CN114285399A - 单霍尔锁存传感器和电子设备 - Google Patents

单霍尔锁存传感器和电子设备 Download PDF

Info

Publication number
CN114285399A
CN114285399A CN202111551156.5A CN202111551156A CN114285399A CN 114285399 A CN114285399 A CN 114285399A CN 202111551156 A CN202111551156 A CN 202111551156A CN 114285399 A CN114285399 A CN 114285399A
Authority
CN
China
Prior art keywords
signal
output
hall
control
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111551156.5A
Other languages
English (en)
Inventor
邹晓磊
张志红
皮永祥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Awinic Technology Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Awinic Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Awinic Technology Co Ltd filed Critical Shanghai Awinic Technology Co Ltd
Publication of CN114285399A publication Critical patent/CN114285399A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/07—Hall effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H03K17/95—Proximity switches using a magnetic detector
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/003—Modifications for increasing the reliability for protection
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
    • H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
    • H03K19/18—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices

Abstract

本申请公开一种单霍尔锁存传感器和电子设备，所述单霍尔锁存传感器包括：霍尔传感模块，用于按照第一周期切换所述霍尔元件的控制端和输出端，按照第二周期依次向各个信号端输入阈值控制电流，使得所述霍尔传感模块具有两个磁场阈值；比较模块，用于接收传感信号，并输出相应的比较信号，在外部磁场达到磁场阈值时，比较信号发生翻转；锁存模块，连接至比较模块的输出端，用于对所述比较模块输出的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，控制信号发生翻转并锁存当前状态，直至另一个比较信号发生翻转，比较信号电平再次发生翻转。上述单霍尔锁存传感器的输出信号可靠性高，面积和功耗较小。

