CN202267484U - 一种单片式锁存型霍尔传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单片式锁存型霍尔传感器，包括依次连接的霍尔极板、放大器、开关电容电路和比较器，还包括与所述开关电容电路连接的电压基准电路，其中，所述霍尔极板由外围输入的第一、第二时钟信号控制，所述开关电容电路包括均具有上、下极板的第一至第四电容；所述第一、第二时钟信号为两相非交叠的时钟信号。本实用新型通过采用第二、第三电容以及第一、第四电容分别采样经放大器放大的霍尔信号和电压基准电路输出的基准电压，并利用电荷守恒和电荷重分配原理实现霍尔信号的放大和固定失调电压的消除，同时在第一至第四电容的采样状态下引入第三时钟信号，从而避免了采样开关切换瞬间的电荷注入效应和时钟馈通效应对信号建立精度的影响。

Description

一种单片式锁存型霍尔传感器

技术领域

本实用新型涉及一种单片式锁存型霍尔传感器。

背景技术

近年来，直流无刷电机在航空航天系统、国防军事装备、科学仪器、工业自动化装备、医疗器械、家电民用消费产品等领域中的应用越来越广泛，被认为是21世纪最有发展前途和广泛应用前景的电子控制电机。霍尔传感器作为其中的核心部件，其作用也越来越明显，很大程度上，霍尔传感器的性能直接决定了直流无刷电机的品质。

半导体技术的发展给高集成度的单片式霍尔传感器制作带来了可能，但是由于半导体制作过程以及芯片封装工艺中一些不可避免的因素，会导致霍尔传感器存在较高的固定失调电压，失调电压往往会达到几毫伏至几十毫伏；另外，信号放大电路由于器件失配等因素也会引入固定失调电压，这个电压也在毫伏级别；而采用半导体工艺制作的霍尔传感器灵敏度往往只有0.1mV/mT左右，所以，如果不采用特殊的电路方法将这个失调电压去除，霍尔信号则会淹没在失调电压中，造成信号无法读出。

美国专利US7425821提出了一种采用斩波技术消除霍尔传感器和放大器失调电压的方法，其原理基于斩波技术，采用二次调制方式，首先将霍尔信号调制到采样频率，而霍尔极板和放大器的失调电压保持不变，信号经过放大后在再用同样的频率采样，对信号再调制一次，这样霍尔信号经过二次调制后回到基频，而失调电压由于只调制了一次，被放到了采样频率的位置，经过抗混叠低通滤波器后，失调电压被滤掉，最终只剩下霍尔信号。这种方法的好处是系统响应时间快、消除失调电压效果明显、信号通道信噪高，缺点是电路规模较大，芯片的功耗、面积都比较大。

中国专利CN101833073提出了一种消除失调电压的方法，霍尔极板的信号调制方式和US7425821相同，不同的是：在放大器输出端和比较器输入端之间加入了采样电容C₁、C₂，利用相关双采样技术消掉霍尔极板和放大器的失调电压，电路如图1所示：两个基准电压V₁、V₂，由外围基准电路(图中未示)提供；开关M1、M2分别控制基准电压V₂、V₁加载到采样电容C₁、C₂的上极板；在时钟信号CLK处于采样状态时，采样电容C₁、C₂的上极板分别接基准电压V₂、V₁；在时钟信号CLK处于保持状态时，开关M1、M2关闭，采样电容C₁、C₂的上极板处于悬空状态；由电荷守恒原理可知，此时，采样电容C₁、C₂上极板的电压差满足：V_b-V_a＝(V₂-V₁)+(-2AV_H)，该式中的A为放大器1’的增益，V_H为霍尔信号。可以看出，这种方法在消除失调电压的同时，也得到了霍尔信号V_H的迟滞区间V₂-V₁。这种方法虽然能够以较为简单的电路消除霍尔极板和放大器的失调电压，但是仍然存在几点不足：

首先，开关M1、M2直接接在采样电容C₁、C₂的上极板，在开关M1、M2关断瞬间，由于电荷注入和时钟馈通效应的影响，会直接导致采样信号的建立精度出现偏差；

其次，开关M1、M2切换瞬间的踢回噪声(kickback noise)会直接耦合回基准电压V₂、V₁上，导致基准电压在开关M1、M2切换瞬间发生变化，如果恢复时间不够，也会影响信号的建立精度；

