CN115542204B - 一种基于霍尔效应的磁场检测电路以及电流传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于霍尔效应的磁场检测电路以及电流传感器，该基于霍尔效应的磁场检测电路包括：2N个霍尔效应极板，2N个霍尔效应极板设置在半导体硅片上并沿同一方向均匀排列；以及2N个电流源，每一电流源的输出相同并且分别与其中一个霍尔效应极板连接，以提供激励电流；其中，2N个霍尔效应极板的输出串联连接，每一霍尔效应极板均具有一输出正极和一输出负极，每一霍尔效应极板的输出正极分别与下一个霍尔效应极板的输出负极连接，位于首位的霍尔效应极板的输出负极作为所述磁场检测电路的输出负极，位于尾位的霍尔效应极板的输出正极作为所述磁场检测电路的输出正极，2N个霍尔效应极板的中心引脚连接至一共模电压端口。
Description
技术领域
本发明涉及磁场检测领域，具体而言，涉及一种基于霍尔效应的磁场检测电路以及电流传感器。
背景技术
基于硅霍尔效应的霍尔传感器易于与CMOS集成电路集成，因此在各种领域得到了广泛的应用。但是与其他霍尔效应材料相比，硅霍尔效应的灵敏度相对而言要低几十倍到几千倍，硅基霍尔效应极板的输出信号幅度极其微弱，需要较为复杂的放大和调理电路，同时对于电路的失调要求也非常严格。
在现有技术方案中已经有过各种提高硅霍尔效应极板输出信号幅度的尝试，其中包括提高输出电压信噪比的现有技术方案一和提高输出电流信噪比的现有技术方案二。
技术方案一：
专利CN106716149B中公开了一种霍尔电动势信号检测电路以及电流传感器，其中通过使用旋转电流法驱动多个霍尔元件并且利用了多个跨导放大器进行霍尔电动势的信号检测。该电路中引入了一个共模反馈环路来控制共模基准Vcom电压的稳定。
但是该方案中多个霍尔元件需要通过多个跨导放大器采集信号，也就是说，每个霍尔元器件的差分输出信号对应于一个跨导放大器。跨导放大器将霍尔元器件输出的霍尔电压先转换成电流信号输出，直接相加后再在后续电流进行处理。
这种信号检测和叠加方式中，每个跨导放大器均会贡献额外噪声，因此整体的信噪比收益将会受限于跨导放大器的性能。另外，由于每个霍尔元器件均需要与跨导放大器进行电性能的匹配设计，因此会受到诸多方面的设计限制，整体电路的性能、功耗、和面积将会付出较多的代价。因此该方案成本较高，性能较低。
技术方案二：
专利CN111487569中公开了一种使用具有虚拟电阻器结构的桥式传感器和偏置桥式传感器的方法。
该专利中通过使用霍尔极板的电流输出方式，可以将有效霍尔输出信号增加一倍。同时，这种方法中引入了一组参考霍尔极板，用来进行共模电压和激励电流的反馈控制。另外该专利中也通过引入多组十字形霍尔极板，并通过在空间上对称的放置，并施加以在时间上的旋转电流，从而可以降低失调，获得更高的信噪比。
但是该方法中，对于多个霍尔极板的输出信号的处理方式，是通过将其并联，也就是电流直接相加的方式。这样的方法对于后续的电流放大器的电压噪声要求较高，尤其是多个霍尔极板并联后，其输出阻抗与并联数目成反比，因而急剧降低。后续放大器如果存在一个输入失调电压或者等效输入噪声电压，那么该电压贡献的电流失调或者电流噪声，将随并联数目增加而等比例增加。
因此该专利方法中，当整体系统信噪比受限于放大器的输入噪声电压时，多个霍尔极板的引入不能有效的提高系统的信噪比。因此该方案在具体的设计中受到诸多限制。整体电路的性能、功耗、面积等均将付出较高的代价，成本较高，性能较低。
发明内容
本发明提供一种基于霍尔效应的磁场检测电路以及电流传感器，用于解决上述现有技术存在的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供了一种基于霍尔效应的磁场检测电路，包括：
2N个霍尔效应极板，2N个霍尔效应极板设置在半导体硅片上并沿同一方向均匀排列；以及
2N个电流源，每一电流源的输出相同并且分别与其中一个霍尔效应极板连接，以提供激励电流；