Description

单霍尔锁存传感器和电子设备
技术领域
本申请涉及霍尔传感技术领域，具体涉及单霍尔锁存传感器和电子设备。
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。
霍尔传感器内部集成了霍尔元件，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。
为了提高霍尔传感器的应用范围，通常要求霍尔传感器能够实现全极性的传感，即能够实现对南极磁场和北极磁场的感应。现有技术中，需要两个霍尔元件分别感应北极和南极两个方向的磁场，由于霍尔传感器的输出信号容易收到外部磁场抖动的影响，而两个霍尔元件使得输出信号收到外部磁场抖动的影响更大，使得霍尔传感器的输出信号可靠性进一步降低。同时，两个霍尔元件会使得霍尔传感器具有更大的芯片面积和功耗。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种单霍尔锁存传感器和电子设备，以解决现有的霍尔传感器的控制信号可靠性不够的问题。
本申请提供的一种单霍尔锁存传感器，包括：霍尔传感模块，包括单个霍尔元件，所述霍尔元件具有两对信号端，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；所述霍尔传感模块用于按照第一周期切换所述霍尔元件的控制端和输出端，按照第二周期依次向各个信号端输入阈值控制电流，使得所述霍尔传感模块具有两个磁场阈值；比较模块，用于接收所述传感信号，并根据所述传感信号输出相应的比较信号，在外部磁场达到相应的磁场阈值时，所述比较信号发生翻转；锁存模块，连接至所述比较模块的输出端，用于对所述比较模块输出的比较信号进行逻辑运算，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
Figure BDA0003417635030000021
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，所述与门的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，所述第三触发器的时钟端用于连接至第二时钟信号；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之间。
可选的，所述第一周期和所述第二周期相同。
可选的，所述比较模块包括第一放大器和与所述第一放大器的输出端连接的比较器；所述第一放大器的两个输入端分别连接至所述霍尔元件的两个输出端，用于将所述两个输出端之间的传感电压放大后输出至所述比较器，作为所述比较器的差分输入信号；所述比较器根据输入的差分输入信号大小，输出相应的比较信号；所述第一放大器的正输出端与所述比较器的负输入端之间串联一电容，且所述比较器的负输入端与输出端之间串联一开关，所述第一放大器的负输入端连接至所述比较器的正输入端。
可选的，所述霍尔传感模块包括：控制电流提供单元、电流切换单元和控制电压切换单元；所述控制电流提供单元用于提供阈值控制电流；所述电流切换单元用于按照第二周期切换所述控制电流提供单元的电流输出端与所述霍尔元件的各个信号端之间的通断状态；所述控制电压切换单元用于按照第一周期切换所述霍尔元件的控制端和输出端。
可选的，所述控制电流提供单元包括：钳位放大器，所述钳位放大器的正输入端连接至所述控制电压端，负输入端连接至所述固定电位端，且所述钳位放大器的输出端连接至所述钳位放大器的负输入端。
可选的，所述固定电位端与所述电流切换单元之间还连接有开关元件，所述钳位放大器的输出端连接至所述开关元件的控制端。
可选的，所述控制电流提供单元还包括：串联于电源电压与固定电位端之间的限流电阻，所述限流电阻与所述霍尔元件在相同温度下的电子迁移率相同。
可选的，所述电流切换单元包括：连接在所述电流输出端与所述霍尔元件的各个信号端之间的电流通路，各个电路通路上均设置有开关，以控制各电流通路的通断状态。
可选的，所述控制电压切换单元包括四个开关，其中两个开关分别连接于所述控制电压端和所述霍尔元件的两个相邻的信号端之间；另外两个开关分别连接于所述霍尔元件的另外两个信号端与地端之间。
本申请还提供一种电子设备，包括：如上述任一项所述的单霍尔锁存传感器。
本申请的单霍尔锁存传感器仅具有单个霍尔元件，通过周期性的切换霍尔元件的控制端和输出端，以及依次向各个信号端输入阈值控制电流，使得输出的控制信号对应有两个磁场阈值，实现全极性传感，并且对南极比较信号、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，使得单霍尔锁存传感器能够输出更为稳定可靠的控制信号。
进一步的，所述单霍尔锁存传感器具有单个霍尔元件，降低了霍尔锁存传感器的面积以及功耗。
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是本申请一实施例的单霍尔锁存传感器的结构示意图；
图2a是本申请一实施例的单霍尔锁存传感器的霍尔元件的结构示意图；
图2b是本申请一实施例的单霍尔锁存传感器的霍尔元件的等效示意图；
图3是本申请一实施例的单霍尔锁存传感器的锁存逻辑模块的结构示意图；
图4是本申请一实施例的单霍尔锁存传感器的结构示意图；
图5是本申请一实施例的单霍尔锁存传感器的局部结构示意图；
