen*B+Iout（0）。其中：Sen表征电路的灵敏度，大小等于Sen=Sen（hall）*β*K；Iout（0）为零磁场输出电流值，大小等于Iout（0）=Vout（0）*K。 

实施例二 

请参阅图6，本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，本发明电流输出型线性霍尔传感器为典型的两线制电流输出型霍尔传感器芯片。该电路有2个端口，电源端口与供电电源相连；地端与地电平相接；输出电流为芯片的电源电流Icc。 

从图6中可以看出，电源电流Icc分为两个分支，Iq1和Iq2。Iq1为芯 片内处理电路的静态电流，其大小为常数。Iq2为压控电流源的输出电流。本电路的传输函数推导如下： 

Icc=Iq1+Iq2-------公式3 

其中：Iq1为芯片的静态电流，大小为常数，一般为3-5mA。 

Iq2=Sen*B+Iout（0）--------公式4 

此处的Sen与第一种实施电路中的Sen一样，表征电路的灵敏度，大小为Sen=Sen（hall）*β*K。 

合并公式3和公式4，得到 

Icc=Sen*B+Iout(zero)------公式5 

其中，Iout（zero）=Iq1+Iout（0）为一常数。 

从公式5可以看出，本电路的电源电流大小与芯片所施加的磁场大小成线性关系，其灵敏度为Sen=Sen（hall）*β*K，零磁场电流值为Iout（zero）=Iq1+Iout（0）。 

综上所述，本发明提出的电流输出型线性霍尔传感器，通过在芯片内部集成压控电流源模块，把磁场感应元件霍尔板上产生的电压信号转化成电流信号，使芯片的输出电流或者电源电流与芯片上所加磁场的磁场强度成线性关系。同时传感器可以设计为只有电源和地两个与外界相连的端口，比传统线性霍尔传感器减少一个端口，可降低使用成本，可靠性更高。 

这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。 

Claims (7)

1.一种电流输出型线性霍尔传感器，其特征在于，所述传感器包括：线性霍尔芯片及压控电流源模块，所述线性霍尔芯片包括稳压电路、磁场感应元件、放大器、输出级模块、补偿修调模块；

所述稳压电路用以为传感器内的其他电路提供基准电压，使内部电路的工作状态不随电源电压的变化而发生变化；

所述磁场感应元件用以感应外界磁场；随着外界磁场强度的变化，所述磁场感应元件根据霍尔效应产生相应的霍尔电压；

所述放大器用以把霍尔电压进行放大到伏特级别，输入到输出级模块；

所述输出级模块作为传感器与外界的接口电路；

所述补偿修调模块用以实现霍尔电压的温度补偿、零磁场输出电压的修调以及失调电压的修调；

所述压控电流源模块用以把磁场感应元件霍尔板上产生的电压信号转化成电流信号，使传感器的输出电流或者电源电流与传感器上所加磁场的磁场强度成线性关系。

2.根据权利要求1所述的电流输出型线性霍尔传感器，其特征在于：

所述线性霍尔芯片的输出电压Vout=Sen（hall）*β*B+Vout（0）=Sen（chip）*B+Vout（0）；

其中：Vout表示线性霍尔芯片的输出电压；S（hall）表示磁场感应元件的灵敏度；β表示放大器的放大倍数；B表示磁场，S磁极为正，N磁极为负；Vout（0）表示零磁场输出电压值，为电源电压一半，即VCC/2；Sen（chip）表示芯片的灵敏度；

所述压控电流源模块的输出电流Iout=K*Vout；

其中：Iout为压控电流源模块的输出电流；K为压控电流源模块的放大倍数；Vout为线性霍尔芯片的输出电压；

所述传感器的传输函数为：Iout=K*Sen*B+K*Vout（0）。

3.根据权利要求2所述的电流输出型线性霍尔传感器，其特征在于：

当传感器上的磁场强度为零时，输出电流为大小为K*Vout（0）的常量；

当施加于传感器上的S极磁场增强时，输出电流线性增加，放大系数为直线的斜率K*Sen；

当施加于传感器上的S极磁场减弱时或者N极增强时，输出电流线性减小，放大系数同样为直线的斜率K*Sen。

4.根据权利要求1所述的电流输出型线性霍尔传感器，其特征在于：

所述压控电流源模块包括第二放大器、MOS管NM1；

第二放大器的正向端与线性霍尔芯片的输出脚Vout相连接，第二放大器的输出端与MOS管NM1的栅极相连接，MOS管NM1的源端通过电阻R1连接到地电平，并同时与放大器的负向端相连，MOS管NM1的漏端为电流输出端。

5.根据权利要求1所述的电流输出型线性霍尔传感器，其特征在于：

所述线性霍尔芯片共有3个端口，第一电源端口、第一地端口、第一输出端口；

所述压控电流源模块共有4个端口，第二电源端口、第二地端口、输入端口、电流输出端口；

第一电源端口、第二电源端口与整个传感器的电源端口相连；第一地端口、第二地端口与整个传感器的地端口相连；输入端口与线性霍尔芯片的第一输出端口连接；电流输出端口是整个传感器的电流输出端口。

6.根据权利要求5所述的电流输出型线性霍尔传感器，其特征在于：

所述传感器外接共3个端口：电源端口、地端口、电流输出端口。

7.根据权利要求5所述的电流输出型线性霍尔传感器，其特征在于：

所述传感器外接2个端口：电源端口、地端口，电源端口与供电电源相连，地端口与地电平相接；

所述传感器的输出电流为传感器的电源电流Icc，电源电流Icc为线性霍尔芯片内处理电路的静态电流Iq1与压控电流源模块的输出电流Iq2之和。

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