CN106153084B - 一种磁灵敏度温度补偿电路和可编程线性霍尔传感器芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁灵敏度温度补偿电路和可编程线性霍尔传感器芯片，包括霍尔薄片和差分放大器，霍尔薄片感应磁场信号并将其转化为霍尔电压信号并输出到差分放大器的输入端，还包括连接在差分放大器信号输出端OUT1和OUT2的斩波失调消除电路和放大器，放大器连接在斩波失调消除电路的信号输出端，经过放大器放大后的霍尔电压信号经过缓冲输出级上的输出口OUT输出；所述差分放大器为增益可调节的差分放大器，差分放大器上的尾电流源Ibias与绝对温度成正比，差分放大器上的负载电阻R1和R2均采用与霍尔薄片相同形状和材料的负载电阻。本发明通过上述原理，通过对霍尔薄片的灵敏度进行温度补偿，确保芯片的灵敏度不随温度发生变化。

Description

一种磁灵敏度温度补偿电路和可编程线性霍尔传感器芯片
技术领域
本发明涉及霍尔传感器领域，具体地，涉及一种磁灵敏度温度补偿电路和可编程线性霍尔传感器芯片。
背景技术
在霍尔薄片两端通以偏置电流I，并在薄片的垂直方向施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上，将产生电势差，该电势差被称为霍尔电压VHall
I为流过霍尔薄片的偏置电流；
B为垂直霍尔薄片的磁场大小；
d为霍尔薄片的厚度；
k为霍尔系数，它与霍尔薄片的几何形状，材料有关。
在线性霍尔传感芯片中，霍尔薄片感应环境磁场强度，产生霍尔电压，然后经过放大处理，输出与磁场强度成正比例的电压信号。当环境温度发生变化时，霍尔薄片的电阻阻值会随着温度发生变化。当霍尔薄片的工作电压固定时，电阻的变化会影响流过它的偏置电流I，从而影响到霍尔感应电压VHall的大小。当温度升高时，霍尔薄片的电阻变大，偏置电流I降低，线性霍尔传感器芯片的输出信号幅度会降低，灵敏度降低。
因此，对于固定工作电压方式的霍尔薄片来说，需要有一种方法来补偿霍尔薄片偏置电流随温度变化带来的影响，以确保温度发生变化时，磁灵敏度能保持不变。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种磁灵敏度温度补偿电路和可编程线性霍尔传感器芯片，通过对霍尔薄片的灵敏度进行温度补偿，确保芯片的灵敏度不随温度发生变化。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种磁灵敏度温度补偿电路，包括霍尔薄片和差分放大器，霍尔薄片感应磁场信号并将其转化为霍尔电压信号并输出到差分放大器的输入端，其特征在于，所述差分放大器为增益可调节的差分放大器，差分放大器上的尾电流源Ibias与绝对温度成正比，差分放大器上的负载电阻R1和R2均采用与霍尔薄片相同形状和材料的负载电阻。
本发明通过采用与霍尔薄片相同形状和材质的电阻作为电阻负载，以及与绝对温度成正比的尾电流源Ibias来实现对霍尔薄片灵敏度温度漂移的补偿，确保线性霍尔传感器芯片在工作中，遇到环境温度变化时，内部的霍尔薄片对磁场强度的感应灵敏度不会随着温度的增加而降低，实现对霍尔薄片的灵敏度进行温度补偿，确保芯片的灵敏度不随温度发生变化。
优选的，所述尾电流源Ibias为能够对霍尔电压的放大倍数进行编程控制的尾电流源Ibias。由于差分放大器的gm与尾电流源的大小成正比例关系，因此通过对尾电流源Ibias的电流大小进行编程控制，从而实现对差分放大器的放大倍数的编程控制，从而实现对整个线性霍尔传感芯片的增益进行编程控制。
优选的，所述尾电流源Ibias包括与绝对温度成正比的电流源IPTAT和NMOS电流镜NM0，电流源IPTAT给NMOS电流镜NM0提供电流，NMOS电流镜NM0镜像该电流源IPTAT给晶体管NM1至NM4，NMOS晶体管SN1至SN4实现对晶体管NM1至NM4的开关，数字信号bit1至bit4分别控制NMOS晶体管SN1到SN4的导通与关断。
