CN110377097B - 一种应用于电流模式的cmos集成霍尔传感器温度补偿电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于电流模式的CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，用于稳定电流模式CMOS集成霍尔传感器输出的霍尔电流，大幅度减弱温度对其的影响。该温度补偿电路包括零温度系数产生电路、零温度系数偏置电流源和温度系数可调电流补偿电路。当CMOS集成霍尔传感器内部的温度发生变化时，通过调整具有相反温度系数的片外可调电阻PTC热敏电阻R+和片外可调NTC热敏电阻R‑的阻值，使补偿电流随温度的变化与霍尔器件电流灵敏度随温度的变化相反，从而使霍尔电流不随温度发生改变。

Description

一种应用于电流模式的CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路
技术领域
本发明属于磁传感器技术领域，特别涉及一种应用于电流模式的CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路。
背景技术
霍尔传感器是一种基于霍尔效应将磁场转成相应电信号的电子器件，CMOS集成霍尔传感器具有体积小、成本低、功耗低、可靠性高以及抗干扰能力强等优点，目前应用于工业控制、消费电子、汽车工业、医疗器械以及智能仪表等众多领域。CMOS集成霍尔器件工作在电流模式下与工作在电压模式下相比，具有抗干扰能力强、灵敏度高等优点，其输出的霍尔电流(IH)和霍尔器件的电流灵敏度(SII)、偏置电流(Ibias)以及磁场的大小(B)成正比，即IH＝SII·Ibias·B。然而当偏置电流和磁场大小固定时，霍尔器件的电流灵敏度会随着温度发生变化，这导致了霍尔器件输出的霍尔电流也随着温度发生变化，最终严重影响了磁场测量的精度。霍尔器件电流灵敏度的温度系数取决于霍尔系数、载流子迁移率和N型半导体材料杂质浓度的温度系数。此外，封装应力引起的压电效应也会影响霍尔器件电流灵敏度的温度系数。目前低成本的塑料封装严重影响了CMOS霍尔传感器的工作稳定性和探测精度，因此必须采用一种温度补偿电路来稳定CMOS霍尔器件输出的霍尔电流。然而目前存在的温度补偿电路大多数是在霍尔信号放大的过程中采用电压负反馈技术来稳定输出的霍尔信号。这些在霍尔信号放大级进行温度补偿的方法不能从电流灵敏度随温度漂移的根源上补偿霍尔器件的偏置电流，使霍尔器件输出的霍尔电流不随温度发生变化，因此稳定霍尔输出电压的效果不好。
发明内容
针对上述现有技术中的问题，本发明的目的在于提出一种基于补偿霍尔器件偏置电流的CMOS集成霍尔传感器温度系数补偿电路，该方法通过对霍尔器件电流灵敏度随温度漂移造成的影响进行补偿，使霍尔器件输出的霍尔电流不随温度发生变化。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种应用于电流模式的CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，包括零温度系数产生电路、零温度系数偏置电流源和温度系数可调电流补偿电路，所述零温度系数产生电路为零温度系数偏置电流源和温度系数可调电流补偿电路提供零温度系数的电流，温度系数可调电流补偿电路将零温度系数的电流转化为温度系数可调的补偿电流，所述温度系数可调的补偿电流与零温度系数偏置电流源流出的零温度系数的电流同时为霍尔传感器A端口提供输入偏置电流；温度系数可调电流补偿电路产生的温度系数可调的补偿电流与零温度系数偏置电流源流出的零温度系数的电流通过零温度系数偏置电流源中的电流沉，使得霍尔传感器的C端口流出的偏置电流与霍尔器件的A端口输入的偏置电流大小相等、方向相反。
进一步的，所述温度系数可调电流补偿电路包括PMOS管M1、M2、M3、M4和M7，NMOS管M10，电阻R1和R2、片外可调电阻R+和R-以及运算放大器OP1，所述零温度系数偏置电流源包括PMOS管M5、M6、M8和M9以及NMOS管M11和M12，
