CN114279470A - 锁存霍尔传感器和电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开一种锁存霍尔传感器和电子设备，所述锁存霍尔传感器包括：全极性霍尔传感模块，用于检测外部磁场，并输出外部磁场分别与南极磁场阈值、北极磁场阈值比较得到的南极比较信号和北极比较信号；锁存逻辑模块，连接至所述全极性霍尔传感模块的输出端，用于对所述南极比较信号和北极比较信号进行锁存逻辑运算，并输出控制信号，在其中一个比较信号发生翻转时，所述控制信号的电平发生翻转并锁存当前状态，直至另一个比较信号发生翻转，所述控制信号的电平再次发生翻转。上述锁存霍尔传感器能够实现稳定可靠的切换。
Description
技术领域
本申请涉及霍尔传感技术领域，具体涉及锁存霍尔传感器和电子设备。
背景技术
霍尔器件是一种基于霍尔效应原理制作的磁性传感器，霍尔效应是电磁效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，导体内垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差被称为霍尔电势差。
霍尔传感器件内部集成了霍尔器件，此类传感器件具有功耗小、灵敏度高、输入输出隔离度高等特点，已经被广泛应用于工业、通信和仪器制造等领域。应用霍尔传感器的开关电路广泛应用于工业、通信和仪器制造等领域，在电机测速计、人机界面旋钮和机械行程等应用场景中。
但是霍尔传感器输出信号容易收到外界磁场抖动干扰，使得输出信号的可靠性，应用于开关电路中，无法提供稳定可靠的切换控制。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种锁存霍尔传感器和电子设备，以解决现有的锁存霍尔传感器的面积和功耗较大的问题。
本申请提供的一种锁存霍尔传感器，包括：全极性霍尔传感模块，用于检测外部磁场，并输出外部磁场分别与南极磁场阈值、北极磁场阈值比较得到的南极比较信号和北极比较信号；锁存逻辑模块，连接至所述全极性霍尔传感模块的输出端，用于对所述南极比较信号和北极比较信号进行锁存逻辑运算，并输出控制信号，在其中一个比较信号发生翻转时，所述控制信号的电平发生翻转并锁存当前状态，直至另一个比较信号发生翻转，所述控制信号的电平再次发生翻转。
可选的，所述锁存逻辑模块包括移位寄存器和连接至所述移位寄存器输出端的逻辑运算单元；所述移位寄存器用于将所述比较模块依次串行输出的两次比较信号，并行输出为信号Q1、信号Q2：所述逻辑运算单元用于对信号Q1、信号Q2进行运算，输出控制信号Q3，其中运算逻辑为：第n+1个控制信号。
可选的，所述移位寄存器包括第一触发器和第二触发器，所述第一触发器的输入端连接至所述比较模块的输出端，所述第一触发器的输出端连接至所述第二触发器的输入端，且所述第一触发器和第二触发器的时钟端用于连接至第一时钟信号。
可选的，所述逻辑运算单元包括第一非门、第二非门、与门、或门以及第三触发器，所述移位寄存器的两个输出端分别连接至所述第一非门以及第二非门的输入端；所述与门的一个输入端连接至所述第一非门的输出端，输出端连接至所述或门的一个输入端；所述或门的另一输入端连接至所述第二非门的输出端，所述或门的输出端连接至所述第三触发器的输出端；所述第三触发器的输出端连接至所述与门的另一输入端，时钟端用于连接至第二时钟信号。
可选的，所述第二时钟信号的上升沿时刻位于所述第一时钟信号的每两个上升沿时刻之间。
可选的，所述全极性霍尔传感模块包括南极霍尔传感单元和北极霍尔传感单元；所述南极霍尔传感单元用于输出外部磁场与南极磁场阈值的南极比较信号，所述北极霍尔传感单元用于输出外部磁场与北极磁场阈值的北极比较信号。
可选的，所述南极霍尔传感单元和所述北极霍尔传感单元分别通过一开关连接至所述锁存逻辑模块的输入端。