最后，由于霍尔极板的灵敏度会随温度的升高而降低，从而会降低迟滞区间随温度的稳定性。

基于上述原因，目前需要对此类单片式霍尔传感器进行改进。

实用新型内容

为了克服上述现有技术中存在的缺点，本实用新型旨在提供一种单片式锁存型霍尔传感器，以较为简单的电路消除失调电压，避免开关切换对信号放大精度的影响，降低噪声影响并获得更好的温度稳定性。

本实用新型所述的一种单片式锁存型霍尔传感器，它包括依次连接的霍尔极板、放大器、开关电容电路和比较器，还包括与所述开关电容电路连接的电压基准电路，其中，所述霍尔极板由外围输入的第一、第二时钟信号控制，所述电压基准电路包括串联的第一分压电阻和第二分压电阻，

所述开关电容电路包括均具有上、下极板的第一至第四电容，其中，第一、第二电容的上极板相连至所述比较器的正输入端，第三、第四电容的上极板相连至所述比较器的负输入端，第一、第四电容的下极板分别连接至所述电压基准电路的负输出端和正输出端，且第一、第四电容的电容值相等，第二、第三电容的下极板分别连接至所述放大器的正输出端和负输出端，且第二、第三电容的电容值相等；

所述第一、第二时钟信号为两相非交叠的时钟信号，当第一时钟信号为高电平时，所述电压基准电路通过由外围输入的第三时钟信号控制的采样开关向所述第一至第四电容的上极板输出共模电平，所述第三时钟信号的下降沿相对于第一时钟信号的下降沿提前时间t。

在上述的单片式锁存型霍尔传感器中，所述第一至第四电容的上极板通过采样开关连接到所述第一分压电阻和第二分压电阻之间。

在上述的单片式锁存型霍尔传感器中，所述电压基准电路与所述采样开关之间连接有电压缓冲器。

在上述的单片式锁存型霍尔传感器中，所述电压缓冲器的正输入端连接到所述第一分压电阻和第二分压电阻之间，其负输入端与其输出端相连至所述采样开关。

在上述的单片式锁存型霍尔传感器中，所述电压基准电路包括与所述第一分压电阻串联的温度补偿模块。

在上述的单片式锁存型霍尔传感器中，所述温度补偿模块包括具有正温度系数的温度补偿电阻。

在上述的单片式锁存型霍尔传感器中，所述时间t的范围为100-1000纳秒。

由于采用了上述技术方案，本实用新型通过采用新型开关电容采样、放大技术，使两组采样电容，即第二、第三电容以及第一、第四电容分别采样经放大器放大的霍尔信号和电压基准电路输出的基准电压，并利用电荷守恒和电荷重分配原理实现霍尔信号的放大和固定失调电压的消除，同时在第一至第四电容的采样状态下引入特殊的采样时序，即第三时钟信号，从而避免了采样开关切换瞬间的电荷注入效应和时钟馈通效应对信号建立精度的影响。本实用新型还在电压基准电路和开关电容电路之间加入了电压缓冲器，避免了采样开关切换瞬间产生的踢回噪声对基准电压的影响。另外，本实用新型中的电压基准电路中还增设了温度补偿模块，通过这种正温度系数的电阻补偿了传感器的迟滞电压区间，使得迟滞电压区间随温度的升高而减小，进而补偿了霍尔极板的霍尔系数随温度的升高而降低的效应，使得芯片的灵敏度温漂效应减小。

附图说明

图1是现有霍尔传感器的失调消除电路的原理图；

图2是本实用新型的单片式锁存型霍尔传感器的结构框图；

图3是本实用新型中霍尔极板的时序控制示意图；

图4是本实用新型中第一、第二时钟信号的时序关系图；

图5是本实用新型中霍尔极板在第一时钟信号为高电平时的工作原理图；

图6是本实用新型中霍尔极板在第二时钟信号为高电平时的工作原理图；

图7是本实用新型中电压基准电路的结构框图；

图8是本实用新型中电压基准电路的温度补偿曲线效果图；

图9是本实用新型中开关电容电路的结构原理图；

图10是本实用新型中第二、第三时钟信号的时序关系图；

图11是本实用新型中开关电容电路在第一时钟信号为高电平时的工作原理图；

图12是本实用新型中开关电容电路在第二时钟信号为高电平时的工作原理图。

具体实施方式

下面根据附图，给出本实用新型的较佳实施例和替代实施例，并予以详细描述，使能更好地理解本实用新型的功能、特点。

如图2所示，本实用新型，即一种单片式锁存型霍尔传感器，包括稳压电路1、电压基准电路2、电压缓冲器3、霍尔极板4、放大器5、开关电容电路6、比较器7、振荡器8、数字逻辑控制电路9和输出功率管10。