所述PMOS管M1的源极接电源Vdd，PMOS管M1的漏极和PMOS管M2的源极相连接，PMOS管M1的栅极与PMOS管M5和PMOS管M8的栅极一起连接到零温度系数产生电路的a节点；所述PMOS管M2栅极和漏极与PMOS管M6和PMOS管M9的栅极一起连接到零温度系数产生电路的b节点；所述PMOS管M3的源极接电源Vdd，PMOS管M3的漏极和PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M7的栅极相连接；所述PMOS管M4的源极接电源Vdd，PMOS管M4的漏极和PMOS管M6的漏极及霍尔器件的A端口相连接；所述PMOS管M7的源极接电源Vdd，PMOS管M7的漏极和PMOS管M9的漏极相连接；所述电阻R1的一端和PMOS管M2的漏极相连接，电阻R1的另一端和电阻R2的一端以及运算放大器OP1的同相输入端相连接，电阻R2的另一端接地；所述片外可调电阻R+和R-并联后，一端和运算放大器OP1的反相输入端及NMOS管M10的源极相连接，另一端接地；所述NMOS管M10的漏极和PMOS管M3的漏极相连接，NMOS管M10的栅极和运算放大器OP1的输出端相连接；
所述PMOS管M5的源极接电源Vdd，PMOS管M5的漏极和PMOS管M6的源极相连接；所述PMOS管M8的源极接电源Vdd，PMOS管M8的漏极和PMOS管M9的源极相连接；所述NMOS管M11和M12构成电流沉，所述NMOS管M11的漏极和栅极、NMOS管M12的栅极、PMOS管M7的漏极以及PMOS管M9的漏极相连接，NMOS管M11的源极接地；所述NMOS管M12的漏极和霍尔器件的C端口相连接，NMOS管M12的源极接地；以上所有NMOS管的衬底接地，以上所有PMOS管的衬底接电源Vdd。
进一步的，所述零温度系数产生电路包括启动电路和零温度系数产生电流源，所述启动电路包括PMOS管M13和M14以及NMOS管M15，所述零温度系数产生电流源包括PMOS管M16、M17、M18和M19，电阻R3、R4和R5，PNP管Q1和Q2以及运算放大器OP2，
所述PMOS管M13的源极接电源Vdd，PMOS管M13的漏极和NMOS管M15的漏极相连接，PMOS管M13的栅极和PMOS管M14和NMOS管M15的栅极相连接；所述PMOS管M14的源极接电源Vdd，PMOS管M14的漏极和PMOS管M18的漏极、电阻R4和R3的一端以及运算放大器OP2的同相输入端相连接；NMOS管M15的源极接地；
所述PMOS管M16的源极接电源Vdd，PMOS管M16的漏极和PMOS管M18的源极相连接，PMOS管M16的栅极和PMOS管M17的栅极以及运算放大器OP2的输出端一起连接到输出的a节点；所述PMOS管M17的源极接电源Vdd，PMOS管M17的漏极和PMOS管M19的源极相连接；所述PMOS管M18的栅极和PMOS管M19的栅极一起连接到输出的b节点；所述PMOS管M19的漏极和运算放大器OP2的反相输入端和电阻R5的一端以及PNP管Q1的发射极相连接；电阻R4的另一端接地；电阻R3的另一端和PNP管Q2的发射极相连接；电阻R5的另一端接地；PNP管Q1的基极和集电极接地，PNP管Q2的基极和集电极接地；以上所有NMOS管的衬底接地，以上所有PMOS管的衬底接电源Vdd。
进一步的，所述电阻R+为正温度系数的片外可调PTC热敏电阻，R-为负温度系数的片外可调NTC热敏电阻，所述电阻R1、R2为低温度系数的多晶硅电阻。
进一步的，所述温度系数可调电流补偿电路中，通过调节片外可调PTC热敏电阻R+和片外可调NTC热敏电阻R-的值，控制补偿电流的温度系数，当温度升高或降低时，均通过调整具有相反温度系数的片外可调PTC热敏电阻R+和片外可调NTC热敏电阻R-的值来稳定霍尔器件的电流灵敏度。
本发明提供的用于补偿电流模式CMOS集成霍尔传感器电流灵敏度随温度变化的方法，与霍尔传感器所用的传统温度补偿方法相比，具有以下有益效果：
1、本发明利用CMOS集成霍尔器件电流灵敏度随温度变化的不同，设计了一种可调整补偿电流温度系数的补偿电流电路，这种方式能更精确地使补偿电流随温度变化的趋势与CMOS集成霍尔器件电流灵敏度随温度变化的趋势相反，从而稳定CMOS集成霍尔器件输出的霍尔电流不随温度发生变化。
2、本发明提出的温度补偿电路和CMOS工艺完全兼容，不需要特殊工艺，制造成本低。
3、本发明提出的温度补偿电路可同时补偿由于封装应力压电温度效应引起的霍尔器件电流灵敏度变化，补偿方案简单，电路易于实现。
附图说明
图1是深亚微米CMOS工艺集成霍尔器件电流灵敏度随温度变化的示意图。
图2是本发明提出的一种CMOS集成霍尔器件温度补偿电路框图。
图3是本发明提出的一种CMOS集成霍尔器件温度补偿电路原理图。
图4是本发明图3中的零温度系数产生电路原理图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，深亚微米CMOS集成霍尔器件的电流相对灵敏度随温度变化，可以看出当温度在-40℃-150℃时，深亚微米CMOS工艺集成霍尔器件的电流灵敏度随温度的升高而明显下降。
