CN103929166A - 一种可编程开关型霍尔传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可编程开关型霍尔传感器集成电路，利用低温度系数的电阻R4和R5与一个温度系数和霍尔薄片相同的参考电流来产生两个阈值电压，利用数字逻辑电路来控制阈值电压选择模块对这两个阈值电压以及其类型进行选择，然后提供给迟滞比较器作为基准电平与放大后的霍尔信号进行比较。由于阈值电压产生电路中的电阻R4和R5均为低温度系数的同类型电阻，可以很方便的调整阈值电压的大小，并且不会影响传感器灵敏度的温度稳定性与一致性。通过修调，调整R4和R5的阻值以及阈值电压选择电路，可以在很宽的范围内以很小的步长对霍尔开关的灵敏度进行调整。

Description

一种可编程开关型霍尔传感器

技术领域

本发明涉及霍尔传感器领域，具体地，涉及一种可编程开关型霍尔传感器。

背景技术

开关型霍尔传感器是根据霍尔效应制造的一种磁场传感器。它被广泛的应用于工业控制，消费电子，汽车电子等领域，用于进行非接触式的位置检测，转速检测等。

常规的开关型霍尔传感器通常包括稳压器，霍尔薄片，霍尔电压差分放大器，阈值电压产生电路，迟滞比较器，输出级。霍尔薄片感应磁场生成霍尔电压，通过差分放大器进行放大之后，与阈值电压产生电路提供的阈值电压进行比较，比较结果从迟滞比较器输出送入功率输出级。

当南极磁场强度足够大时，达到工作点(BOP)时，霍尔开关的输出级导通，输出低电平。当磁场强度往反方向变化，并达到释放点（BRP）时，霍尔开关的输出级关闭，输出高电平。磁场强度BOP与BRP的差值为迟滞宽度BHYS。

通常，人们把南极磁场靠近霍尔开关芯片标识面时，将霍尔开关标识面的磁场强度定义为正，反之北极磁场靠近霍尔开关标识面时，定义为负。当BOP为正，BRP为负时，该类霍尔开关被称为锁存型霍尔开关。当BOP为正，BRP也为正时，该类霍尔开关被称为单极型霍尔开关。

在不同的应用场合，需要不同灵敏度与不同类型的霍尔开关，对BOP，BRP的要求从20Gauss到300Gauss不等。不同灵敏度的霍尔开关都去生产一套模具，既增加了生产成本，还增加了运营管理成本。但是由于传统的霍尔开关其阈值电压产生电路的局限，使得通过修调电路来调整灵敏度的方法行不通。因为阈值电压产生电路中的正负温度系数电阻阻值比例是经过优化计算，以补偿霍尔开关的灵敏度温度稳定性的。如果修调调整阻值将极大影响霍尔开关的灵敏度温度稳定性。如图2所示的现有的阈值电压产生电路，通常，电阻R6和R9为正温度系数电阻，电阻R7和R8为负温度系数电阻。当随温度升高时，阈值电压ΔV1和ΔV2降低，以补偿霍尔薄片灵敏度的温度系数，通过把正负温度系数电阻设计成合适的阻值比例，可以实现比较稳定的灵敏度温度稳定性。该电路结构若通过对电阻R7和R8进行修调来调整灵敏度，由于改变了正负温度系数电阻的阻值比例，将会极大影响灵敏度的温度稳定性。若通过对差分运放的放大倍数来调整灵敏度，调整的步长不均匀，并且由于运放的摆幅，速度和功耗等指标的制衡，灵敏度的调整范围将受到限制。同样，该电路结构若通过对阈值电压选择电路进行修调来实现霍尔开关的类型变化，灵敏度的温度稳定性也将受到极大的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种生产成本低且便于生产运营、通过修调来控制传感器实现不同的灵敏度和类型，在改变传感器灵敏度和类型的同时，保持灵敏度的温度稳定性和一致性不发生变化的可编程开关型霍尔传感器。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是： 