图6是本申请一实施例的单霍尔锁存传感器的功能示意图；
图7是本申请一实施例的单霍尔锁存传感器的各个开关控制信号和时钟信号的时序示意图；
图8a是本申请的单霍尔锁存传感器的工作过程中的周期1时的电路示意图；
图8b是本申请的单霍尔锁存传感器的工作过程中的周期2时的电路示意图；
图8c是本申请的单霍尔锁存传感器的工作过程中的周期3时的电路示意图；
图8d是本申请的单霍尔锁存传感器的工作过程中的周期4时的电路示意图。
具体实施方式
本发明提出一种新的单霍尔锁存传感器，提高霍尔传感器输出的控制信号的可靠性。
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1，为本发明一实施例的单霍尔锁存传感器的结构示意图。
所述单霍尔锁存传感器包括霍尔传感模块110、比较模块120以及锁存模块140。
所述霍尔传感模块110包括：单个霍尔元件，所述霍尔元件用于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(请参考图2a)，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，其中一对信号端为H1和H3，另一对信号端为H2和H4。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。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°。
所述霍尔传感模块110还用于按照第一周期切换所述霍尔元件的控制端和输出端，按照第二周期依次向各个信号端输入固定的阈值控制电流，使得所述控制信号发生翻转时，外部磁场对应于两个方向相反的磁场阈值中的任意一个。由于霍尔传感器等效于电阻器，例如正方形的霍尔盘等效于惠斯通电桥(请参考图2b)，每一个桥臂的电阻为RH，整个霍尔盘的等效电阻为RH。当一端输入阈值控制电流时，可以调整输出的传感信号的大小，当磁场发生变化时，两个输出端之间输出的传感信号为霍尔电压VH叠加阈值控制电流产生的阈值电压的大小为V’。因此，通过调整阈值控制电流大小，可以调整输出的传感信号的大小。通过不同方向输入阈值控制电流，产生两个相位相反的阈值电压，分别为V’和-V’，那么两个输出端之间输出的传感信号分别为VH+V’，以及VH-V’。
在一个实施例中，通过输入阈值控制电流，可以调整两个输出端之间输出的传感信号的大小，以两个输出端输出的传感信号大小分别作为所述比较模块120输入的差分信号。当两个输出端之间的差分信号为0，即VH+V’＝0以及VH-V’＝0时，信号发生翻转，此时分别对应两个霍尔电压阈值，即VH＝-V’，VH＝V’，进而对应两个极性相反的磁场阈值Bop＝B0和Brp＝-B0，分别对应南极和北极磁场，从而实现全极性的霍尔传感。通过周期性的切换霍尔元件的输入端和控制端，可以分别实现和南极磁场阈值、北极磁场阈值的比较结果。
所述比较模块120，用于接收所述传感信号，并根据所述传感信号输出相应的比较信号VO1，在外部磁场达到磁场阈值时，所述比较信号发生翻转。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。
所述锁存模块140，连接至所述比较模块120的输出端，用于接收所述比较模块120输出的比较信号VO1。所述比较模块120依据霍尔元件的输入端和控制端的切换周期，依次输出外部磁场和南极磁场阈值、北极磁场阈值的比较结果对应的比较信号。所述锁存模块140将与南、北极磁场阈值比较结果对应的两个比较信号进行锁存逻辑运算，输出对应的控制信号。在其中一个比较信号发生翻转时，所述控制信号发生翻转并锁存当前状态，直至另一个比较信号发生翻转，所述控制信号电平再次发生翻转，最终实现锁存功能。
请参考图3，为本发明一实施的锁存模块的功能模块结构示意图。
在一些实施例中，所述锁存模块140包括移位寄存器141和连接至所述移位寄存器141输出端的逻辑运算单元142；所述移位寄存器141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，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
Figure BDA0003417635030000071
由于数字逻辑运算实现的多样性，在其他实施例中，所述锁存模块140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模块140所实现的逻辑运算功能即可。
请参考图4，为本发明一实施例的单霍尔锁存传感器的结构示意图。
该实施例中，所述霍尔传感模块110包括控制电压切换单元、控制电流提供单元131和电流切换单元132。
所述控制电压切换单元用于根据阈值控制信号，按照第一周期切换所述控制电压端A与所述霍尔元件的两对信号端之间的通断状态，以切换所述霍尔元件的控制端和输出端。
该实施例中，所述控制电压切换单元包括开关S1a、开关S2a、开关S2e和开关S1e，开关S1a、开关S2a分别连接于控制电压端A和所述霍尔元件的两个相邻的信号端H1和H4之间；所述霍尔元件的另外两个信号端H2和H3分别通过开关S2e和开关S1e接地。当开关S1a、S1e导通，S2a、S2e断开，此时，信号端H1连接至控制电压端A，信号端H3接地，H1和H3作为控制端，两个信号端H2和H4作为信号输出端；当开关S2a、S2e导通，S1a、S1e断开，此时，信号端H4连接至控制电压端A，信号端H2接地，H4和H2作为控制端，两个信号端H1和H3作为信号输出端。
