CN111026220A - 一种cmos霍尔传感器温度稳定控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种CMOS霍尔传感器温度稳定控制系统，包括CMOS霍尔传感器，用于输出霍尔电压，包括调制模块、放大模块、解调模块、滤波模块和温度稳定控制模块；调制模块用于输入霍尔电压，并输出混叠有失调电压的霍尔电压至放大模块；放大模块输出放大后的霍尔电压，输入至解调模块输出消除失调电压的霍尔电压至滤波模块，滤波模块输出滤波后的放大后的霍尔电压；温度稳定控制模块分别连接放大模块的输入端和滤波模块的输出端，用于采用负反馈调制方法对温度漂移进行补偿。优点：本发明能够使CMOS霍尔传感器线性输出的霍尔电压具有很好的温度稳定性。

Description

一种CMOS霍尔传感器温度稳定控制系统
技术领域
本发明涉及一种CMOS霍尔传感器温度稳定控制系统，属于磁传感器技术领域。
背景技术
CMOS霍尔传感器由于具有体积小、成本低、功耗低、可靠性高和易于集成等优点已经被广泛应用在工业自动化、汽车、消费类电子、航天测绘以及仪器仪表等众多领域。然而霍尔传感器作为一种半导体器件，其器件的磁场灵敏度却随着温度发生漂移，导致霍尔传感器输出的霍尔电压也随着温度发生较显著的变化。通常采用CMOS工艺的霍尔传感器电流灵敏度在-40oC～120oC工作温度范围内会发生8%左右的漂移，同时霍尔传感器的信号调理电路的放大倍数和直流工作点等性能也会随着温度发生漂移，从而严重限制了CMOS霍尔传感器的测量精度，因此必须采用温度稳定控制电路来实现CMOS霍尔传感器输出信号的稳定。传统的温度补偿方法是对霍尔器件进行开环式补偿，通过对霍尔器件施加补偿偏置电流来抵消霍尔器件灵敏度的漂移，但是这种方法只能对霍尔器件灵敏度的一阶系数进行开环式补偿，补偿精度不高。另一种温度补偿方法是对霍尔器件输出的霍尔电压放大后进行取样，通过负反馈闭环控制将所得信号送回前端与霍尔传感器输出信号相加来消除霍尔信号的温度漂移，但该方法不能适用于旋转电流失调消除技术，也不能抑制霍尔传感器信号调理电路的温度漂移，因此整体稳定霍尔输出电压的效果不好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种CMOS霍尔传感器温度稳定控制系统。
为解决上述技术问题，本发明提供一种CMOS霍尔传感器温度稳定控制系统，包括CMOS霍尔传感器，所述CMOS霍尔传感器包括霍尔器件和信号调理电路模块，所述霍尔器件用于输出霍尔电信号，信号调理电路模块用于将霍尔电信号进一步放大并将霍尔器件产生的失调消除，并输出放大后的霍尔电信号；
还包括温度稳定控制电路模块， 所述温度稳定控制电路模块包括霍尔器件温漂产生模块、温漂放大模块、相加模块和负反馈调制模块；
所述霍尔器件温漂产生模块，用于根据霍尔器件灵敏度的温漂系数产生具有同样温漂系数的温漂预产生电压Vdrift, 该温漂预产生电压Vdrift经过温漂放大模块放大后和信号调理模块输出的霍尔电压VHall一起送入相加模块，相加模块输出的电压经过取样电阻取样后送入负反馈调制模块，负反馈调制模块将取样信号调制为和霍尔器件输出的信号相同的频率，输出至所述信号调理电路模块，形成一个闭环负反馈系统。
进一步的，所述温度稳定控制模块的电路包括霍尔器件温漂预产生电路、第二温漂放大器、相加器、负反馈调制器、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9；
所述霍尔器件温漂预产生电路的输出端和电阻R1的一个端口相连接，电阻R1的另一个端口与第二温漂放大器的反相输入端和电阻R2的一个端口相连接，电阻R2的另一个端口和第二温漂放大器的输出端相连接，电阻R3的一个端口和第二温漂放大器的同相输入端相连接，电阻R3的另一个端口接地，第二温漂放大器的输出端和电阻R4的一个端口连接，电阻R4的另一个端口同时和相加器反相输入端、电阻R5和电阻R6的一个端口相连接，电阻R5的另一个端口和CMOS霍尔传感器输出端相连接，电阻R6的另一个端口和相加器的输出端相连接，电阻R7的一个端口和相加器的同相输入端相连接，电阻R7的另一个端口接地，相加器输出端和电阻R8的一个端口相连接，电阻R8的另一个端口同时连接负反馈调制器的输入端和电阻R9的一个端口，电阻R9的另一个端口接地，负反馈调制器的输出端连接放大模块的输入端。