一种可编程开关型霍尔传感器，包括：霍尔薄片,用于感应磁场信号将其转化为电压信号；阈值电压产生电路，用于产生与霍尔感应电压温度系数相同的两个阈值电压；与阈值电压产生电路串联的参考电流产生电路；

所述的参考电流产生电路，用于产生一个与霍尔薄片电流温度系数相同的偏置电流，其包括由运算放大器和晶体管M6构成的反馈环路、为运算放大器正输入端提供分压的分压电路、连接在晶体管M6源极与地之间的电阻R1、共源共栅电流镜电路、为共源共栅电流镜电路提供偏置电压的偏置电压产生电路，所述的电阻R1的几何形状和形状与霍尔薄片均相同；

所述的阈值电压产生电路包括共源共栅电流源电路、与共源共栅电流源电路串联用于产生两个阈值电压的电阻R4和电阻R5、对两个阈值电压进行选择的阈值电压选择电路、用于对阈值电压大小和阈值电压选择电路进行控制的修调电路；

所述的阈值电压选择电路上连接有用于产生控制时序的数字逻辑电路。

作为优选，还包括为参考电流产生电路和霍尔薄片提供稳定工作电压的稳压电路、对霍尔电压进行放大的差分放大电路、对放大后的霍尔信号进行失调消除的开关电容电路、对放大后的霍尔信号与阈值电压进行比较且输出判别结果的迟滞比较器。

作为优选，所述的电阻R4和电阻R5为同类型同尺寸的低温度系数电阻。

作为优选，所述的电阻R1的面积为霍尔薄片面积的四分之一。

作为优选，所述的分压电阻包括相串联的电阻R2和电阻R3，所述的电阻R2和电阻R3的阻值比为3:1。

综上，本发明的有益效果是：

1、相比于现有的开关型霍尔传感器集成电路，本发明主要在阈值电压的产生方式上进行了改进，参考电流产生电路产生一个温度系数与霍尔薄片灵敏度温度系数相同的偏置电流，用该偏置电流与低温度系数的电阻R4和R5产生两个阈值电压，根据数字逻辑电路提供的控制时序选择其中的一个阈值电压提供给迟滞比较器作为参考电平，与放大后的霍尔电压进行比较。采用该结构的霍尔开关的灵敏度不受电源电压和温度的影响，即使电阻R4和R5阻值发生变化，也丝毫不会影响灵敏度温度稳定性，确保灵敏度的温度稳定性和一致性。

2、本发明利用修调电路对阈值电压的大小和阈值电压的极性进行控制，实现对霍尔开关类型的选择，可实现单极型霍尔开关与锁存型霍尔开关。

3、本发明利用修调很方便的调整霍尔开关的灵敏度与类型，并且灵敏度调整范围很宽，调整步长均匀且小。

4、本发明仅需利用一套光刻板即可实现不同类型不同灵敏度的霍尔开关，降低了产品生产成本，同时极大方便了产品生产的运营与管理。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是现有的开关型霍尔传感器阈值电压产生电路的电路图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。应当明白，任何对技术特征和/或整体的变换而非实质性变换都应视为本发明所限定的保护范围。

一种可编程开关型霍尔传感器，包括：霍尔薄片,用于感应磁场信号将其转化为电压信号；阈值电压产生电路，用于产生与霍尔感应电压温度系数相同的两个阈值电压；与阈值电压产生电路串联的参考电流产生电路；

所述的参考电流产生电路，用于产生一个与霍尔薄片电流温度系数相同的偏置电流，其包括由运算放大器和晶体管M6构成的反馈环路、为运算放大器正输入端提供分压的分压电路、连接在晶体管M6源极与地之间的电阻R1、共源共栅电流镜电路、为共源共栅电流镜电路提供偏置电压的偏置电压产生电路，所述的电阻R1的几何形状和形状与霍尔薄片均相同；

所述的阈值电压产生电路包括共源共栅电流源电路、与共源共栅电流源电路串联用于产生两个阈值电压的电阻R4和电阻R5、对两个阈值电压进行选择的阈值电压选择电路、用于对阈值电压大小和阈值电压选择电路进行控制的修调电路；