可以通过周期性控制开关S1a、S2a、S1e和S2e的通断状态，实现控制端和输出端的周期性切换。
该实施例中，所述控制电压端A与电源电压VDD之间串联第一电阻R0，通过所述第一电阻R0限制流过所述霍尔元件110的控制电流大小。霍尔盘的等效电阻位RH，则
Figure BDA0003417635030000081
所述控制电流提供单元131用于提供固定的阈值控制电流I1，所述电流切换单元132用于根据阈值控制信号，周期性的切换所述控制电流提供单元131的电流输出端与所述霍尔元件的各个信号端之间的通断状态，从而周期性的依次向各个信号端输入阈值控制电流。该实施例中，所述控制电流提供单元131包括串联于电源电压VDD与固定电位端B之间的限流电阻R1，所述固定电位端B具有固定电位VB，所述固定电位端B即为所述控制电流提供单元131的电流输出端。所述阈值控制电流
Figure BDA0003417635030000082
所述固定电位端B可以通过连接至恒压电源或者钳位电路，使得所述固定电位端B具有固定的电位。该实施例中，通过钳位放大器将所述固定电位端B的电位钳位至控制电压端A的电位VA，即VB＝VA。具体的，该实施例中，所述控制电流提供单元还包括：钳位放大器AP2，所述钳位放大器AP2的正输入端连接至所述控制电压端A，负输入端连接至所述固定电位端B，且所述钳位放大器AP2的输出端连接至所述钳位放大器AP2的负输入端。所述钳位放大器AP2将负输入端即固定电位端B的电位VB被钳位至所述控制电压端A的电位VA，即
Figure BDA0003417635030000083
经过限流电阻R1至固定电位端B之间的阈值控制电流位I1
Figure BDA0003417635030000084
进一步的，该实施例中，所述固定电位端B与钳位放大器AP2的输出端之间还连接有开关元件，所述钳位放大器AP2的输出端连接至所述开关元件的控制。上述开关元件仅在所述钳位放大器AP2处于正常工作状态时，所述开关元件导通，使得所述固定电位端B连接至所述霍尔元件。该实施例中，所述开关元件为PMOS晶体管M0，所述钳位放大器AP2的输出端连接至所述PMOS晶体管M0的栅极，所述PMOS晶体管M0的源极连接至所述钳位放大器AP2的负输入端，所述PMOS晶体管M0的漏极连接至所述电流切换单元132。在其他实施例中，也可以不用设置所述开关元件，将所述固定电位端B直接连接至所述电流切换单元132的输入端。
在其他实施例中，也可以通过其他钳位电路，将所述固定电位端B的电位限定在固定电位值，所述钳位电路的具体结构在此不做限定，本领域技术人员可以根据需求进行合理的选择。
进一步的，所述电流切换单元132包括连接在所述电流输出端B与各信号端之间的电流通路，各个电路通路上均设置有开关，以控制各电流通路的通断状态。具体的，所述电流输出端与信号端H1之间串联有开关S3a、S2b，与信号端H2之间串联有开关S4a和S2c，与信号端H3之间串联有S3a和S1c，与信号端H4之间串联有开关S3a和S1b。
所述电流切换单元132还可以包括连接于所述霍尔元件与比较模块120之间的连接通路上的开关，用于在霍尔元件的输出端发生切换时，将切换后的输出端连接至所述比较模块120。具体的，所述信号端H1与所述第一放大器AP1的正输入端之间串联有开关S2d，信号端H4与所述第一放大器AP1的正输入端之间串联有开关S1d，信号端H2与所述第一放大器AP1的负输入端之间串联有开关S1f，信号端H3与所述第一放大器AP1的负输入端之间串联有开关S2f。
所述控制电压切换单元、电流切换单元132内各个开关的通断状态可以由阈值控制信号控制，周期性的控制各个开关的通断状态，从而按照第一周期切换霍尔元件的输入端和控制端，以及按照第二周期依次向霍尔元件的各个信号端输入阈值控制电流I1。
该实施例中，所述比较模块120包括第一放大器AP1和与所述第一放大器AP1的输出端连接的比较器COMP；所述第一放大器AP1的两个输入端分别连接至所述霍尔元件的两个输出端，用于将所述两个输出端之间的传感信号放大后输出至所述比较器COMP，作为所述比较器COMP的差分输入信号；所述比较器COMP根据输入的差分输入信号大小，输出相应的比较信号Vo1。所述第一放大器AP1的两个输出端分别连接至所述比较器COMP的两个输入端，所述第一放大器AP1的一个输出端与所述比较器COMP的负输入端之间连接有电容C0，所述比较器COMP负输入端与COMP的输出端之间连接有开关S2g。第一放大器AP1将霍尔电压和阈值电压的混合信号放大，并将放大后的信号存入电容C0，然后比较器COMP再判断当前磁场是否达到了设定的阈值电压。
请进一步参考图5，为本发明一实施例的第一放大器AP1的结构示意图。
所述第一放大器AP1内部包括第三放大器AP3和第四放大器AP4；所述第三放大器AP3的正输入端连接至霍尔元件的一个输出端，输入电压V1，第三放大器AP3的负输入端与第四放大器AP4的正输入端之间串联有电阻R4，第四放大器AP4的负输入端连接至霍尔元件的另一输出端，输入电压V2；第三放大器AP3的输出端输出电压V3，且输出端与其负输入端之间串联有电阻R3；第四放大器AP4的输出端输出电压V4，且输出端与其正输入端连接。