稳压电路1用于将外部电源11的电压转换为内部电源V_REG的电压，并分别向电压基准电路2、电压缓冲器3、霍尔极板4、放大器5、比较器7、振荡器8和数字逻辑控制电路9供电，该内部电源V_REG的电压不受外部应用环境的影响，具有较低的噪声和较高的稳定性，并能够在外部电源11的电压在6V～30V的范围内变化时，始终维持在5V左右。

如图3所示，霍尔极板4的四个输出端子A、B、C和D通过由外围输入的第一、第二时钟信号CKP、CKN控制的时序开关分别与放大器5的正、负输入端相连，其中，第一、第二时钟信号CKP、CKN为两相非交叠的时钟信号，它们的时序关系可如图4所示。

假设霍尔极板4上具有固定失调电压V_{OS_H}，放大器5具有固定失调电压V_{OS_A}，放大器5用于放大霍尔极板4输出的霍尔信号V_HALL和固定失调电压V_{OS_H}、V_{OS_A}，并向开关电容电路6输出信号V_{AMP_P}、V_{AMP_N}。

如图5所示，当第一时钟信号CKP为高电平，第二时钟信号CKN为低电平时，霍尔极板4内的电流方向为从输出端子A流向输出端子C，输出端子B、D之间产生霍尔信号V_HALL，且输出端子B与放大器5的正输入端连接，输出端子D与放大器5的负输入端连接；按照左手定则，此时放大器5的输出信号V_{AMP_P_1}、V_{AMP_N_1}满足：

V_{AMP_P_1}-V_{AMP_N_1}＝-AV_HALL-A(V_{OS_H}+V_{OS_A})    (1)，

式中，A为放大器5的增益。

如图6所示，当第一时钟信号CKP为低电平，第二时钟信号CKN为高电平时，霍尔极板4内的电流方向为从输出端子D流向输出端子B，输出端子A、C之间产生霍尔信号V_HALL，且输出端子A与放大器5的负输入端连接，输出端子C与放大器5的正输入端连接；按照左手定则，此时放大器5的输出信号V_{AMP_P_2}、V_{AMP_N_2}满足：

V_{AMP_P_2}-V_{AMP_N_2}＝AV_HALL-A(V_{OS_H}+V_{OS_A})    (2)。

如图7所示，电压基准电路2包括依次串联在内部电源V_REG与地之间的温度补偿模块21、第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂，其中，温度补偿模块21采用具有正温度系数的温度补偿电阻R_TEMP，其具体作用在下文中介绍。

通过温度补偿电阻R_TEMP、第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂的分压作用得到第一、第二基准电压V_F1、V_F2，该第一、第二基准电压V_F1、V_F2由两组时序开关控制选通，其中，一组时序开关由第一、第二时钟信号CKP、CKN控制，另一组时序开关由逻辑信号C_{F_P}、C_{F_N}控制，该逻辑信号C_{F_P}、C_{F_N}由数字逻辑控制电路9根据比较器7的输出信号V_CMP而产生。第一基准电压V_F1通过时序开关控制后作为电压基准电路2的正输出端的输出信号V_RP，第二基准电压V_F2通过时序开关控制后作为电压基准电路2的负输出端的输出信号V_RN。

如图9所示，开关电容电路6对放大器5的输出信号V_{AMP_P}、V_{AMP_N}进行采样放大，并利用相关双采样技术消掉霍尔极板4和放大器5的固定失调电压V_{OS_H}、V_{OS_A}；具体来说，开关电容电路6包括均具有上、下极板的第一至第四电容C₁至C₄，其中：

第一、第二电容C₁、C₂的上极板相连至比较器7的正输入端，第三、第四电容C₃、C₄的上极板相连至比较器7的负输入端，从而使比较器7在时钟放大阶段对第一至第四电容C₁至C₄上的电压进行比较；