可选的，所述南极霍尔传感单元包括：第一霍尔盘，第一放大器，第一比较器，所述第一霍尔盘的两个相对的信号端作为信号控制端，其中一个信号控制端连接至电源，另一个信号控制端接地；另外两个信号端作为信号输出端，分别连接至所述第一放大器的两个输入端；所述第一放大器的输出端连接至所述第一比较器的正输入端，所述第一比较器的负输入端连接至第一参考电压；所述北极霍尔传感单元包括：第二霍尔盘，第二放大器，第二比较器，所述第二霍尔盘的两个相对的信号端作为信号控制端，其中一个信号控制端连接至电源，另一个信号控制端接地；另外两个信号端作为信号输出端，分别连接至所述第二放大器的两个输入端；所述第二放大器的输出端连接至所述第二比较器的正输入端，所述第二比较器的负输入端连接至第二参考电压；所述第二霍尔盘的两个信号控制端的方向与所述第一霍尔盘的两个信号控制端方向垂直。
可选的，还包括：输出模块，用于将所述锁存逻辑模块输出的控制信号反相放大后输出。
本申请还提供一种电子设备，包括：上述任一项所述的锁存霍尔传感器。
本申请的锁存霍尔传感器能够对霍尔传感模块输出的南极比较信号、北极比较信号进行锁存逻辑处理，实现对控制信号的锁存，避免外部磁场抖动导致而导致磁场阈值不稳定的问题，消除外部磁场抖动对输出的控制信号造成的影响，使得锁存霍尔传感器能够输出更为稳定可靠的控制信号。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是在外部磁场抖动导致的霍尔电压的偏移量的示意图；
图2是本申请一实施例的锁存霍尔传感器的结构示意图；
图3是本申请一实施例的锁存霍尔传感器的结构示意图；
图4是本申请一实施例的锁存霍尔传感器的全极性霍尔传感模块的结构示意图；
图5是本申请一实施例的锁存霍尔传感器的锁存逻辑运算模块的结构示意图；
图6是本申请一实施例的锁存霍尔传感器的功能示意图；
图7是本申请一实施例的锁存霍尔传感器的各个开关控制信号和时钟信号的时序示意图。
具体实施方式
如背景技术中所述，现有的霍尔传感器无法提供稳定可靠的控制信号。霍尔元件将霍尔电压VH与参考电压Vref通过比较器比较后输出控制信号，参考电压Vref为磁场阈值对应的霍尔电压VH。当霍尔传感器的外加磁场为磁场阈值时，A·VH-Vref＝0，A为对霍尔电压的放大倍数。
实际情况下，还需要考虑磁场抖动带来的影响，A·VH-Vref+ΔVH＝0，ΔVH为磁场抖动量产生的霍尔电压的偏移量。由于磁场抖动是一个随机过程，产生的霍尔电压的偏移量ΔVH的幅值有正也有负(请参考图1)，从而导致比较器的翻转点不确定，进而影响霍尔传感器输出的控制信号的可靠性。
本发明提出一种新的锁存霍尔传感器，具有磁滞功能，能够通高输出的控制信号的稳定性。
下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
请参考图2，为本发明一实施例的锁存霍尔传感器的结构示意图。
所述锁存霍尔传感器包括全极性霍尔传感模块110和锁存逻辑模块120。
所述全极性霍尔传感模块110用于检测外部磁场，并输出外部磁场分别与南极磁场阈值、北极磁场阈值比较得到的南极比较信号Vo1和北极比较信号Vo2。在外部磁场达到对应的磁场阈值时，输出的比较信号发生翻转，所述比较信号为0(低电平)或1(高电平)，比较信号发生翻转包括从0翻转为1，或者从1翻转为0。
所述南极磁场和北极磁场仅指代两个方向相反的磁场，南极和北极并不一定与地理的南北极严格对应。
所述锁存逻辑模块120，连接至所述全极性霍尔传感模块110的输出端，用于对所述南极比较信号Vo1和北极比较信号Vo2进行锁存逻辑运算，并输出控制信号，在其中一个比较信号发生翻转时，所述控制信号的电平发生翻转并锁存当前状态，直至另一个比较信号发生翻转，所述控制信号的电平再次发生翻转，最终实现锁存功能。
所述全极性霍尔传感模块110包括霍尔元件，能够根据外加磁场变化产生对应的霍尔电压。该实施例中，所述霍尔元件为霍尔盘，所述霍尔元件为正方形的霍尔盘，所述两对信号端分别为于两组相对的顶角。具有两对信号端，其中一对信号端作为两个控制端，连接至控制电压端，用于输入控制电压，另一对信号端作为两个输出端，所述两个输出端用于输出与外部磁场相关的传感信号。在本发明的实施例中，所述全极性霍尔传感模块110包括两个霍尔元件，分别用于感应南极磁场和北极磁场，从而分别产生南极磁场对应的霍尔电压、北极磁场产生的霍尔电压，并与对应的阈值电压比较，从而输出相应的比较信号。该实施例中，两个控制端和两个输出端分别位于正方形霍尔盘的两个相对的顶角，控制端之间的控制电流方向与输出端之间的感应电流相位相差90°。