根据图5电路，可以得到以下公式：
Figure BDA0003417635030000101
V4＝V2；
由上述公式可知，V3>>V4，相对于V3，则V4可看作为一个直流信号。由此，所述第一放大器能够将差分信号V1、V2，放大为差分信号V3和V4，A1为第三放大器AP3的放大系数。
在其他实施例中，所述第一放大器AP1还可以采用其他能够对输入信号进行差分放大的电路结构。
请继续参考图4，该实施例中，所述锁存模块140的移位寄存器141(图中未示出)由两个触发器连接构成，具体的，所述移位寄存器141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连接至所述比较模块120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，分别将各自输入端的信号输出，向后传递。
所述初始状态下，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VO1-1，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VO1-2，而第二触发器T2则同时输出比较信号VO1-1，从而实现在CK1的第二个上升沿时，将两个信号VO1-1、VO1-2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。
所述锁存模块140的逻辑运算单元142(请参考图3)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141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，所述第三触发器T3的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接收到所述比较模块120输出的比较信号VO1,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
Figure BDA0003417635030000111
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
Figure BDA0003417635030000121
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
Figure BDA0003417635030000122
作为或门OR的另一个输入信号；所述或门OR对信号
Figure BDA0003417635030000123
和
Figure BDA0003417635030000124
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，
Figure BDA0003417635030000125
该实施例中，所述锁存模块140还连接至输出模块150，用于将所述锁存模块140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150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模块140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：
Figure BDA0003417635030000126
由于Q2为南极的比较结果，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，输出信号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，且但与北极磁场阈值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所述控制电压切换单元、电流切换单元132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S3a和开关S4a以周期T1切换开关状态，其他开关以周期T2切换开关状态，其中，T1＝2T2。
以下，对各个周期下对应的电路状态进行具体描述。
请参考图8a，在周期1时，开关S3a导通、开关S4a断开、开关S2a～S2g导通，开关S1a～S1f断开。控制电压端A连接至信号端H4，H2接地，信号端H4和H2作为控制端；信号端H1和H3作为输出端，分别连接至第一放大器AP1的正输入端和负输入端，向所述比较模块120输出传感信号Vin。控制电流提供单元131的阈值控制电流I1，流向信号端H1，该周期下，霍尔元件产生霍尔电压-VH；S3a开关导通，阈值控制电流I1在输出端之间产生叠加于霍尔上的阈值电压0.5I1RH，其中RH为霍尔器件的等效电阻，则第一放大器AP1的输入信号Vin＝-VH+0.5I1RH；开关S2g导通，电容C0存储周期1时放大后的霍尔电压信号和阈值电压的混合信号VC1,VC1＝A1*(-VH+0.5I1RH)。