第一、第四电容C₁、C₄的下极板分别连接至电压基准电路2的负输出端和正输出端，用于采样基准电压信号，即分别接收电压基准电路2的输出信号V_RN、V_RP，且第一、第四电容C₁、C₄的电容值相等，从而避免信号在放大过程中会出现失调(这是由差分电路的特性所决定的)；

第二、第三电容C₂、C₃的下极板分别连接至放大器5的正输出端和负输出端，用于采样放大器5的输出信号，即分别接收放大器5的输出信号V_{AMP_P}、V_{AMP_N}，且第二、第三电容C₂、C₃的电容值相等，从而避免信号在放大过程中会出现失调。

第一至第四电容C₁至C₄的上极板还通过由外围输入的第三时钟信号CKP_C控制的采样开关连接到第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂之间，即受第三时钟信号CKP_C控制地接收第二基准电压V_F2，该第二基准电压V_F2为共模电平，用于为开关电容电路6在采样阶段提供直流工作点；第三时钟信号CKP_C的下降沿相对于第一时钟信号CKP的下降沿提前时间t，时间t的范围为100-1000纳秒；在本实施例中，采样开关的数量为两个，分别连接在第一、第二电容C₁、C₂的上极板和第三、第四电容C₃、C₄的上极板。

在本实施例中，电压缓冲器3连接在电压基准电路2与上述采样开关之间，具体来说，电压缓冲器3的正输入端连接到第一分压电阻R₁和第二分压电阻R₂之间，其负输入端与其输出端相连至采样开关。由于有电压缓冲器的隔离，采样开关的切换动作不会直接耦合到电压基准电路2中，因此不会对第一、第二基准电压V_F1、V_F2产生影响。

当第一时钟信号CKP为高电平的时候，电压基准电路2所产生的共模电平，即第二基准电压V_F2通过电压缓冲器3并由第三时钟信号CKP_C控制地送入到第一至第四电容C₁至C₄的上极板。

由于第三时钟信号CKP_C的下降沿相对于第一时钟信号CKP的下降沿有一定时间t的提前(时序关系如图10所示)，因此，当第一时钟信号CKP在下降沿切换时，由于第一至第四电容C₁至C₄的上极板已经提前处于悬空状态，从而不会有电荷进入，电压基准电路2的正、负输出端的输出信号V_RP、V_RN的电压抖动将不会影响第一至第四电容C₁至C₄的采样精度；而对于第三时钟信号CKP_C的下降沿切换时所引入的电荷注入，由于比较器7的正、负输入端的所接的电路是完全对称的，因此，该电荷注入不会对比较器7的差分输入信号产生影响。

具体来说，开关电容电路6的工作方式如下：

假设图7中，数字逻辑控制电路9产生的逻辑信号C_{F_P}为高电平，逻辑信号C_{F_N}为低电平，则当第一时钟信号CKP为高电平时(此时第二时钟信号CKN为低电平)，开关电容电路6的实际工作电路如图11所示，此时，第一、第二电容C₁、C₂上的总电荷Q₁满足：

Q₁＝(V_F1-V_F2)C₁+(V_{AMP_P_1}-V_F2)C₂    (3)；

第三、第四电容C₃、C₄上的总电荷Q₂满足：

Q₂＝(V_F2-V_F2)C₄+(V_{AMP_N_1}-V_F2)C₃    (4)。

而当第二时钟信号CKN为高电平时(此时第一时钟信号CKP为低电平)，开关电容电路6的实际工作电路如图12所示，此时，第一、第二电容C₁、C₂上的总电荷Q₁’满足：

Q₁’＝(V_F2-V_{CMP_P})C₁+(V_{AMP_P_2}-V_{CMP_P})C₂   (5)，

式中，V_{CMP_P}为比较器7的正输入端的输入信号；

第三、第四电容C₃、C₄上的总电荷Q₂’满足：

Q₂’＝(V_F1-V_{CMP_N})C₄+(V_{AMP_N_2}-V_{CMP_N})C₃    (6)，

式中，V_{CMP_N}为比较器7的负输入端的输入信号。

由于电荷守恒原理总电荷Q₁＝Q₁’、总电荷Q₂＝Q₂’，且第一、第四电容C₁、C₄的电容值相等，即C₁＝C₄，第二、第三电容C₂、C₃的电容值相等，即C₂＝C₃，因此，结合式(1)、式(2)可以推算出，此时比较器7的差分输入电压为：