如图2和3所示，一种应用于电流模式的CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，包括零温度系数产生电路、零温度系数偏置电流源和温度系数可调电流补偿电路，所述零温度系数产生电路为零温度系数偏置电流源和温度系数可调电流补偿电路提供零温度系数的电流，温度系数可调电流补偿电路将零温度系数的电流转化为温度系数可调的补偿电流，所述温度系数可调的补偿电流与零温度系数偏置电流源流出的零温度系数的电流同时为霍尔传感器A端口提供输入偏置电流；温度系数可调电流补偿电路产生的温度系数可调的补偿电流与零温度系数偏置电流源流出的零温度系数的电流通过零温度系数偏置电流源中的电流沉，使得霍尔传感器的C端口流出的偏置电流与霍尔器件的A端口输入的偏置电流大小相等、方向相反。
具体地讲，所述温度系数可调电流补偿电路包括PMOS管M1、M2、M3、M4和M7，NMOS管M10，电阻R1和R2、片外可调电阻R+和R-以及运算放大器OP1，所述零温度系数偏置电流源包括PMOS管M5、M6、M8和M9以及NMOS管M11和M12，所述PMOS管M1的源极接电源Vdd，PMOS管M1的漏极和PMOS管M2的源极相连接，PMOS管M1的栅极与PMOS管M5和PMOS管M8的栅极一起连接到零温度系数产生电路的a节点；所述PMOS管M2栅极和漏极与PMOS管M6和PMOS管M9的栅极一起连接到零温度系数产生电路的b节点；所述PMOS管M3的源极接电源Vdd，PMOS管M3的漏极和PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M7的栅极相连接；所述PMOS管M4的源极接电源Vdd，PMOS管M4的漏极和PMOS管M6的漏极及霍尔器件的A端口相连接；所述PMOS管M7的源极接电源Vdd，PMOS管M7的漏极和PMOS管M9的漏极相连接；所述电阻R1的一端和PMOS管M2的漏极相连接，电阻R1的另一端和电阻R2的一端以及运算放大器OP1的同相输入端相连接，电阻R2的另一端接地；所述片外可调电阻R+和R-并联后，一端和运算放大器OP1的反相输入端及NMOS管M10的源极相连接，另一端接地；所述NMOS管M10的漏极和PMOS管M3的漏极相连接，NMOS管M10的栅极和运算放大器OP1的输出端相连接；所述PMOS管M5的源极接电源Vdd，PMOS管M5的漏极和PMOS管M6的源极相连接；所述PMOS管M8的源极接电源Vdd，PMOS管M8的漏极和PMOS管M9的源极相连接；所述NMOS管M11和M12构成电流沉，所述NMOS管M11的漏极和栅极、NMOS管M12的栅极、PMOS管M7的漏极以及PMOS管M9的漏极相连接，NMOS管M11的源极接地；所述NMOS管M12的漏极和霍尔器件的C端口相连接，NMOS管M12的源极接地；以上所有NMOS管的衬底接地，以上所有PMOS管的衬底接电源Vdd。
如图4所示，所述零温度系数产生电路包括启动电路和零温度系数产生电流源，所述启动电路包括PMOS管M13和M14以及NMOS管M15，所述零温度系数产生电流源包括PMOS管M16、M17、M18和M19，电阻R3、R4和R5，PNP管Q1和Q2以及运算放大器OP2，所述PMOS管M13的源极接电源Vdd，PMOS管M13的漏极和NMOS管M15的漏极相连接，PMOS管M13的栅极和PMOS管M14和NMOS管M15的栅极相连接；所述PMOS管M14的源极接电源Vdd，PMOS管M14的漏极和PMOS管M18的漏极、电阻R4和R3的一端以及运算放大器OP2的同相输入端相连接；NMOS管M15的源极接地；所述PMOS管M16的源极接电源Vdd，PMOS管M16的漏极和PMOS管M18的源极相连接，PMOS管M16的栅极和PMOS管M17的栅极以及运算放大器OP2的输出端一起连接到输出的a节点；所述PMOS管M17的源极接电源Vdd，PMOS管M17的漏极和PMOS管M19的源极相连接；所述PMOS管M18的栅极和PMOS管M19的栅极一起连接到输出的b节点；所述PMOS管M19的漏极和运算放大器OP2的反相输入端和电阻R5的一端以及PNP管Q1的发射极相连接；电阻R4的另一端接地；电阻R3的另一端和PNP管Q2的发射极相连接；电阻R5的另一端接地；PNP管Q1的基极和集电极接地，PNP管Q2的基极和集电极接地；以上所有NMOS管的衬底接地，以上所有PMOS管的衬底接电源Vdd。