请参考图8b，周期2时，开关S3a导通、开关S4a断开、开关S1a～S1f开关导通、开关S2a～S2g断开，电压VA加在霍尔器件的H1和H3两端，H1和H3为控制端，H2和H4为输出端连接至第一放大器AP1的两个输入端。周期2时霍尔元件产生的霍尔电压为VH；开关S3a、S1c导通，阈值控制电流I1流向霍尔器件的信号端H3，周期2时产生的阈值电压为-0.5I1RH，则第一放大器AP1的输入信号Vin＝VH-0.5I1RH，放大后信号为VC2＝A1*(VH-0.5I1RH)；开关S2g断开，比较器COMP开始比较，比较的信号为VC2-VC1＝A1*(VH-0.5I1RH)-A1*(-VH+0.5I1RH)＝A1*(2VH-I1RH)。当VC2-VC1＝0，比较器COMP输出的控制信号发生翻转，对应于霍尔电压阈值VH1＝0.5I1RH。
请参考图8c，周期3时，开关S3a断开、开关S4a导通，S2a～S2f开关导通，开关S1a～S1f断开，电压VA加在霍尔元件的H4和H2两端，H4和H2作为控制端，H1和H3作为输出端。周期3时霍尔器件产生的霍尔电压为-VH；S4a开关导通，阈值控制电流I1流向霍尔器件的H2端，产生的阈值电压为-0.5I1RH，则放大器1的输入信号Vin＝-VH-0.5I1RH；开关S2g导通，电容C0存储周期3时放大后的霍尔电压信号和电压阈值的混合信号,VC3＝A1*(-VH-0.5I1RH)。
请参考图8d，周期4时S1a～S1f开关导通，S2a～S2f开关断开，电压VA加在霍尔器件的H1和H3两端，周期4时霍尔器件产生的霍尔电压为VH；S4a开关导通，电流I1流向霍尔器件的信号端H4，产生的阈值电压为0.5I1RH，则放大器1的输入信号Vin＝VH+0.5I1RH,放大后信号VC4＝A1*(VH+0.5I1RH)；开关S2g断开，比较器COMP开始比较，比较的信号为VC4-VC3＝A1*(VH+0.5I1RH)-A1*(-VH-0.5I1RH)＝A1*(2VH+I1RH)。当VC4-VC3＝0，比较器COMP输出的控制信号发生翻转，对应于霍尔电压阈值VH2＝-0.5I1RH。
可见比较器COMP输出信号发生翻转所对应的两个霍尔电压阈值分别为南极阈值电压Vop＝VH1＝0.5I1RH，以及北极阈值电压Vrp＝VH2＝-0.5I1RH，分别对应于两个方向相反的磁场阈值Bop和Brp。
第一时钟信号CK1在周期1结束时刻(周期2开始时刻)，以及周期3结束时刻(周期4开始时刻)产生上升沿，以便将所述比较模块120在各周期输出的比较信号输出至逻辑运算单元。
在周期4结束后，各开关控制信号状态保持一段时间不变，第二时钟信号CK2在这期间产生一上升沿，以便触发所述锁存模块140完成逻辑运算并输出相应的信号。
上述单霍尔锁存传感器通过周期性的切换霍尔元件的控制端和输出端，以及依次向各个信号端输入阈值控制电流，使得输出的比较信号对应有两个磁场阈值，分别对应南极和北极磁场。仅需要一个霍尔元件，就能够实现全极性传感，降低了霍尔锁存传感器的体积以及功耗。
进一步的，霍尔元件等效为一个惠斯通电桥(请参考图2b)，每个桥臂的电阻为RH，两个输出端之间由于磁场B产生霍尔电压VH,
Figure BDA0003417635030000151
由于阈值控制电流I1的输入，第一放大器AP1的输入端输入差分电压Vin＝0时，Vop＝0.5I1RH，Vrp＝-0.5I1RH。
由于
Figure BDA0003417635030000152
得到对应的两个磁场阈值分别为
Figure BDA0003417635030000153
以及
Figure BDA0003417635030000154
而限流电阻R1为方块电阻，
Figure BDA0003417635030000155
其中，q为电荷常数，n为电子浓度，un为电子迁移率，w为电阻的宽度，L为电阻的长度，d为电阻的厚度。
在恒压条件(即VA恒定的情况)下，霍尔元件的灵敏度可表示为：
Figure BDA0003417635030000156
其中un为霍尔元件的电子迁移率，在相同温度下，霍尔元件的电子迁移率与限流电阻R1的迁移率相同。v为电荷运动速度，W′为霍尔元件110的宽度，L′为霍尔元件110的长度。由于R1与un成反比，KH与un成正比，R1与KH相乘，正好抵消了un的影响。
根据上述公式，可得比较器COMP的翻转点磁场阈值大小：
Figure BDA0003417635030000157
以及
Figure BDA0003417635030000158
由此可见，翻转点磁场B与温度相关的参数只有第一电阻R0的阻值，而与霍尔元件的温度系数无关。即便随温度变化，霍尔元件的电子迁移率发生变化而导致霍尔元件的灵敏度发生变化，但是翻转点磁场的大小也不会跟随霍尔元件的灵敏度变化而变化，从而可以提高所述单霍尔锁存传感器的检测准确性。为了尽可能降低温度变化对翻转点磁场的影响，所述第一电阻R0可以采用温度系数很小的电阻类型，例如低温飘电阻，包括：箔电阻、薄膜电阻、箔电阻、金属膜电阻以及模压电阻等。比较器COMP的翻转点磁场的大小随着温度的变化较小，可以得到一个稳定的磁场翻转点，从而提高了所述单霍尔锁存传感器的稳定性。
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单霍尔锁存传感器。由于本发明的单霍尔锁存传感器输出的控制信号的可靠性较高，且积较小，功耗低，能够进一步提高电子设备的可靠性和集成度，并降低功耗。
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 (13)