所述的阈值电压选择电路上连接有用于产生控制时序的数字逻辑电路。

还包括为参考电流产生电路和霍尔薄片提供稳定工作电压的稳压电路、对霍尔电压进行放大的差分放大电路、对放大后的霍尔信号进行失调消除的开关电容电路、对放大后的霍尔信号与阈值电压进行比较且输出判别结果的迟滞比较器。

如图1所示本发明的PMOS晶体管M1和PMOS晶体管M2构成共源共栅电流镜电路，PMOS晶体管M5构成偏置电压产生电路且为PMOS晶体管M2提供偏置电压，运算放大器和晶体管M6构成的反馈环路其具体结构为运算放大器的输出端连接晶体管M6的栅极且负输入端连接晶体管M6的源极，其将电阻R1的电压稳定在电阻R2和电阻R3。共源共栅电流镜电路的PMOS晶体管M2的漏极连接在反馈环路晶体管M6的漏极上将流过电阻R1的电流Ib1镜像输出，使得Ib1的温度系数与流过霍尔薄片的电流温度系数相同。

PMOS晶体管M3和PMOS晶体管M4构成共源共栅电流源电路，通过电流镜镜像Ib1得到偏置电流Ib2，Ib2的温度系数与流过霍尔薄片的电流温度系数也相同，电阻R4和电阻R5串联后连接在共源共栅电流源电路PMOS晶体管M4的漏极上，电阻R4的电压降和电阻R5的电压降作为阈值电压，阈值电压选择电路根据数字逻辑电路提供的控制时序选择两个阈值电压中的一个并提供给迟滞比较器作为参考电平，与放大后的霍尔信号进行比较。阈值电压的温度系数与霍尔感应电压温度系数几乎相同，仅仅受到电阻R4和电阻R5的温度特性的影响。

分压电路对VDD进行分压，运算放大器和晶体管M6构成的反馈环路将电阻R1的电压稳定在[R3/(R2+R3)]*VDD，因此流过电阻R1的电流Ib1=[R3/(R2+R3)]*VDD/ R1，电阻R4两端的阈值电压ΔV=Ib2*R4=m* Ib1* R4，其中m为Ib1通过共源共栅电流镜电路镜像后得到Ib2的比例因子。有上两式可得：ΔV= m*[R3/(R2+R3)]*VDD/ R1* R4，分压电路的电阻的类型相同，即可知，ΔV的温度系数与VDD 、R1和R4有关。流过霍尔薄片的偏置电流大小为：I=VDD/Rhall。其中，VDD为稳压器输出的电压，Rhall为霍尔薄片的电阻。Vhall=k*I*B/d= k*VDD*B/Rhall/d，由此式可看出，Vhall的温度系数与VDD、Rhall的温度系数有关。由于电阻R1与霍尔薄片形状与材料均相同，其温度系数也相同。所以阈值电压ΔV与霍尔感应电压Vhall的温度系数的偏差仅仅在于电阻R4的温度系数。设计者只需选择低温度系数的电阻则可以实现霍尔开关磁感应灵敏度的极低的温度漂移。

采用该结构的霍尔开关的灵敏度不受电源电压和温度的影响，即使电阻R4和R5阻值发生变化，也丝毫不会影响灵敏度温度稳定性。且采用该结构的霍尔开关，使得修调电路可控制阈值电压的大小，以对霍尔开关的灵敏度进行调整，避免利用调整差分运放的放大倍数来调整灵敏度，使得灵敏度调整范围很宽，调整步长均匀且小。修调电路还可对阈值电压选择电路进行控制，以调整阈值电压的极性，实现对霍尔开关类型的选择，使其可以实现单极型霍尔开关与锁存型霍尔开关。当阈值电压选择电路提供相同极性的两个阈值电压，比如说两个正电压，给开关电容电路时，霍尔开关类型为单极型霍尔开关。当阈值电压选择电路提供两个不同极性的阈值电压给开关电容电路时，霍尔开关类型为锁存型霍尔开关。

由于该霍尔开关可实现不同类型不同灵敏度，其制作时，只需一套光刻板即可，不需根据不同灵敏度的霍尔开关去生产模具，降低了生产成本，同时极大方便了产品生产的运营与管理。

由于阈值电压与霍尔感应电压的温度系数不同之处仅在于电阻R4或电阻R5的温度变化，所述的电阻R4和电阻R5为同类型同尺寸的低温度系数电阻。电阻R4和电阻R5为同类型同尺寸的低温度系数电阻，其电阻的变化比率低，相应降低霍尔传感器的磁灵敏度的温度漂移率。所述的电阻R4和电阻R5的温度系数可为1x10-5/℃。采用温度系数为1x10-5/℃的电阻，则温度从-40℃到150℃时，电阻的变化比率不到0.2%。

为了进一步的节约版图面积，所述的电阻R1的面积为霍尔薄片面积的四分之一。

为了进一步的降低偏置电流，节约功耗，所述的分压电阻包括相串联的电阻R2和电阻R3，所述的电阻R2和电阻R3的阻值比为3:1。反馈环路将电阻R1的电压稳定在电阻R2和电阻R3的分压值，即稳定在R3/(R2+R3) *VDD，当电阻R2和电阻R3的阻值比例过大，电阻R1两端的电压越高，此时电阻R1的功耗大；当电阻R2和电阻R3的阻值比例过小，其精度会受到影响；综合考虑，电阻R2和电阻R3的阻值比为3:1。

在实际运用中，稳压器输出5V的电源电压供给参考电流产生电路，电阻R1与具体霍尔薄片的电阻值相关，电阻R2取值120 KΩ，电阻R3取值30 KΩ，电阻R4和电阻R5的取值分别为25 KΩ至250 KΩ，修调电路以25 KΩ的步长来调整R4和R5的大小，可实现霍尔开关灵敏度参数Bop和Brp从30Gauss到300Gauss的调整，调整步长30Gauss，该灵敏度范围已几乎涵盖目前所有霍尔开关的应用需要。

如上所述，可较好的实现本发明。

Claims (5)

1.一种可编程开关型霍尔传感器，包括：霍尔薄片,用于感应磁场信号将其转化为电压信号；阈值电压产生电路，用于产生与霍尔感应电压温度系数相同的两个阈值电压；其特征在于：还包括与阈值电压产生电路串联的参考电流产生电路；

所述的参考电流产生电路，用于产生一个与霍尔薄片电流温度系数相同的偏置电流，其包括由运算放大器和晶体管M6构成的反馈环路、为运算放大器正输入端提供分压的分压电路、连接在晶体管M6源极与地之间的电阻R1、共源共栅电流镜电路、为共源共栅电流镜电路提供偏置电压的偏置电压产生电路，所述的电阻R1的几何形状和形状与霍尔薄片均相同；

所述的阈值电压产生电路包括共源共栅电流源电路、与共源共栅电流源电路串联用于产生两个阈值电压的电阻R4和电阻R5、对两个阈值电压进行选择的阈值电压选择电路、用于对阈值电压大小和阈值电压选择电路进行控制的修调电路；

所述的阈值电压选择电路上连接有用于产生控制时序的数字逻辑电路。

2.根据权利要求1所述的一种可编程开关型霍尔传感器，其特征在于：还包括为参考电流产生电路和霍尔薄片提供稳定工作电压的稳压电路、对霍尔电压进行放大的差分放大电路、对放大后的霍尔信号进行失调消除的开关电容电路、对放大后的霍尔信号与阈值电压进行比较且输出判别结果的迟滞比较器。

3.根据权利要求1所述的一种可编程开关型霍尔传感器，其特征在于：所述的电阻R4和电阻R5为同类型同尺寸的低温度系数电阻。

4.根据权利要求1所述的一种可编程开关型霍尔传感器，其特征在于：所述的电阻R1的面积为霍尔薄片面积的四分之一。

5.根据权利要求1或4任一所述的一种可编程开关型霍尔传感器，其特征在于：所述的分压电阻包括相串联的电阻R2和电阻R3，所述的电阻R2和电阻R3的阻值比为3:1。