V_{CMP_P}-V_{CMP_N}＝2C₂AV_HALL/(C₁+C₂)-2C₁(V_F1-V_F2)/(C₁+C₂)    (7)。

以此类推，当数字逻辑控制电路9产生的逻辑信号C_{F_P}为低电平，逻辑信号C_{F_N}为高电平时，比较器7的差分输入电压为：

V_{CMP_P}-V_{CMP_N}＝2C₂AV_HALL/(C₁+C₂)+2C₁(V_F1-V_F2)/(C₁+C₂)    (8)。

由式(7)、(8)可以看出，霍尔极板4和放大器5的直流固定失调电压V_{OS_H}、V_{OS_A}已经消除掉；电路的迟滞区间由2C₁(V_F1-V_F2)/(C₁+C₂)决定，迟滞的极性由逻辑信号C_{F_P}的电平高低控制；霍尔信号V_HALL的放大倍数为2C₂A/(C₁+C₂)。

当温度升高时，霍尔极板4灵敏度降低，单位强度的磁场产生的感应电压降低，所以温度升高时必须减小电迟滞区间，才能使磁迟滞区间不变。而当温度升高时，温度补偿电阻R_TEMP的电阻值会增加，从而使得电压基准电路2中的分压支路电流减小，进而减小第一、第二基准电压V_F1、V_F2的电压差值V_F1-V_F2，由于电路的迟滞区间主要由V_F1-V_F2的差值提供，由此可见，温度补偿电阻R_TEMP能使迟滞区间随温度的变化减小，从而达到温度补偿的目的，第一、第二基准电压V_F1、V_F2的电压差值随温度的变化如图8所示。

另外，本实施例中的振荡器8产生整个传感器芯片所需的基本时钟信号，并将该时钟信号送入数字逻辑控制电路9；数字逻辑控制电路9还根据比较器7的输出信号V_CMP控制输出功率管10的开关状态；输出功率管10用于控制传感器芯片外部风扇线圈的状态。

显然，在上述教导下，可能对本实用新型进行多种修正和变型，并在所附权利要求的范围内，本实用新型可实施为不同于具体描述的方式。

Claims (7)

1.一种单片式锁存型霍尔传感器，它包括依次连接的霍尔极板、放大器、开关电容电路和比较器，还包括与所述开关电容电路连接的电压基准电路，其中，所述霍尔极板由外围输入的第一、第二时钟信号控制，所述电压基准电路包括串联的第一分压电阻和第二分压电阻，其特征在于，

所述开关电容电路包括均具有上、下极板的第一至第四电容，其中，第一、第二电容的上极板相连至所述比较器的正输入端，第三、第四电容的上极板相连至所述比较器的负输入端，第一、第四电容的下极板分别连接至所述电压基准电路的负输出端和正输出端，且第一、第四电容的电容值相等，第二、第三电容的下极板分别连接至所述放大器的正输出端和负输出端，且第二、第三电容的电容值相等；

所述第一、第二时钟信号为两相非交叠的时钟信号，当第一时钟信号为高电平时，所述电压基准电路通过由外围输入的第三时钟信号控制的采样开关向所述第一至第四电容的上极板输出共模电平，所述第三时钟信号的下降沿相对于第一时钟信号的下降沿提前时间t。

2.如权利要求1所述的单片式锁存型霍尔传感器，其特征在于，所述第一至第四电容的上极板通过采样开关连接到所述第一分压电阻和第二分压电阻之间。

3.如权利要求1或2所述的单片式锁存型霍尔传感器，其特征在于，所述电压基准电路与所述采样开关之间连接有电压缓冲器。

4.如权利要求3所述的单片式锁存型霍尔传感器，其特征在于，所述电压缓冲器的正输入端连接到所述第一分压电阻和第二分压电阻之间，其负输入端与其输出端相连至所述采样开关。

5.如权利要求3所述的单片式锁存型霍尔传感器，其特征在于，所述电压基准电路包括与所述第一分压电阻串联的温度补偿模块。

6.如权利要求5所述的单片式锁存型霍尔传感器，其特征在于，所述温度补偿模块包括具有正温度系数的温度补偿电阻。

7.如权利要求1所述的单片式锁存型霍尔传感器，其特征在于，所述时间t的范围为100-1000纳秒。

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