其中，2N个霍尔效应极板的输出串联连接，每一霍尔效应极板均具有一输出正极和一输出负极，每一霍尔效应极板的输出正极分别与另一个霍尔效应极板的输出负极连接，位于首位的霍尔效应极板的输出负极作为所述磁场检测电路的输出负极，位于尾位的霍尔效应极板的输出正极作为所述磁场检测电路的输出正极，2N个霍尔效应极板的中心引脚连接至一共模电压端口。
在本发明的一实施例中，N＝1时，2个电流源输出的激励电流从同一方向输入对应的霍尔效应极板。
在本发明的一实施例中，N≥1时，前N个电流源输出的激励电流与后N个电流源输出的激励电流分别从相反方向输入对应的霍尔效应极板。
在本发明的一实施例中，一共模反馈电路将所述共模电压端口的电压值稳定至一预设值。
在本发明的一实施例中，所述2N个电流源替换为旋转电流电路，所述旋转电流电路用于向所述2N个霍尔效应极板提供在不同时间上进行预设旋转角度的电流。
在本发明的一实施例中，所述预设旋转角度为45度或90度。
在本发明的一实施例中，所述2N个电流源的上半时钟周期与下半时钟周期输出的电流方向相反。
本发明还提供了一种电流传感器，其包括上述基于霍尔效应的磁场检测电路。
本发明使用电流源提供激励电流，由于电流源的输出阻抗极高，因此极大提升了每个霍尔效应极板输出端口的等效输入阻抗，从而使得将多个霍尔效应极板的输出端口串联进行输出成为可能。不仅有效改善了信噪比(信噪比正比于所使用霍尔效应极板数目的平方根)，而且提高了输出的霍尔电压的信号幅度(输出信号幅度正比于霍尔效应极板数目的个数)，从而减小了对后续放大电路的噪声贡献，有效的提高了系统性能，并在整体电路的性能、功耗、面积方面均有较好的效益。
本发明中的多个霍尔效应极板为串联连接，充分利用了每个霍尔效应极板本身的输入/输出电阻比例极大的特性，这样只需要稳定多个串联的霍尔效应极板的中心共模电压，其它各路电流激励的共模电压将会依次被反馈环路所稳定，从而避免了使用多路共模反馈环路，降低了整体电路的复杂度，并节约了面积和成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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1a为一个典型的水平硅霍尔器件的结构图；
图1b为图1a中A-A′剖面图；
图1c为图1a中B-B′剖面图；
图2a为一个典型的垂直硅霍尔器件的结构图；
图2b为图2a中B-B′剖面图；
图3为本发明第一实施例的磁场检测电路的示意图；
图4为本发明第二实施例的磁场检测电路的示意图；
图5a为本发明第二实施例的上半时钟周期时激励电流的流向示意图；
图5b为本发明第二实施例的下半时钟周期时激励电流的流向示意图；
图6为本发明第三实施例的磁场检测电路的示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在利用霍尔效应进行磁场检测领域，一般是利用霍尔器件构成的霍尔效应极板检测磁场，霍尔效应极板可以检测垂直于半导体硅片加工平面的磁场，也可以检测水平于半导体硅片加工平面的磁场。
图1a为一个典型的水平硅霍尔器件的结构图，图1b为图1a中A-A′剖面图，图1c为图1a中B-B′剖面图。水平硅霍尔器件用来检测垂直于半导体加工平面的磁场。其中霍尔层主要是N-型参杂构成，N+参杂用于引出电极。在N-型霍尔层的上方覆盖有P型参杂，用来降低干扰和噪声。当存在一个从激励电极1流到激励电极2的电流激励时，如果存在一个不为零的外界磁场B，检测电极1和检测电极2之间输出一个与外界磁场的大小和方向成正比的霍尔电压。
图2a为一个典型的垂直硅霍尔器件的结构图，图2b为图2a中B-B′剖面图，垂直硅霍尔器件用来检测平行于半导体加工平面的磁场。其中霍尔层主要是N-型参杂构成，N+参杂用于引出电极。在N-型霍尔层的上方覆盖有P型参杂，用来降低干扰和噪声。当存在一个从激励电极1流到激励电极2的电流激励时，如果存在一个不为零的外界磁场B，检测电极1和检测电极2之间输出一个与外界磁场的大小和方向成正比的霍尔电压。