1.一种单霍尔锁存传感器，其特征在于，包括：
霍尔传感模块，包括单个霍尔元件，所述霍尔元件具有两对信号端，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；所述霍尔传感模块用于按照第一周期切换所述霍尔元件的控制端和输出端，按照第二周期依次向各个信号端输入阈值控制电流，使得所述霍尔传感模块具有两个磁场阈值；
比较模块，用于接收所述传感信号，并根据所述传感信号输出相应的比较信号，在外部磁场达到相应的磁场阈值时，所述比较信号发生翻转；
锁存模块，连接至所述比较模块的输出端，用于对所述比较模块输出的比较信号进行逻辑运算，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所述的单霍尔锁存传感器，其特征在于，所述锁存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
Figure FDA0003417635020000011
3.根据权利要求2所述的单霍尔锁存传感器，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2所述的单霍尔锁存传感器，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，所述与门的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，所述第三触发器的时钟端用于连接至第二时钟信号；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之间。
5.根据权利要求1所述的单霍尔锁存传感器，其特征在于，所述第一周期和所述第二周期相同。
6.根据权利要求1所述的单霍尔锁存传感器，其特征在于，所述比较模块包括第一放大器和与所述第一放大器的输出端连接的比较器；所述第一放大器的两个输入端分别连接至所述霍尔元件的两个输出端，用于将所述两个输出端之间的传感电压放大后输出至所述比较器，作为所述比较器的差分输入信号；所述比较器根据输入的差分输入信号大小，输出相应的比较信号；所述第一放大器的正输出端与所述比较器的负输入端之间串联一电容，且所述比较器的负输入端与输出端之间串联一开关，所述第一放大器的负输入端连接至所述比较器的正输入端。
7.根据权利要求1所述的单霍尔锁存传感器，其特征在于，所述霍尔传感模块包括：控制电流提供单元、电流切换单元和控制电压切换单元；所述控制电流提供单元用于提供阈值控制电流；所述电流切换单元用于按照第二周期切换所述控制电流提供单元的电流输出端与所述霍尔元件的各个信号端之间的通断状态；所述控制电压切换单元用于按照第一周期切换所述霍尔元件的控制端和输出端。
8.根据权利要求7所述的单霍尔锁存传感器，其特征在于，所述控制电流提供单元包括：钳位放大器，所述钳位放大器的正输入端连接至所述控制电压端，负输入端连接至所述固定电位端，且所述钳位放大器的输出端连接至所述钳位放大器的负输入端。
9.根据权利要求8所述的单霍尔锁存传感器，其特征在于，所述固定电位端与所述电流切换单元之间还连接有开关元件，所述钳位放大器的输出端连接至所述开关元件的控制端。
10.根据权利要求7所述的单霍尔锁存传感器，其特征在于，所述控制电流提供单元还包括：串联于电源电压与固定电位端之间的限流电阻，所述限流电阻与所述霍尔元件在相同温度下的电子迁移率相同。
11.根据权利要求7所述的单霍尔锁存传感器，其特征在于，所述电流切换单元包括：连接在所述电流输出端与所述霍尔元件的各个信号端之间的电流通路，各个电路通路上均设置有开关，以控制各电流通路的通断状态。
12.根据权利要求7所述的单霍尔锁存传感器，其特征在于，所述控制电压切换单元包括四个开关，其中两个开关分别连接于所述控制电压端和所述霍尔元件的两个相邻的信号端之间；另外两个开关分别连接于所述霍尔元件的另外两个信号端与地端之间。
13.一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求1至12中任一项所述的单霍尔锁存传感器。
CN202111551156.5A 2021-12-10 2021-12-17 单霍尔锁存传感器和电子设备 Pending CN114285399A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CNPCT/CN2021/137252 2021-12-10
PCT/CN2021/137252 WO2023102937A1 (zh) 2021-12-10 2021-12-10 全极性霍尔传感器件及其控制方法、电子设备