请参考图3，为本发明一实施例的锁存霍尔传感器的结构示意图。
该实施例中，所述全极性霍尔传感模块110包括南极霍尔传感单元111以及北极霍尔传感单元112，所述南极霍尔传感单元111用于感应南极磁场，并与南极磁场阈值比较，输出南极比较信号Vo1；所述北极霍尔传感单元112用于感应北极磁场，并与北极磁场阈值比较，输出北极比较信号Vo2。所述南极霍尔传感单元111和北极霍尔传感单元112分别通过输出通路上的开关S1、开关S2依次将两个比较信号输出至所述锁存逻辑模块120。
所述锁存逻辑模块120包括移位寄存器121和连接至所述移位寄存器121的输出端的逻辑运算单元122；所述移位寄存器121用于将获取的所述比较模块120依次输出的两次串行输入的比较信号Vo1和比较信号Vo2，并行输出为信号Q1、信号Q2：所述逻辑运算单元132用于对信号Q1、信号Q2进行运算后输出控制信号Q3，所述逻辑运算单元132实现的运算逻辑为：第n+1个控制信号
由于数字逻辑运算实现的多样性，在其他实施例中，所述锁存逻辑模块120还可以采用其他功能模块结构或者其他运算逻辑，只要最终能够实现本申请中的所述锁存逻辑模块120所实现的逻辑运算功能即可。
请参考图4，为本发明一实施的霍尔传感模块的结构示意图。
所述霍尔传感模块110包括南极霍尔传感单元111和北极霍尔传感单元112。
具体的，所述南极霍尔传感单元111包括：霍尔盘1，放大器AMP1，比较器CMP1。霍尔盘1的两个相对的信号端H1、H3作为信号控制端，信号端H1连接至电源VDD，信号端H2接地；另外两个信号端H2、H4作为信号输出端，其中信号端H4连接至所述放大器AMP1的正输入端，信号端H2连接至所述放大器AMP1的负输入端，所述放大器AMP1用于对所述霍尔盘1输出的霍尔电压VH进行放大后输出。所述放大器AMP1的输出端连接至所述比较器CMP1的正输入端，所述比较器CMP1的负输入端连接至参考电压Vref，用于将所述霍尔电压与所述参考电压比较，并输出比较信号Vo1。所述参考电压Vref对应于所述霍尔盘1在南极磁场阈值Bop下，所能产生的霍尔电压。
相应的，所述北极霍尔传感单元112包括霍尔盘2，放大器AMP2，比较器CMP2。霍尔盘1的两个相对的信号端H2、H4作为信号控制端，信号端H2连接至电源VDD，信号端H4接地；另外两个信号端H1、H3作为信号输出端，其中信号端H3连接至所述放大器AMP2的正输入端，信号端H1连接至所述放大器AMP1的负输入端，所述放大器AMP2用于对所述霍尔盘2输出的霍尔电压-VH(与霍尔盘1产生的霍尔电压方向相反)进行放大后输出。所述放大器AMP2的输出端连接至所述比较器CMP2的正输入端，所述比较器CMP2的负输入端连接至参考电压Vref，用于将所述霍尔电压与所述参考电压比较，并输出比较信号Vo2。所述参考电压Vref对应于所述霍尔盘2在北极磁场阈值Brp下，所能产生的霍尔电压。霍尔盘1和霍尔盘2的两个控制端之间的控制电流方向之间成90°，用于感应相互垂直的两个磁场。
该实施例中，所述北极磁场阈值Brp和南极磁场阈值Brp绝对值相同，方向相反，因此，对应相同大小的参考电压Vref。在其他实施例中，所述北极磁场阈值Brp和南极磁场阈值Brp的绝对值也可以不同，所述比较器CMP1和CMP2分别连接至不同大小的参考电压。
请参考图5，为本发明一实施例的锁存霍尔传感器的锁存逻辑模块120的结构示意图。
所述锁存逻辑模块120的移位寄存器121为二位移位寄存器。该实施例中，所述移位寄存器121为二位移位寄存器，由两个触发器连接构成，具体的，所述移位寄存器121包括第一触发器T1和第二触发器T2，所述第一触发器T1的输入端D1连接至所述全极性霍尔传感模块110的输出端，所述第一触发器T1的输出端连接至所述第二触发器T2的输入端D2，且所述第一触发器T1和第二触发器T2的时钟端C1、C2用于连接至第一时钟信号CK1。所述第一触发器T1和第二触发器T2在第一时钟信号CK1的上升沿时刻，分别将各自输入端的信号输出，向后传递。