在典型的硅霍尔效应极板中，激励电极的输入阻抗与输出阻抗相同，同时，检测电极的输入阻抗与输出阻抗的比值与霍尔效应极板的长宽比成正比。由于霍尔长宽比大于1时，其相对霍尔灵敏度会随长宽比增大急剧下降，因此典型的硅霍尔效应极板的长宽比小于5，其中具备旋转对称特性的霍尔效应极板的宽长比约为1。
另外，因为电压激励方式可以抵消部分硅霍尔特性的温度漂移，因此电压激励方式相对而言，有着更为广泛的应用。因此在采用电压激励时，霍尔效应极板由于输入阻抗较低，最大输入阻抗不会大于输出阻抗的5倍，典型情况下，输入阻抗约等于输出阻抗。因此如果将多个霍尔极板串联或者并联，其输出信噪比大致不变。也就是说，直接串联或者并联霍尔效应极板，不会获得输出信噪比的显著改善。
由于硅霍尔效应系数较小，因此传感器输出的信号幅度极其微弱，从而导致对传感器后端的信号放大和调理电路的噪声和失调要求极高。
为了解决这个问题，本发明引入了两个或者多个霍尔效应极板，并且对于每个霍尔效应极板使用单独的电流源激励。单独的电流源激励极大程度上增加了霍尔效应极板输出端口的输入阻抗。例如典型情况下，霍尔效应极板的输入输出阻抗为1～10千欧姆，而通过对与每个霍尔效应极板单独使用电流源激励，其输出阻抗不变，但是输入阻抗可以增加到100～1000千欧姆及以上，从而使得多个霍尔效应极板的直接串联输出成为可能。
另外一方面，在使用电流源激励时，由于其共模基准电压需要一个单独的负反馈通路进行控制来稳定。如果对于多个霍尔效应极板均采用独立的共模反馈，那么系统的功耗、面积和成本方面的代价将过于庞大，本发明也将解决这一问题。
本发明提供了一种基于霍尔效应的磁场检测电路，包括：
2N个霍尔效应极板，2N个霍尔效应极板设置在半导体硅片上并沿同一方向均匀排列；以及
2N个电流源，每一电流源的输出相同并且分别与其中一个霍尔效应极板连接，以提供激励电流；
其中，2N个霍尔效应极板的输出串联连接，每一霍尔效应极板均具有一输出正极和一输出负极，每一霍尔效应极板的输出正极分别与另一个霍尔效应极板的输出负极连接，位于首位的霍尔效应极板的输出负极作为所述磁场检测电路的输出负极，位于尾位的霍尔效应极板的输出正极作为所述磁场检测电路的输出正极，2N个霍尔效应极板的中心引脚连接至一共模电压端口。
图3为本发明第一实施例的磁场检测电路的示意图，图3右下角为本发明第一实施例的共模反馈电路的示意图，N＝1时，2个电流源输出的激励电流从同一方向输入对应的霍尔效应极板，Outp和Outn为磁场检测电路的输出负极和输出正极，ISTM为电流源，VCom为中心引脚，图3右下角的运算放大电路和反馈电路等构成共模反馈电路，共模反馈电路检测VCom输出的电压并将其与VRef比较，通过共模反馈电路将VCom输出的电压设置为与VRef一致。
图4为本发明第二实施例的磁场检测电路的示意图，其中的共模反馈电路与图3相同不再赘述。N＝1时，2个电流源输出的激励电流从相反方向输入对应的霍尔效应极板，Outp和Outn为磁场检测电路的输出负极和输出正极，ISTM为电流源，VCom为中心引脚。与第一实施例不同的是，本实施例中的电流激励方式不同，两个霍尔效应极板的激励电流分别从其几何方向的上方和下方对称输入。这样的激励方式下，其输出霍尔电压特性不变，但是霍尔效应极板本身的失配会相互抵消，从而可以得到更低的直流失配。
图5a为本发明第二实施例的上半时钟周期时激励电流的流向示意图，图5b为本发明第二实施例的下半时钟周期时激励电流的流向示意图，当采用的电流源的上半时钟周期与下半时钟周期输出的电流方向相反时，两个第二霍尔效应极板在不同时刻的激励电流方向互换，从而在时间上可以将其失配特性进行平均，配合斩波电路后可以在很大程度上消除因为半导体加工的失配导致的输出直流失调。
图6为本发明第三实施例的磁场检测电路的示意图，当N为大于1的整数时，磁场检测电路中共有2N个霍尔效应极板和2N个电流源，前N个电流源输出的激励电流与后N个电流源输出的激励电流分别从相反方向输入对应的霍尔效应极板，相较于第二实施例，由于本实施例应用了更多个霍尔效应极板和电流源，因此，消除输出直流失调的能力更强。