进一步的，所述电阻R2采用可调电阻，用于调节第二温漂放大器的增益。
进一步的，所述电阻R6采用可调电阻，用于调节相加器的增益。
进一步的，所述电阻R9采用可调电阻，用于负反馈调制器的取样系数。
进一步的，所述霍尔器件温漂预产生电路包括4只PMOS管M1～M4、1个校准霍尔器件、2只电阻R10和R11以及1个参考电流源Iref和第一温漂放大器；
其中PMOS管M1、M2的源极和衬底均接电源Vdd，PMOS管M1和M2的栅极接PMOS管M1的漏极和PMOS管M3的源极和衬底，PMOS管M2的漏极接PMOS管M4的源极和衬底，PMOS管M3和M4的栅极接PMOS管M4的漏极，PMOS管M3的漏极接参考电流源Iref的输入端，参考电流源Iref的输出端接地，PMOS管M4的漏极接校准霍尔器件的输入端口A，校准霍尔器件的输入端口B接地，校准霍尔器件的输出端口C接第一温漂放大器的同相输入端，校准霍尔器件的输出端口D接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接第一温漂放大器的反相输入端和电阻R11的一端，电阻R11的另一端接第一温漂放大器的输出端并输出温漂预产生电压Vdrift。
进一步的，所述校准霍尔器件的形状和大小与CMOS霍尔传感器中的霍尔器件完全相同，具有相同的磁场灵敏度和温漂系数。
本发明所达到的有益效果：
1、本发明根据霍尔器件电流灵敏度随工作温度变化的特性，设计出霍尔器件温漂预产生电路，并将该霍尔器件温漂预产生电路纳入整个霍尔传感器闭环系统中，通过负反馈调制技术抵消霍尔器件输出霍尔电压随温度的变化。
2、本发明提出的霍尔传感器温度稳定控制电路不但能补偿霍尔器件灵敏度随温度的漂移，而且能补偿霍尔传感器信号调理电路随温度的变化，霍尔输出电压随温度稳定性好，电路技术方案简单，电路易于实现。
3、本发明提出的霍尔传感器温度稳定控制电路和CMOS工艺完全兼容，不需要特殊的工艺，制造成本低。
附图说明
图1是本发明提出的具有温度稳定控制功能的CMOS霍尔传感器原理示意图；
图2是本发明提出的图1中所示CMOS霍尔传感器温度稳定控制电路的原理图；
图3是本发明提出的图2中所示的霍尔器件温漂预产生电路原理图。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
CMOS集成霍尔传感器包括霍尔器件和信号调理电路模块。霍尔器件将磁场变为霍尔电信号后送入信号调理电路将霍尔电信号进一步放大并将霍尔器件产生的失调消除。由于霍尔器件的灵敏度和信号调理电路的放大倍数都随着温度发生变化，CMOS集成霍尔传感器输出的霍尔电压也随着温度发生漂移，为了使CMOS集成霍尔传感器输出霍尔电压具有温度稳定性，本发明提出的一种CMOS霍尔传感器温度稳定控制电路，其工作原理示意图如图1所示。CMOS霍尔传感器中的旋转电流调制电路首先将霍尔器件输出的霍尔电压调制为极性变化的高频信号，而霍尔器件的失调电压极性保持不变。然后将混叠有失调信号的霍尔电压送入差分-差分放大器放大后再送入解调电路将失调电压消除，最后通过低通滤波器输出放大后的霍尔电压。本发明在CMOS霍尔传感器输出端和差分-差分放大器之间加入一个温度稳定控制电路，该电路包括霍尔器件温漂预产生电路、第二温漂放大器、相加器和负反馈调制器。霍尔器件温漂预产生电路根据霍尔器件灵敏度的温漂系数产生具有同样温漂系数的温漂预产生电压Vdrift, 该温漂预产生电压Vdrift经过第二温漂放大器放大后和CMOS霍尔传感器输出的霍尔电压VHall一起送入相加器，相加器输出的电压经过取样电阻取样后送入负反馈调制器，负反馈调制器将取样信号调制为和霍尔器件输出同频率的信号，最后将负反馈调制器输出的信号送入霍尔传感器的差分-差分放大器的一个差分输入端，形成一个闭环负反馈系统，从而提高霍尔传感器线性输出霍尔电压的温度稳定性。
本发明提出的CMOS霍尔传感器温度稳定控制电路结构如图2所示。霍尔器件温漂预产生电路的输出端和电阻R1的一个端口相连接，电阻R1的另一个端口与第二温漂放大器的反相输入端和电阻R2的一个端口相连接，电阻R2的另一个端口和第二温漂放大器的输出端相连接，电阻R3的一个端口和温漂放大器2的同相输入端相连接，电阻R3的另一个端口接地。第二温漂放大器的输出端和电阻R4的一个端口连接，电阻R4的另一个端口同时和相加器反相输入端、电阻R5和电阻R6的一个端口相连接，电阻R5的另一个输入端和CMOS霍尔传感器输出端相连接，电阻R6的另一个端口和相加器的输出端相连接，电阻R7的一个端口和相加器的同相输入端相连接，电阻R7的另一个端口接地。相加器输出端和电阻R8的一个端口相连接，电阻R8的另一个端口同时连接负反馈调制器的输入端和电阻R9的一个端口，电阻R9的另一个端口接地。
以上所述CMOS霍尔传感器温度稳定控制电路中包含的电阻R2、R6和R9均为外接的可调电阻，调节电阻R2、R6和R9可分别调节温漂放大器2的增益、相加器的增益和负反馈调制器的取样系数。第二温漂放大器和相加器均采用低温漂的运算放大器实现。
以上所述霍尔器件温漂预产生电路由4只PMOS管M1～M4、1个校准霍尔器件、2只电阻R10和R11以及1个参考电流源Iref构成。其中PMOS管M1、M2的源极和衬底均接电源Vdd，PMOS管M1和M2的栅极接PMOS管M1的漏极和PMOS管M3的源极和衬底，PMOS管M2的漏极接PMOS管M4的源极和衬底。PMOS管M3和M4的栅极接PMOS管M4的漏极。PMOS管M3的漏极接参考电流源Iref的输入端，参考电流源Iref的输出端接地。PMOS管M4的漏极接校准霍尔器件的输入端口A，校准霍尔器件的输入端口B接地，校准霍尔器件的输出端口C接第一温漂放大器的同相输入端，校准霍尔器件的输出端口D接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接第一温漂放大器的反相输入端和电阻R11的一端，电阻R11的另一端接第一温漂放大器的输出端并输出温漂预产生电压Vdrift。
以上所述的霍尔器件温漂预产生电路中校准霍尔器件的形状和大小和图1所示CMOS霍尔传感器中的霍尔器件完全相同，具有相同的磁场灵敏度和温漂系数，PMOS管M4输出的电流为校准霍尔器件的输入偏置电流，其大小和CMOS霍尔传感器中的霍尔器件的偏置电流相同；第一温漂放大器采用低温漂、低失调的运算放大器实现；温漂预产生电压Vdrfit的温度系数和霍尔传感器中的霍尔器件的灵敏度温漂系数一致。
CMOS集成霍尔传感器温温度稳定控制电路的工作过程如下所述：当霍尔器件灵敏度随着温度增大而减小时，霍尔器件和校准霍尔器件输出的霍尔电压都随温度增大而减小，则温漂预产生电路输出的温漂预产生电压Vdrfit和霍尔器件灵敏度有相同的负温漂系数，将该温漂预产生电压Vdrfit经过第二温漂放大器放大后和CMOS霍尔传感器输出信号VHall进行相加操作，然后对相加器输出的信号进行取样后送入负反馈调制器进行信号的调制。负反馈调制器输出和旋转电流调制电路同频率的反馈信号至CMOS霍尔传感器的差分-差分放大器的一对差分输入端。由于负反馈调制器输出的反馈信号中的温漂预产生电压极性发生相反变化，即温漂预产生电压的大小随温度增加而增加。反之，当霍尔器件灵敏度随着温度增大而增大时，霍尔器件和校准霍尔器件输出的霍尔电压都随温度增大而增大，则温漂预产生电路输出的温漂预产生电压Vdrfit和霍尔器件灵敏度有相同的正温漂系数，则负反馈调制器输出的反馈信号中包含的温漂预产生电压的大小随温度增加而减小。当该温漂预产生电压形成的反馈信号同时和旋转电流调制电路输出的霍尔电压信号一起送入差分-差分放大器的两对差分输入端时正好可以抵消霍尔器件灵敏度的温度漂移而造成的输出霍尔电压随温度变化的情况。另一方面通过对CMOS霍尔传感器输出的霍尔电压进行负反馈调制，可以减小差分-差分放大器和解调电路等信号调理电路模块的静态工作点和增益随温度漂移的情况。通过以上两方面的作用，最终使CMOS霍尔传感器线性输出的霍尔电压具有很好的温度稳定性。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种CMOS霍尔传感器温度稳定控制系统，包括CMOS霍尔传感器，所述CMOS霍尔传感器包括霍尔器件和信号调理电路模块，所述霍尔器件用于输出霍尔电信号，信号调理电路模块用于将霍尔电信号进一步放大并将霍尔器件产生的失调消除，并输出放大后的霍尔电信号；