初始状态下，第一触发器T1和第二触发器T2的输出端的初始状态均为0，在第一时钟信号CK1的第一次上升沿时，第一触发器T1输出当前接收到的比较信号Vo1，并作为第二触发器T2的输入端信号；当第一时钟信号CK1的下一个上升沿到来时，第一触发器T1输出当前接收到的比较信号Vo2，而第二触发器T2则同时输出比较信号Vo1，从而实现在CK1的第二个上升沿时，将两个信号Vo1、Vo2并行输出。
该实施例中，所述第一触发器T1和所述第二触发器T2均采用D类触发器；在其他实施例，所述第一触发器T1、第二触发器T2还可以采用JK触发器、T类触发器等其他类型的触发器。
所述锁存逻辑模块120的逻辑运算单元122包括第一非门INV1、第二非门INV2、与门AND、或门OR以及第三触发器T3，所述移位寄存器121的两个输出端分别连接至所述第一非门INV1以及第二非门INV2的输入端；所述与门AND的一个输入端连接至所述第一非门INV1的输出端，输出端连接至所述或门OR的一个输入端；所述或门OR的另一输入端连接至所述第二非门INV2的输出端，所述或门OR的输出端连接至所述第三触发器T3的输出端；所述第三触发器T3的输出端连接至所述与门AND的另一输入端，时钟端用于连接至第二时钟信号CK2；所述第二时钟信号CK2的上升沿位于所述第一时钟信号CK1的每两个上升沿时刻之间，将所述第一触发器T1和第二触发器T2在CK1的第二个上升时沿传递过来的信号，在第二时钟信号CK2的上升沿时输出。
第一触发器T1接收到所述全极性霍尔传感模块110输出的比较信号,在第一时钟信号CK1上升沿时输出信号Q1，Q1经过第一非门INV1输出为
与第三触发器T3的输出端信号Q3作为与门AND的输入信号，进行与运算后输出信号
作为或门OR的一个输入信号；而第二触发器T2输出的信号Q2经过第二非门INV2输出为
作为或门OR的另一个输入信号；所述或门OR对信号
和
进行或运算，得到第三触发器T3的输入信号D3，在第二时钟信号CK2为高电平时，输出下一时刻的Q3。由此分析，可以得到，
该实施例中，所述锁存逻辑模块120还连接至输出模块130，用于将所述锁存逻辑模块120输出的控制信号Q3反相放大后输出为控制信号VOUT。所述输出模块130包括晶体管M以及电阻R2，该实施例中，所述晶体管M为NMOS晶体管。所述电阻R2一端连接至电源电压VDD，另一端连接至所述晶体管M的源极，所述晶体管M的栅极连接至所述锁存逻辑模块120的输出端，漏极接地，以所述晶体管M的源极作为输出端，用于输出控制信号VOUT。当Q3为高电平，晶体管M导通，VOUT为低电平；当Q3为低电平，晶体管M断开，VOUT为高电平。
上述逻辑运算以及输出信号VOUT的真值表如下：
由于信号Q2为南极的比较结果，信号Q1为北极的比较结果，则功能图请参考图6。
当外部磁场B大于南极磁场阈值BOP，即B>Bop，VOUT为低电平；在外部磁场自Bop逐渐减小至Brp<B<BOP范围内，VOUT依旧保持低电平，直至B的磁场方向反向，且大于北极磁场阈值Brp，VOUT电平翻转为高电平。同理，当磁场B方向朝向北，且大与北极磁场阈值Brp，则VOUT为高电平并保持，直至磁场B反向且大于南极磁场阈值Bop，VOUT电平才翻转为低电平。
请参考图7，为本发明一实施例的锁存霍尔传感器内各个开关的开关控制信号的时序示意图，以及各时钟信号的时序示意图。
图7中，各个开关控制信号的高电平对应于开关导通，低电平对应于开关断开。具体的，开关S1和开关S2切换开关状态，以向所述锁存逻辑模块120依次输出南极比较信号和北极比较信号。
开关S1导通时，开关S2断开时，所述全极性霍尔传感模块110向所述锁存逻辑模块120输出南极比较信号Vo1，在此期间，第一时钟信号CK1产生一个上升沿，使得移位寄存器121获取南极比较信号Vo1；随后开关S1断开，开关S2导通，所述全极性霍尔传感模块110向所述锁存逻辑模块120输出北极比较信号Vo2，在此期间，第一时钟信号CK1产生一个上升沿，使得移位寄存器121获取北极比较信号Vo2，并将南北极比较信号Vo1、Vo2并行输出；逻辑运算单元122对所述移位寄存器121并行输出的两个信号进行逻辑运算，并在第二时钟信号CK2上升沿输出计算后信号Q3。