本发明的以上各实施例中，共模反馈电路均可以为图3、图4右下角所示，共模反馈电路将共模电压端口的电压值稳定至一预设值。
本发明的以上各实施例中，可以进一步将2N个电流源替换为旋转电流电路，所述旋转电流电路用于向所述2N个霍尔效应极板提供在不同时间上进行预设旋转角度的电流，所述预设旋转角度例如为45度或90度。通过引入不同几何方向的电流，在时间上进行平均后，可以对消掉霍尔效应极板本身的失配误差。需要说明的是，如果将2N个电流源替换为旋转电流电路，前提为每个霍尔效应极板均具有旋转对称性，而且当不同方向的输入至霍尔效应极板时，其失调特性的随机分布具有一定独立性。
本发明还提供了一种电流传感器，其包括上述基于霍尔效应的磁场检测电路。
本发明使用电流源提供激励电流，由于电流源的输出阻抗极高，因此极大提升了每个霍尔效应极板输出端口的等效输入阻抗，从而使得将多个霍尔效应极板的输出端口串联进行输出成为可能。不仅有效改善了信噪比(信噪比正比于所使用霍尔效应极板数目的平方根)，而且提高了输出的霍尔电压的信号幅度(输出信号幅度正比于霍尔效应极板数目的个数)，从而减小了对后续放大电路的噪声贡献，有效的提高了系统性能，并在整体电路的性能、功耗、面积方面均有较好的效益。
本发明中的多个霍尔效应极板为串联连接，充分利用了每个霍尔效应极板本身的输入/输出电阻比例极大的特性，这样只需要稳定多个串联的霍尔效应极板的中心共模电压，其它各路电流激励的共模电压将会依次被反馈环路所稳定，从而避免了使用多路共模反馈环路，降低了整体电路的复杂度，并节约了面积和成本。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本领域普通技术人员可以理解：实施例中的装置中的模块可以按照实施例描述分布于实施例的装置中，也可以进行相应变化位于不同于本实施例的一个或多个装置中。上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
最后应说明的是：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实施例技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种基于霍尔效应的磁场检测电路，其特征在于，包括：
2N个霍尔效应极板，2N个霍尔效应极板设置在半导体硅片上并沿同一方向均匀排列；以及
2N个电流源，每一电流源的输出相同并且分别与其中一个霍尔效应极板连接，以提供激励电流；
其中，2N个霍尔效应极板的输出串联连接，每一霍尔效应极板均具有一输出正极和一输出负极，每一霍尔效应极板的输出正极分别与另一个霍尔效应极板的输出负极连接，位于首位的霍尔效应极板的输出负极作为所述磁场检测电路的输出负极，位于尾位的霍尔效应极板的输出正极作为所述磁场检测电路的输出正极，2N个霍尔效应极板的中心引脚连接至一共模电压端口，
N﹥1时，前N个电流源输出的激励电流与后N个电流源输出的激励电流分别从相反方向输入对应的霍尔效应极板。
2.根据权利要求1所述的基于霍尔效应的磁场检测电路，其特征在于，一共模反馈电路将所述共模电压端口的电压值稳定至一预设值。
3.根据权利要求1所述的基于霍尔效应的磁场检测电路，其特征在于，所述2N个电流源替换为旋转电流电路，所述旋转电流电路用于向所述2N个霍尔效应极板提供在不同时间上进行预设旋转角度的电流。
4.根据权利要求1所述的基于霍尔效应的磁场检测电路，其特征在于，所述2N个电流源的上半时钟周期与下半时钟周期输出的电流方向相反。
5.一种电流传感器，其特征在于，包括如权利要求1～4任一项所述的基于霍尔效应的磁场检测电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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