优选的，所述差分放大器包括运放输入NPN晶体管对管Q1和Q2、尾电流源Ibias、用于提供差分放大器的增益放大系数的电流镜、用于提供串连连接负载电阻R1和R2两端到地电源直流通路的电流沉以及串联连接的负载电阻R1和R2，其中尾电流源Ibias的输出电流流入NPN晶体管对管Q1和Q2的源极，尾电流源Ibias的一端接地，串联连接的负载电阻R1和R2两端还连接信号输出端OUT1和OUT2，电流镜包括晶体管M1至M8，电流沉包括晶体管M9至M12。
优选的，所述负载电阻R1和R2的公共节点的电压通过一个电压跟随器输出保持为1/2电源电压。只有当公共节点的电压保持在该值，才能更好的保证线性霍尔传感器芯片的输出信号摆幅。
优选的，一种具有磁灵敏度温度补偿电路的线性霍尔传感器芯片，还包括连接在差分放大器信号输出端OUT1和OUT2的斩波失调消除电路和放大器，放大器连接在斩波失调消除电路的信号输出端，经过放大器放大后的霍尔电压信号经过缓冲输出级上的输出口OUT输出。
综上，本发明的有益效果是：
1、本发明通过采用与霍尔薄片相同形状和材质的电阻作为电阻负载，以及与绝对温度成正比的尾电流源Ibias来实现对霍尔薄片灵敏度温度漂移的补偿，确保线性霍尔传感器芯片在工作中，遇到环境温度变化时，内部的霍尔薄片对磁场强度的感应灵敏度不会随着温度的增加而降低，实现对霍尔薄片的灵敏度进行温度补偿，确保芯片的灵敏度不随温度发生变化。
2、本发明通过对尾电流源Ibias的电流大小进行编程控制，从而实现对差分放大器的放大倍数的编程控制，从而实现对整个线性霍尔传感芯片的增益进行编程控制。
3、拥有该霍尔薄片的霍尔传感器芯片不受温度的影响，组成的霍尔传感器灵敏度大大提高。
附图说明
图1是磁灵敏度温度补偿电路；
图2是线性霍尔传感器芯片原理框图；
图3为本发明偏置电流源Ibias的一种电路结构示例。
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。
实施例1：
如图1-3所示，本发明包括一种磁灵敏度温度补偿电路，包括霍尔薄片Hall Plate和差分放大器，霍尔薄片感应磁场信号并将其转化为霍尔电压信号并输出到差分放大器的输入端，其特征在于，所述差分放大器为增益可调节的差分放大器，差分放大器上的尾电流源Ibias与绝对温度成正比，差分放大器上的负载电阻R1和R2均采用与霍尔薄片相同形状和材料的负载电阻。
如图1中电路所示，差分放大器包括运放输入NPN晶体管对管Q1和Q2、尾电流源Ibias、用于提供差分放大器的增益放大系数的电流镜、用于提供串连连接负载电阻R1和R2两端到地电源直流通路的电流沉以及串联连接的负载电阻R1和R2，电流沉包括晶体管M9至M12，其中尾电流源Ibias的输出电流流入NPN晶体管对管Q1和Q2的源极，尾电流源Ibias的一端接地，串联连接的负载电阻R1和R2两端还连接信号输出端OUT1和OUT2，电流镜包括晶体管M1至M8，镜像比例为m，m即为差分放大器的增益放大系数，当电流镜确定以后，镜像比例m就确定。霍尔薄片和电流镜一端均连接VDD电源，霍尔薄片另一端接地。图1中的Vb1、Vb2和Vb3表示相应晶体管栅极的偏置电压。
我们知道差分放大器的增益如下：
Av＝m*gm*RL
其中gm是差分放大器输入NPN晶体管对管Q1和Q2的跨导，RL是负载电阻R1和R2的阻值。
因为本方案中的差分放大器采用与绝对温度成正比(PTAT)的尾电流源Ibias，因此放大器的跨导gm不随温度变化。
差分放大器的输出电压：
其中的VHall霍尔电压VHall，I为流过霍尔薄片的偏置电流；B为垂直霍尔薄片的磁场大小；d为霍尔薄片的厚度；k为霍尔系数，它与霍尔薄片的几何形状，材料有关；m为镜像比例；VDD为霍尔薄片电压；RHALL为霍尔薄片电阻。由于R1和R2采用和霍尔薄片相同的形状和材料，它们的阻值与霍尔薄片的阻值RHALL相同。因此，预防大级的差分放大器的输出电压：
从上式可知，该差分输出电压Vout与温度无关，与gm大小成正比，而放大器的跨导gm不随温度变化。