上述实施例所述的锁存霍尔传感的输出信号具有磁滞，磁滞大小为Bop-Brp，能够减小外部磁场抖动导致霍尔电压偏移而使得输出的控制信号不稳定的问题。所述锁存霍尔传感器件作为霍尔开关，能够实现稳定可靠的切换。可以通过设置所述全极性霍尔传感模块110内的南极磁场阈值和北极磁场阈值大小，调整磁滞大小。
本发明的实施例中，还提供一种电子设备，包括：如上述实施例中任一项所述的锁存霍尔传感器，所述锁存霍尔传感器能够不受外部磁场抖动的影响，输出稳定可靠的控制信号。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种锁存霍尔传感器，其特征在于，包括：
全极性霍尔传感模块，用于检测外部磁场，并输出外部磁场分别与南极磁场阈值、北极磁场阈值比较得到的南极比较信号和北极比较信号；
锁存逻辑模块，连接至所述全极性霍尔传感模块的输出端，用于对所述南极比较信号和所述北极比较信号进行锁存逻辑运算，并输出控制信号，在其中一个比较信号发生翻转时，所述控制信号的电平发生翻转并锁存当前状态，直至另一个比较信号发生翻转，所述控制信号的电平再次发生翻转。
2.根据权利要求1所述的锁存霍尔传感器，其特征在于，所述锁存逻辑模块包括移位寄存器和连接至所述移位寄存器输出端的逻辑运算单元；所述移位寄存器用于将所述比较模块依次串行输出的两次比较信号，并行输出为信号Q1、信号Q2：所述逻辑运算单元用于对信号Q1、信号Q2进行运算，输出控制信号Q3，其中运算逻辑为：第n+1个控制信号
3.根据权利要求2所述的锁存霍尔传感器，其特征在于，所述移位寄存器包括第一触发器和第二触发器，所述第一触发器的输入端连接至所述比较模块的输出端，所述第一触发器的输出端连接至所述第二触发器的输入端，且所述第一触发器和第二触发器的时钟端用于连接至第一时钟信号。
4.根据权利要求3所述的锁存霍尔传感器，其特征在于，所述逻辑运算单元包括第一非门、第二非门、与门、或门以及第三触发器，所述移位寄存器的两个输出端分别连接至所述第一非门以及第二非门的输入端；所述与门的一个输入端连接至所述第一非门的输出端，输出端连接至所述或门的一个输入端；所述或门的另一输入端连接至所述第二非门的输出端，所述或门的输出端连接至所述第三触发器的输出端；所述第三触发器的输出端连接至所述与门的另一输入端，时钟端用于连接至第二时钟信号。
5.根据权利要求4所述的锁存霍尔传感器，其特征在于，所述第二时钟信号的上升沿时刻位于所述第一时钟信号的每两个上升沿时刻之间。
6.根据权利要求1所述的锁存霍尔传感器，其特征在于，所述全极性霍尔传感模块包括南极霍尔传感单元和北极霍尔传感单元；所述南极霍尔传感单元用于输出外部磁场与南极磁场阈值的南极比较信号，所述北极霍尔传感单元用于输出外部磁场与北极磁场阈值的北极比较信号。
7.根据权利要求6所述的锁存霍尔传感器，其特征在于，所述南极霍尔传感单元和所述北极霍尔传感单元分别通过一开关连接至所述锁存逻辑模块的输入端。
8.根据权利要求7所述的锁存霍尔传感器，其特征在于，
所述南极霍尔传感单元包括：第一霍尔盘，第一放大器，第一比较器；所述第一霍尔盘的两个相对的信号端作为信号控制端，其中一个信号控制端连接至电源，另一个信号控制端接地；另外两个信号端作为信号输出端，分别连接至所述第一放大器的两个输入端；所述第一放大器的输出端连接至所述第一比较器的正输入端，所述第一比较器的负输入端连接至第一参考电压；
所述北极霍尔传感单元包括：第二霍尔盘，第二放大器，第二比较器，所述第二霍尔盘的两个相对的信号端作为信号控制端，其中一个信号控制端连接至电源，另一个信号控制端接地；另外两个信号端作为信号输出端，分别连接至所述第二放大器的两个输入端；所述第二放大器的输出端连接至所述第二比较器的正输入端，所述第二比较器的负输入端连接至第二参考电压；
所述第二霍尔盘的两个信号控制端的方向与所述第一霍尔盘的两个信号控制端方向垂直。
9.根据权利要求1所述的锁存霍尔传感器，其特征在于，还包括：输出模块，用于将所述锁存逻辑模块输出的控制信号反相放大后输出。
10.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求1至9中任一项所述的锁存霍尔传感器。
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