所述电阻R+为正温度系数的片外可调PTC热敏电阻，R-为负温度系数的片外可调NTC热敏电阻，所述电阻R1、R2为低温度系数的多晶硅电阻。
所述温度系数可调电流补偿电路中，通过调节片外可调PTC热敏电阻R+和片外可调NTC热敏电阻R-的值，控制补偿电流的温度系数，当温度升高或降低时，均通过调整具有相反温度系数的片外可调PTC热敏电阻R+和片外可调NTC热敏电阻R-的值来稳定霍尔器件的电流灵敏度。
本发明的工作原理及过程如下：
零温度系数产生电路通过改变电阻R3与R4、R5的比值（其中R4=R5）来调整双极性晶体管Q1的V BE 和双极性晶体管Q1与Q2的△V BE 相加的比例系数，从而在常温下获得具有零温度系数的电流。零温度系数偏置电流源中的PMOS管M5和M6复制零温度系数产生电路产生的零温度系数电流，为霍尔器件的A端口提供输入偏置电流，而PMOS管M8和M9复制零温度系数产生电路产生的零温度系数电流后，再通过NMOS管M11和M12为霍尔传感器的C端口流出的偏置电流提供一个电流沉。温度系数可调电流补偿电路中，电阻R1、R2将PMOS管M1和M2复制的零温度系数产生电路产生的零温度系数电流转化为零温度系数的电压，运算放大器OP1将该零温度系数电压稳定在片外可调电阻R+和R-两端，从而产生一种温度系数可调的补偿电流，PMOS管M4复制PMOS管M3支路的温度系数可调的补偿电流，并为霍尔传感器A端口提供输入补偿电流，而PMOS管M7复制PMOS管M3支路的温度系数可调的补偿电流，再通过零温度系数偏置电流源中的NMOS管M11和M12为霍尔传感器的C端口流出的补偿电流提供一个电流沉。电流沉使霍尔器件的A端口输入的电流和C端口流出的电流大小相等、方向相反。CMOS霍尔器件温度系数可调补偿电路产生的补偿电流随温度的变化与霍尔传感器电流灵敏度随温度的变化极性正好相反，由公式IH＝SII·Ibias·B可知，输出的霍尔电流不随温度发生变化，公式中：IH指代输出的霍尔电流、SII指代霍尔器件的电流灵敏度、Ibias指代偏置电流、B指代磁场的大小，即输出的霍尔电流(IH)和霍尔器件的电流灵敏度(SII)、偏置电流(Ibias)以及磁场的大小(B)成正比。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种应用于电流模式的CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，其特征在于：包括零温度系数产生电路、零温度系数偏置电流源和温度系数可调电流补偿电路，所述零温度系数产生电路为零温度系数偏置电流源和温度系数可调电流补偿电路提供零温度系数的电流，温度系数可调电流补偿电路将零温度系数的电流转化为温度系数可调的补偿电流，所述温度系数可调的补偿电流与零温度系数偏置电流源流出的零温度系数的电流同时为霍尔传感器A端口提供输入偏置电流；温度系数可调电流补偿电路产生的温度系数可调的补偿电流与零温度系数偏置电流源流出的零温度系数的电流通过零温度系数偏置电流源中的电流沉，使得霍尔传感器的C端口流出的偏置电流与霍尔器件的A端口输入的偏置电流大小相等、方向相反；
所述温度系数可调电流补偿电路包括PMOS管M1、M2、M3、M4和M7，NMOS管M10，电阻R1和R2、片外可调电阻R+和R-以及运算放大器OP1，所述零温度系数偏置电流源包括PMOS管M5、M6、M8和M9以及NMOS管M11和M12，
所述PMOS管M1的源极接电源Vdd，PMOS管M1的漏极和PMOS管M2的源极相连接，PMOS管M1的栅极与PMOS管M5和PMOS管M8的栅极一起连接到零温度系数产生电路的a节点；所述PMOS管M2栅极和漏极与PMOS管M6和PMOS管M9的栅极一起连接到零温度系数产生电路的b节点；所述PMOS管M3的源极接电源Vdd，PMOS管M3的漏极和PMOS管M3、PMOS管M4、PMOS管M7的栅极相连接；所述PMOS管M4的源极接电源Vdd，PMOS管M4的漏极和PMOS管M6的漏极及霍尔器件的A端口相连接；所述PMOS管M7的源极接电源Vdd，PMOS管M7的漏极和PMOS管M9的漏极相连接；所述电阻R1的一端和PMOS管M2的漏极相连接，电阻R1的另一端和电阻R2的一端以及运算放大器OP1的同相输入端相连接，电阻R2的另一端接地；所述片外可调电阻R+和R-并联后，一端和运算放大器OP1的反相输入端及NMOS管M10的源极相连接，另一端接地；所述NMOS管M10的漏极和PMOS管M3的漏极相连接，NMOS管M10的栅极和运算放大器OP1的输出端相连接；