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114285399A true CN114285399A (zh) 2022-04-05

Family

ID=80872861

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111551156.5A Pending CN114285399A (zh) 2021-12-10 2021-12-17 单霍尔锁存传感器和电子设备
CN202111551125.XA Pending CN114280512A (zh) 2021-12-10 2021-12-17 单霍尔传感器件和电子设备

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111551125.XA Pending CN114280512A (zh) 2021-12-10 2021-12-17 单霍尔传感器件和电子设备

Country Status (2)

Country Link
CN (2) CN114285399A (zh)
WO (1) WO2023102937A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116576932B (zh) * 2023-07-14 2023-10-20 微传智能科技（常州）有限公司 一种智能计量方法

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE59800474D1 (de) * 1997-11-28 2001-03-22 Saia Burgess Electronics Ag Mu Gleichstrommotor
JP4049757B2 (ja) * 2004-03-12 2008-02-20 東光株式会社 磁気センサ回路
CN101320082B (zh) * 2007-06-07 2010-08-18 勤益股份有限公司 霍尔磁场元件测试装置
JP4897585B2 (ja) * 2007-06-22 2012-03-14 ローム株式会社 磁気センサ回路及びこれを用いた電子機器
JP4786608B2 (ja) * 2007-07-30 2011-10-05 パナソニック株式会社 磁界検出装置
JP4965387B2 (ja) * 2007-08-21 2012-07-04 セイコーインスツル株式会社 磁気センサ回路
JP5109800B2 (ja) * 2008-05-19 2012-12-26 株式会社島津製作所 磁気計測装置
KR101594866B1 (ko) * 2009-06-02 2016-02-26 엘에스산전 주식회사 전원 차단 시스템용 병렬 디지털 신호의 직렬 디지털 신호로의 변환 장치 및 방법
CN101825690A (zh) * 2010-05-13 2010-09-08 上海欣磁电子科技有限公司 一种全极性磁场检测方法
US8669759B2 (en) * 2011-03-31 2014-03-11 Infineon Technologies Ag Omnipolar magnetic switches
WO2014036664A1 (en) * 2012-09-07 2014-03-13 Sensima Technology Sa Hall-effect-based angular orientation sensor and corresponding methods and devices
CN103308075B (zh) * 2013-05-07 2016-08-03 赛卓电子科技（上海）有限公司 电流输出型线性霍尔传感器
CN103326702B (zh) * 2013-05-31 2015-11-11 北京经纬恒润科技有限公司 一种霍尔开关电路
CN104734669A (zh) * 2013-12-20 2015-06-24 施耐德电气工业公司 可配置硬件滤波器
CN104076196B (zh) * 2014-06-27 2017-02-15 南京城市职业学院 一种高精度直流电流霍尔数字传感系统及电流测量方法
US9716453B2 (en) * 2014-08-08 2017-07-25 Johnson Electric S.A. Magnetic sensor and an integrated circuit
CN107314782A (zh) * 2017-05-18 2017-11-03 重庆神缘智能科技有限公司 一种霍尔计数装置
CN107436416B (zh) * 2017-08-28 2020-05-19 上海麦歌恩微电子股份有限公司 能处理垂直霍尔盘信号的磁开关系统及信号处理方法
CN107437934B (zh) * 2017-09-08 2023-09-01 上海灿瑞微电子有限公司 一种全极性霍尔传感器开关
JP2019097075A (ja) * 2017-11-24 2019-06-20 オムロン株式会社 デジタルノイズフィルタ
JP7061457B2 (ja) * 2017-12-22 2022-04-28 ローム株式会社 磁気センサ、半導体装置及び電気機器
CN110120803B (zh) * 2018-02-06 2023-07-28 意瑞半导体（上海）有限公司 一种全极霍尔开关电路
CN110816399A (zh) * 2018-08-14 2020-02-21 深圳市路畅科技股份有限公司 一种模拟汽车引擎进行鸣声的方法、装置及系统
CN111525918A (zh) * 2019-02-02 2020-08-11 邵金泽 单路多功能定向磁控电子开关模块
CN112325755A (zh) * 2020-11-03 2021-02-05 上海艾为电子技术股份有限公司 一种位置传感系统、获取位置传感信号的方法及电子设备
CN213602634U (zh) * 2020-12-24 2021-07-02 南京邮电大学 一种带稳定电平转换器的串并转换电路
CN113411074B (zh) * 2021-07-13 2022-11-15 上海艾为电子技术股份有限公司 霍尔传感器开关及电子设备

Also Published As

Publication number Publication date
CN114280512A (zh) 2022-04-05
WO2023102937A1 (zh) 2023-06-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4901720B2 (ja) 磁気センサ回路、及び、その磁気センサ回路を有する携帯端末
US9128127B2 (en) Sensor device
JP4897585B2 (ja) 磁気センサ回路及びこれを用いた電子機器
US9322672B2 (en) Magnetic sensor device
US8193807B2 (en) Magnetic sensor device
US9267818B2 (en) Magnetic sensor device
JP6180752B2 (ja) センサ装置
JP2008032431A (ja) 磁気センサ回路、半導体装置、磁気センサ装置
CN113411074B (zh) 霍尔传感器开关及电子设备
WO2011021521A1 (ja) 磁気センサ装置及びこれを用いた電子機器
CN114279470A (zh) 锁存霍尔传感器和电子设备
KR20100053479A (ko) 자기 센서 회로
JP6339833B2 (ja) センサ装置
CN114285399A (zh) 单霍尔锁存传感器和电子设备
KR20160108207A (ko) 비교 회로 및 센서 장치
US10006970B2 (en) Electronic comparison circuit to identify at least three conditions of an input signal
US7830183B2 (en) Comparator with reduced power consumption
JP2013153246A (ja) 全差動増幅回路、コンパレーター回路、ａ／ｄ変換回路、及び電子機器
CN114323083A (zh) 霍尔传感器件和电子设备
CN108088475B (zh) 具有σ-△模数转换器的电阻式传感器前端系统
CN114089238A (zh) 一种霍尔信号处理电路
JP2010243294A (ja) 磁気センサおよび磁気検出方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination