CN114089238A

CN114089238A - 一种霍尔信号处理电路

Info

Publication number: CN114089238A
Application number: CN202111534083.9A
Authority: CN
Inventors: 俞铁刚; 王龙; 管慧; 许明峰
Original assignee: Gochip Electronics Technology Co ltd
Current assignee: Gochip Electronics Technology Co ltd
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-02-25

Abstract

本发明提供了一种霍尔信号处理电路，涉及电学技术领域，旨在解决霍尔传感器的灵敏度降低，霍尔板上的功耗不断增加，造成芯片功耗更加严重的问题，采用的技术方案是，霍尔板结构由四个霍尔板串联实现，这四个霍尔板采用中心对称的布图设计，可以极大的消除生产工程中引入的霍尔板失调；采用两相旋转电流技术进一步消除霍尔板上的失调电压；信号预放大电路实现四个霍尔板输出的四对霍尔感应信号的求和放大，保证该结构的霍尔板电流降低到原来的1/4的前提下，灵敏度保持不变，实现了低失调电压，低功耗的霍尔感应电路，可以极大的消除霍尔板结构中的失调电压，在保证灵敏度保持不变的情况下，极大的减小霍尔板上的电流，减小霍尔传感器的功耗。

Description

一种霍尔信号处理电路

技术领域

本发明涉及电学技术领域，具体为一种霍尔信号处理电路。

背景技术

霍尔磁场传感器是一种基于霍尔效应的磁电转换器件。在霍尔传感器集成电路中，把霍尔器件和放大器，信号处理电路集成在同一颗芯片上。其中霍尔器件可以把感应到的磁场信号转化成微弱的电信号，放大器电路把微弱的电信号放大到一定幅度，后续的信号处理电路输出反应磁场变换信息的波形。霍尔磁场传感器具有体积小，成本低，功耗小，响应快，抗干扰强等优点。目前在工业控制，汽车电子，仪器制造等领域获得了广泛的应用。

由于硅材料的电子迁移率比较低，基于目前主流硅工艺制作的霍尔传感器，产生的电信号一般非常小。另外，由于芯片制造过程中各种非理想因数，会引起较高的CMOS霍尔器件失调电压。因此有效的消除霍尔板以及后续信号处理电路中的失调电压，一直是霍尔传感器设计中的难点。目前一般采用两相，四相，八相旋转电流技术来消除霍尔板本身的失调电压，另外，采用斩波调制技术，双相关采样技术等来消除后续放大器引入的失调电压。

随着硅工艺生产线特征尺寸的不断减小，前面提到的霍尔板失调电压高，霍尔板灵敏度低等问题变得更加严重。另外，整个为了保持霍尔传感器的灵敏度，霍尔板上的功耗也在不停增加，导致整个芯片的功耗问题变得非常严重。

发明内容

鉴于现有技术中所存在的问题，本发明公开了一种霍尔信号处理电路，采用的技术方案是，包括霍尔板和时钟产生电路，所述霍尔板包括A、B、C、D四个端口；还包括两相旋转电流电路，所述两相旋转电流电路包括四组所述霍尔板、时钟产生电路、16组传输门、八输入两输出的预放大电路和电压偏置电路VBIAS，所述霍尔板包括霍尔板H1、霍尔板H2、霍尔板H3和霍尔板H4；所述时钟产生电路包括时钟CLK1和时钟CLK2；所述传输门包括传输门T1、传输门T2、传输门T3、传输门T4、传输门T5、传输门T6、传输门T7、传输门T8、传输门T9、传输门T10、传输门T11、传输门T12、传输门T13、传输门T14、传输门T15和传输门T16，信号预放大电路实现四个霍尔板输出的四对霍尔感应信号的求和放大，保证该结构的霍尔板电流降低到原来的1/4的前提下，灵敏度保持不变，实现了低失调电压，低功耗的霍尔感应电路。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括反相器IVN2，所述反相器INV2的输入由时钟信号CK2控制，所述反相器INV2的输出和所述霍尔板H1的A1端相连，采用一种新的霍尔板结构，可以极大的消除霍尔板结构中的失调电压。

作为本发明的一种优选技术方案，所述霍尔板H1的B1端与所述传输门T1和所述传输门T2相连，所述传输门H1的D1端与所述传输门T3和所述传输门T4相连，所述霍尔板H1的C1端和所述霍尔板H4的B4端相连。

作为本发明的一种优选技术方案，所述霍尔板H4的C4端与所述传输门T5和所述传输门T6相连，所述霍尔板H4的A4端与所述传输门T7和所述传输门T8相连，所述霍尔板H4的D4端和所述霍尔板H3的C3端相连。

作为本发明的一种优选技术方案，所述霍尔板H3的D3端与所述传输门T9和所述传输门T10相连；所述霍尔板H3的B3端与所述传输门T11和所述传输门T12相连；所述霍尔板H3的A3端和所述霍尔板H2的D2端相连，霍尔板结构由四个霍尔板串联实现，这四个霍尔板采用中心对称的布图设计，可以极大的消除生产工程中引入的霍尔板失调。

作为本发明的一种优选技术方案，所述霍尔板H2的A2端与所述传输门T13和所述传输门T14相连；所述霍尔板H2的C2端与所述传输门T15和所述传输门T16相连，在保证灵敏度保持不变的情况下，极大的减小霍尔板上的电流，减小霍尔传感器的功耗。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括反相器IVN1，所述霍尔板H2的B2端和所述反相器INV1的输出端相连，所述时钟产生电路的输出CK1和所述反相器INV1的输入相连，采用两相旋转电流技术进一步消除霍尔板上的失调电压。

本发明的有益效果：本发明通过采用一种新的霍尔板结构，一方面可以极大的消除霍尔板结构中的失调电压；另一方面，在保证灵敏度保持不变的情况下，极大的减小霍尔板上的电流，减小霍尔传感器的功耗。

进一步的，本发明中的霍尔板结构由四个霍尔板串联实现，这四个霍尔板采用中心对称的布图设计，可以极大的消除生产工程中引入的霍尔板失调；采用两相旋转电流技术进一步消除霍尔板上的失调电压；信号预放大电路实现四个霍尔板输出的四对霍尔感应信号的求和放大，保证该结构的霍尔板电流降低到原来的1/4的前提下，灵敏度保持不变，实现了低失调电压，低功耗的霍尔感应电路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本传统两相霍尔板传感器；

图2为本发明时钟产生电路图一；

图3为本发明两相旋转电流电路；

图4为本发明时钟产生电路图二；

图5为本发明霍尔板连接方式图一；

图6为本发明霍尔板连接方式图二；

图7为本发明传统电路的放大器和信号处理电路图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相正对地重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1至图7所示，本发明公开了一种霍尔信号处理电路，采用的技术方案是，包括霍尔板和时钟产生电路，所述霍尔板包括A、B、C、D四个端口；还包括两相旋转电流电路，所述两相旋转电流电路包括四组所述霍尔板、时钟产生电路、16组传输门、八输入两输出的预放大电路和电压偏置电路VBIAS，所述霍尔板包括霍尔板H1、霍尔板H2、霍尔板H3和霍尔板H4；所述时钟产生电路包括时钟CLK1和时钟CLK2；所述传输门包括传输门T1、传输门T2、传输门T3、传输门T4、传输门T5、传输门T6、传输门T7、传输门T8、传输门T9、传输门T10、传输门T11、传输门T12、传输门T13、传输门T14、传输门T15和传输门T16。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括反相器IVN2，所述反相器INV2的输入由所述时钟产生电路CK2控制，所述反相器INV2的输出和所述霍尔板H1的A1端相连。

作为本发明的一种优选技术方案，所述霍尔板H1的B1端与所述传输门T1和所述传输门T2相连，所述传输门T1与三极管管Q2连接，所述传输门T2与PMOS管MP12连接，所述传输门H1的D1端与所述传输门T3和所述传输门T4相连，所述传输门T3与三极管管Q1连接，所述传输门T4与PMOS管MP11连接，所述霍尔板H1的C1端和所述霍尔板H4的B4端相连。

作为本发明的一种优选技术方案，所述霍尔板H4的C4端与所述传输门T5和所述传输门T6相连，所述传输门T5与三极管管Q4连接，所述传输门T6与PMOS管MP15连接，所述霍尔板H4的A4端与所述传输门T7和所述传输门T8相连，所述传输门T7与三极管管Q3连接，所述传输门T8与PMOS管MP14连接，所述霍尔板H4的D4端和所述霍尔板H3的C3端相连。

作为本发明的一种优选技术方案，所述霍尔板H3的D3端与所述传输门T9和所述传输门T10相连，所述传输门T9与PMOS管MP15连接，所述传输门T10与三极管管Q4连接；所述霍尔板H3的B3端与所述传输门T11和所述传输门T12相连，所述传输门T11与PMOS管MP14连接，所述传输门T12与三极管管Q3连接；所述霍尔板H3的A3端和所述霍尔板H2的D2端相连。

作为本发明的一种优选技术方案，所述霍尔板H2的A2端与所述传输门T13和所述传输门T14相连，所述传输门T13与PMOS管MP12连接，所述传输门T14与三极管管Q2连接；所述霍尔板H2的C2端与所述传输门T15和所述传输门T16相连，所述传输门T15与PMOS管MP11连接，所述传输门T16与三极管管Q1连接。

作为本发明的一种优选技术方案，还包括反相器IVN1，所述霍尔板H2的B2端和所述反相器INV1的输出端相连，所述时钟产生电路的输出CK1和所述反相器INV1的输入相连。

本发明的工作原理：在图1的传统两相霍尔传感器中，当时钟产生电路CLK2为高，时钟产生电路CLK1为低时，由时钟产生电路CLK2控制的PMOS管MP2关闭，NMOS管MN2打开；由时钟产生电路CLK1控制的PMOS管MP1打开，NMOS管MN1关闭。这样霍尔板的端口A和电源VDD相连，端口C和地相连，设图1中霍尔板A，C两端的等效电阻为R，那么霍尔板上流过的电流为VDD/R，在图3的霍尔传感器中，当时钟产生电路CK2为高，时钟产生电路CK1为低时，霍尔板H2的B2端和电源VDD相连，霍尔板H1的A1端和地GND相连，电流从霍尔板H2的B2端流入，从霍尔板H2的D2流出进入霍尔板H3的A3端，从霍尔板H3的C3端流出进入霍尔板H4的D4端，从霍尔板H4的B4端流出进入霍尔板H1的C1端，从霍尔板H1的A1端流出到地，假设每个霍尔板的尺寸和图1中的霍尔板一样，那么霍尔板上流过的电流为VDD/4R。

在图1的传统两相霍尔传感器中，当时钟产生电路CLK1为高，时钟产生电路CLK2为低时，由时钟产生电路CLK1控制的PMOS管MP1关闭，NMOS管MN1打开；由时钟产生电路CLK2控制的PMOS管MP2打开，NMOS管MN2关闭，这样霍尔板的端口C和电源VDD相连，霍尔板的端口A和地相连，考虑到霍尔板的正方形结构，可知霍尔板B、D两端的等效电阻也为R，那么霍尔板上流过的电流为VDD/R，在图3的霍尔传感器中，当时钟产生电路CK1为高，时钟产生电路CK2为低时，霍尔板H1的A1端和电源VDD相连，霍尔板H2的B2端和地GND相连，电流从霍尔板H1的A1端流入，从霍尔板H1的C1流出进入霍尔板H4的B4端，从霍尔板H4的D4端流出进入霍尔板H3的C3端，从霍尔板H3的A3端流出进入霍尔板H2的D2端，从霍尔板H2的B2端流出到地，霍尔板上流过的电流为VDD/4R。

图3中通过四个霍尔板串联工作的方式，把霍尔板上流过的电流从VDD/R降低到VDD/4R，另外，用两相工作的方式，实现了图1霍尔板中利用四相工作才能够实现的霍尔板失调消除。

一般地，当流经霍尔板上的电流减小为1/4时，霍尔板的灵敏度也下降为原来的1/4，在本发明中，采用八输入转两输出预放大电路，使得霍尔板的灵敏度保持不变；在图1中，当时钟产生电路CLK1为高，时钟产生电路CLK2为低时，电源从霍尔板的B端灌入电流，从霍尔板的D端流出到地，当处于一个磁场环境中的时候，根据洛伦磁力，会在霍尔板的A、C端产生大小相等，方向相反的电场信号，它们的共模信号，为VDD/2，后续的开关管PMOS管MP4、NMOS管MN3打开，PMOS管MP3、NMOS管MN4关闭，控制霍尔板的A、C端和放大器的输入相连，当时钟产生电路CLK2为高，时钟产生电路CLK1为低时，电源从霍尔板的A端灌入电流，从霍尔板的C端流出到地。这时会在霍尔板的B、D端产生大小相等，方向相反的电场，它们的共模信号也是VDD/2，后续的开关管PMOS管MP3、NMOS管MN4打开，PMOS管MP4、NMIS管MN3关闭，控制霍尔板的B、D端和放大器的输入相连。

在图3的霍尔板结构中，当时钟产生电路CK1为高，时钟产生电路CK2为低的时候，霍尔板的连接方式如图5，这个时候霍尔板H1的A1、C1端流过电流，当处于一个磁场环境中的时候，根据洛伦磁力，在它的B1、D1端产生大小相等，方向相反的电场，它们的共模电压为7/8VDD，电流经过霍尔板H4的B4、D4端，在它的A4、C4端产生大小相等，方向相反的电场，它们的共模电压为5/8VDD，电流经过霍尔板H3的C3、A3端，在它的D3、B3端产生大小相等，方向相反的电场，它们的共模电压为3/8VDD，电流经过霍尔板H2的D2、B2端，在它的A2、C2端产生大小相等，方向相反的电场，它们的共模电压为1/8VDD。

当时钟产生电路CK2为高，时钟产生电路CK1为低的时候，霍尔板的连接方式如图6，这个时候霍尔板H2的C2、A2端共模电压为7/8VDD，霍尔板H3的D3、B3端共模电压为5/8VDD，霍尔板H4的A4、C4端共模电压为3/8VDD，霍尔板H1的D1、B1端共模电压为1/8VDD。

当霍尔板的输出共模电压为5/8VDD、7/8VDD时，传输门会在时钟产生电路CK1或时钟产生电路CK2的控制下，把霍尔板的相应端口输入预放大电路中的三极管管Q1、Q2或Q3、Q4为输入管的差分对进行放大；当霍尔板的输出共模电压为1/8VDD、3/8VDD时，传输门会在时钟产生电路CK1和时钟产生电路CK2的控制下，把霍尔板的相应端口输入预放大电路中的PMOS管MP11、PMOS管MP12或PMOS管MP14、PMOS管MP15为输入管的差分对进行放大，在图3的预放大电路模块中，实现了4个霍尔板电路产生的电场信号的相加，这样，虽然每个霍尔板的工作电流分别为VDD/4R，最后等效的灵敏度和工作电流为VDD/R的霍尔板的灵敏度一样。

经过预放大电路的处理，后续的处理电路可以采用传统的霍尔板处理电路，图7给出了采用传统电路的放大器和信号处理电路而实现的完成电路。

本发明涉及的电路连接为本领域技术人员采用的惯用手段，可通过有限次试验得到技术启示，属于公知常识。

本文中未详细说明的部件为现有技术。

上述虽然对本发明的具体实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化，而不具备创造性劳动的修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种霍尔信号处理电路，包括霍尔板和时钟产生电路，所述霍尔板包括A、B、C、D四个端口；其特征在于：还包括两相旋转电流电路，所述两相旋转电流电路包括四组所述霍尔板、时钟产生电路、16组传输门、八输入两输出的预放大电路和电压偏置电路VBIAS，所述霍尔板包括霍尔板H1、霍尔板H2、霍尔板H3和霍尔板H4；所述时钟产生电路包括时钟CLK1和时钟CLK2；所述传输门包括传输门T1、传输门T2、传输门T3、传输门T4、传输门T5、传输门T6、传输门T7、传输门T8、传输门T9、传输门T10、传输门T11、传输门T12、传输门T13、传输门T14、传输门T15和传输门T16。

2.根据权利要求1所述的一种霍尔信号处理电路，其特征在于：还包括反相器IVN2，所述反相器INV2的输入由时钟信号CK2控制，所述反相器INV2的输出和所述霍尔板H1的A1端相连。

3.根据权利要求1所述的一种霍尔信号处理电路，其特征在于：所述霍尔板H1的B1端与所述传输门T1和所述传输门T2相连，所述传输门H1的D1端与所述传输门T3和所述传输门T4相连，所述霍尔板H1的C1端和所述霍尔板H4的B4端相连。

4.根据权利要求1所述的一种霍尔信号处理电路，其特征在于：所述霍尔板H4的C4端与所述传输门T5和所述传输门T6相连，所述霍尔板H4的A4端与所述传输门T7和所述传输门T8相连，所述霍尔板H4的D4端和所述霍尔板H3的C3端相连。

5.根据权利要求1所述的一种霍尔信号处理电路，其特征在于：所述霍尔板H3的D3端与所述传输门T9和所述传输门T10相连；所述霍尔板H3的B3端与所述传输门T11和所述传输门T12相连；所述霍尔板H3的A3端和所述霍尔板H2的D2端相连。

6.根据权利要求1所述的一种霍尔信号处理电路，其特征在于：所述霍尔板H2的A2端与所述传输门T13和所述传输门T14相连；所述霍尔板H2的C2端与所述传输门T15和所述传输门T16相连。

7.根据权利要求1所述的一种霍尔信号处理电路，其特征在于：还包括反相器IVN1，所述霍尔板H2的B2端和所述反相器INV1的输出端相连，所述时钟产生电路的输出CK1和所述反相器INV1的输入相连。