所述PMOS管M5的源极接电源Vdd，PMOS管M5的漏极和PMOS管M6的源极相连接；所述PMOS管M8的源极接电源Vdd，PMOS管M8的漏极和PMOS管M9的源极相连接；所述NMOS管M11和M12构成电流沉，所述NMOS管M11的漏极和栅极、NMOS管M12的栅极、PMOS管M7的漏极以及PMOS管M9的漏极相连接，NMOS管M11的源极接地；所述NMOS管M12的漏极和霍尔器件的C端口相连接，NMOS管M12的源极接地；以上所有NMOS管的衬底接地，以上所有PMOS管的衬底接电源Vdd。
2.根据权利要求1所述的应用于电流模式的CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，其特征在于：所述零温度系数产生电路包括启动电路和零温度系数产生电流源，所述启动电路包括PMOS管M13和M14以及NMOS管M15，所述零温度系数产生电流源包括PMOS管M16、M17、M18和M19，电阻R3、R4和R5，PNP管Q1和Q2以及运算放大器OP2，
所述PMOS管M13的源极接电源Vdd，PMOS管M13的漏极和NMOS管M15的漏极相连接，PMOS管M13的栅极和PMOS管M14和NMOS管M15的栅极相连接；所述PMOS管M14的源极接电源Vdd，PMOS管M14的漏极和PMOS管M18的漏极、电阻R4和R3的一端以及运算放大器OP2的同相输入端相连接；NMOS管M15的源极接地；
所述PMOS管M16的源极接电源Vdd，PMOS管M16的漏极和PMOS管M18的源极相连接，PMOS管M16的栅极和PMOS管M17的栅极以及运算放大器OP2的输出端一起连接到输出的a节点；所述PMOS管M17的源极接电源Vdd，PMOS管M17的漏极和PMOS管M19的源极相连接；所述PMOS管M18的栅极和PMOS管M19的栅极一起连接到输出的b节点；所述PMOS管M19的漏极和运算放大器OP2的反相输入端和电阻R5的一端以及PNP管Q1的发射极相连接；电阻R4的另一端接地；电阻R3的另一端和PNP管Q2的发射极相连接；电阻R5的另一端接地；PNP管Q1的基极和集电极接地，PNP管Q2的基极和集电极接地；以上所有NMOS管的衬底接地，以上所有PMOS管的衬底接电源Vdd。
3.根据权利要求1所述的应用于电流模式的CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，其特征在于：所述电阻R+为正温度系数的片外可调PTC热敏电阻，R-为负温度系数的片外可调NTC热敏电阻，所述电阻R1、R2为低温度系数的多晶硅电阻。
4.根据权利要求1所述的应用于电流模式的CMOS集成霍尔传感器温度补偿电路，其特征在于：所述温度系数可调电流补偿电路中，通过调节片外可调PTC热敏电阻R+和片外可调NTC热敏电阻R-的值，控制补偿电流的温度系数，当温度升高或降低时，均通过调整具有相反温度系数的片外可调PTC热敏电阻R+和片外可调NTC热敏电阻R-的值来稳定霍尔器件的电流灵敏度。
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Title
霍尔传感器温度漂移补偿电路设计;国旗，傅鹏，蒋力;《强激光与粒子束》;20170314;第29卷(第4期);第129-132页 *

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Assignee: NANJING UNIVERSITY OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS INSTITUTE AT NANTONG Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF POSTS AND TELECOMMUNICATIONS

Contract record no.: X2020980006914

Denomination of invention: A temperature compensation circuit for CMOS integrated Hall sensor in current mode

Granted publication date: 20200519

License type: Common License

Record date: 20201021

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