本发明通过采用与霍尔薄片相同形状和材质的电阻作为电阻负载，以及与绝对温度成正比的尾电流源Ibias来实现对霍尔薄片灵敏度温度漂移的补偿，确保线性霍尔传感器芯片在工作中，遇到环境温度变化时，内部的霍尔薄片对磁场强度的感应灵敏度不会随着温度的增加而降低，实现对霍尔薄片的灵敏度进行温度补偿，确保芯片的灵敏度不随温度发生变化。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上优选如下：尾电流源Ibias为能够对霍尔电压的放大倍数进行编程控制的尾电流源Ibias。
如图3所示，为尾电流源Ibias的一种实现方式，尾电流源Ibias还有其它不同的实现方式，该示例为4bit的编程精度，实际精度可根据具体应用需要进行调整。尾电流源Ibias包括与绝对温度成正比的电流源IPTAT和NMOS电流镜NM0，电流源IPTAT一端和NMOS电流镜NM0源极连接，电流源IPTAT另一端接电源VDD，NMOS电流镜的漏极接地，NM0镜像该电流源IPTAT给晶体管NM1至NM4，NMOS晶体管SN1至SN4实现对晶体管NM1至NM4的开关，数字信号bit1至bit4分别控制NMOS晶体管SN1到SN4的导通与关断。输出电流Iout流入差分放大器的输入对管Q1和Q2的源极。晶体管NM1至NM4的漏极均接地。
由于差分放大器的gm与尾电流源的大小成正比例关系，因此通过对尾电流源的电流大小进行编程控制，从而实现对差分放大器的放大倍数的编程控制，从而实现对整个线性霍尔传感芯片的增益进行编程控制。本方案通过数字信号bit1至bit4分别控制SN1到SN4的导通与关断，实现对尾电流源的大小进行精确编程控制，从而实现对差分放大器的放大倍数的编程控制，从而实现对整个线性霍尔传感芯片的增益进行编程控制。
实施例3：
本实施例在上述实施例的基础上优选如下：负载电阻R1和R2的公共节点的电压通过一个电压跟随器输出保持为1/2电源电压。只有当公共节点的电压保持在该值，才能更好的保证线性霍尔传感器芯片的输出信号摆幅。
实施例4：
如图2所示，本发明包括上述任意实施例所述的具有磁灵敏度温度补偿电路的线性霍尔传感器芯片，还包括连接在差分放大器信号输出端OUT1和OUT2的斩波失调消除电路和放大器，放大器连接在斩波失调消除电路的信号输出端，经过放大器放大后的霍尔电压信号经过缓冲输出级上的输出口OUT输出。其中的斩波失调消除电路和放大器采用现有常用的电路均能够实现，霍尔薄片采集到的霍尔电压通过差分放大器、斩波失调消除电路和放大器处理后得到的霍尔电压信号不易受外界干扰，特别是不受温度的影响，组成的霍尔传感器灵敏度大大提高。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种磁灵敏度温度补偿电路，包括霍尔薄片和差分放大器，霍尔薄片感应磁场信号并将其转化为霍尔电压信号并输出到差分放大器的输入端，其特征在于，所述差分放大器为增益可调节的差分放大器，差分放大器上的尾电流源Ibias与绝对温度成正比，差分放大器上的负载电阻R1和R2均采用与霍尔薄片相同形状和材料的负载电阻；所述差分放大器包括运放输入NPN晶体管对管Q1和Q2、尾电流源Ibias、用于提供差分放大器的增益放大系数的电流镜、用于提供串连连接负载电阻R1和R2两端到地电源直流通路的电流沉以及串联连接的负载电阻R1和R2，其中尾电流源Ibias的输出电流流入NPN晶体管对管Q1和Q2的源极，尾电流源Ibias的一端接地，串联连接的负载电阻R1和R2两端还连接信号输出端OUT1和OUT2，电流镜包括晶体管M1至M8，电流沉包括晶体管M9至M12。
2.根据权利要求1所述的一种磁灵敏度温度补偿电路，其特征在于，所述尾电流源Ibias为能够对霍尔电压的放大倍数进行编程控制的尾电流源Ibias。
3.根据权利要求1所述的一种磁灵敏度温度补偿电路，其特征在于，所述负载电阻R1和R2的公共节点的电压通过一个电压跟随器输出保持为1/2电源电压。
4.一种具有权利要求1或3所述的磁灵敏度温度补偿电路的可编程线性霍尔传感器芯片，其特征在于，还包括连接在差分放大器信号输出端OUT1和OUT2的斩波失调消除电路和放大器，放大器连接在斩波失调消除电路的信号输出端，经过放大器放大后的霍尔电压信号经过缓冲输出级上的输出口OUT输出。
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