其特征在于，还包括温度稳定控制电路模块， 所述温度稳定控制电路模块包括霍尔器件温漂产生模块、温漂放大模块、相加模块和负反馈调制模块；
所述霍尔器件温漂产生模块，用于根据霍尔器件灵敏度的温漂系数产生具有同样温漂系数的温漂预产生电压Vdrift, 该温漂预产生电压Vdrift经过温漂放大模块放大后和信号调理模块输出的霍尔电压VHall一起送入相加模块，相加模块输出的电压经过取样电阻取样后送入负反馈调制模块，负反馈调制模块将取样信号调制为和霍尔器件输出的信号相同的频率，输出至所述信号调理电路模块，形成一个闭环负反馈系统。
2.根据权利要求1所述的CMOS霍尔传感器温度稳定控制系统，其特征在于，所述温度稳定控制模块的电路包括霍尔器件温漂预产生电路、第二温漂放大器、相加器、负反馈调制器、电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9；
所述霍尔器件温漂预产生电路的输出端和电阻R1的一个端口相连接，电阻R1的另一个端口与第二温漂放大器的反相输入端和电阻R2的一个端口相连接，电阻R2的另一个端口和第二温漂放大器的输出端相连接，电阻R3的一个端口和第二温漂放大器的同相输入端相连接，电阻R3的另一个端口接地，第二温漂放大器的输出端和电阻R4的一个端口连接，电阻R4的另一个端口同时和相加器反相输入端、电阻R5和电阻R6的一个端口相连接，电阻R5的另一个端口和CMOS霍尔传感器输出端相连接，电阻R6的另一个端口和相加器的输出端相连接，电阻R7的一个端口和相加器的同相输入端相连接，电阻R7的另一个端口接地，相加器输出端和电阻R8的一个端口相连接，电阻R8的另一个端口同时连接负反馈调制器的输入端和电阻R9的一个端口，电阻R9的另一个端口接地，负反馈调制器的输出端连接放大模块的输入端。
3.根据权利要求2所述的CMOS霍尔传感器温度稳定控制系统，其特征在于，所述电阻R2采用可调电阻，用于调节第二温漂放大器的增益。
4.根据权利要求2所述的CMOS霍尔传感器温度稳定控制系统，其特征在于，所述电阻R6采用可调电阻，用于调节相加器的增益。
5.根据权利要求2所述的CMOS霍尔传感器温度稳定控制系统，其特征在于，所述电阻R9采用可调电阻，用于负反馈调制器的取样系数。
6.根据权利要求2所述的CMOS霍尔传感器温度稳定控制系统，其特征在于，所述霍尔器件温漂预产生电路包括4只PMOS管M1～M4、1个校准霍尔器件、2只电阻R10和R11以及1个参考电流源Iref和第一温漂放大器；
其中PMOS管M1、M2的源极和衬底均接电源Vdd，PMOS管M1和M2的栅极接PMOS管M1的漏极和PMOS管M3的源极和衬底，PMOS管M2的漏极接PMOS管M4的源极和衬底，PMOS管M3和M4的栅极接PMOS管M4的漏极，PMOS管M3的漏极接参考电流源Iref的输入端，参考电流源Iref的输出端接地，PMOS管M4的漏极接校准霍尔器件的输入端口A，校准霍尔器件的输入端口B接地，校准霍尔器件的输出端口C接第一温漂放大器的同相输入端，校准霍尔器件的输出端口D接电阻R10的一端，电阻R10的另一端接第一温漂放大器的反相输入端和电阻R11的一端，电阻R11的另一端接第一温漂放大器的输出端并输出温漂预产生电压Vdrift。
7.根据权利要求6所述的CMOS霍尔传感器温度稳定控制系统，其特征在于，所述校准霍尔器件的形状和大小与CMOS霍尔传感器中的霍尔器件完全相同，具有相同的磁场灵敏度和温漂系数。
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