CN202872750U - 霍尔开关电路及其启动与偏置电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种霍尔开关电路及其启动与偏置电路，所述开关电路包括：启动与偏置电路、稳压器、霍尔感应元件；所述启动与偏置电路包括至少一个与所述霍尔感应元件同材料制成的电阻或电阻等效元件；启动与偏置电路的输出电流提供至所述稳压器。所述启动与偏置电路包括至少一个电流镜，用以使启动与偏置电路的输出电流按照设定比例放大或缩小。本实用新型提出的霍尔开关电路及其启动与偏置电路，解决了霍尔开关集成电路中稳压器的输出电压随着温度的变化而变化的问题，通过补偿稳压器的偏置电流，提高了稳压器的温度特性。

Description

霍尔开关电路及其启动与偏置电路

技术领域

本实用新型属于集成电路设计技术领域，涉及一种开关电路，尤其涉及一种霍尔开关电路；同时，本实用新型还涉及一种霍尔开关电路的启动与偏置电路。 

背景技术

霍尔传感器是利用霍尔效应原理将霍尔感应元件、放大器、补偿电路和其他电子线路、利用集成电路工艺技术集成在一个芯片上而制成，它具有体积小、寿命长、非接触式感应以及频率高等有点被广泛应用于无刷电机、电子仪器仪表、工业控制等领域。霍尔开关集成电路是霍尔传感器家族的重要成员，它根据外界磁场的变化输出具有一定窗口的数字信号，可被用于接近开关、位置传感器、和速度角度测量等领域。霍尔集成电路一般有恒流和恒压两种模式，由于恒流模式对半导体工艺的一致性特别敏感，很难批量生产，所以现今的霍尔集成电路大多采用恒压模式，即在芯片内部集成一个稳压器产生恒定的电压为霍尔感应元件和其他电子电路供电。 

为了增加霍尔感应磁场的灵敏度，霍尔感应元件在双极工艺中由N型外延制成，在MOS工艺中则由N型阱制成，N型外延或者阱的参杂浓度都比较淡，约为1X10E15/cm3；如图1所示，霍尔感应元件大多为正方形或长方形，电源与地连接在一个对角线接触点，而感应电压输出连接在另一个对角线接触点。为了减小封装和测试应力对霍尔感应元件的影响，在实际电路中采用四个元件并联的形式。 

假设常温下一个由N型外延做成的霍尔感应元件等效电阻大约为4000欧姆，四个并联的等效电阻则为1000欧姆，稳压器的输出电压约为3V，根据欧姆定律，流过四个霍尔感应元件的电流为3mA。根据半导体物理原理，N型外延层有很大的温度系数，当环境温度为150°时，四个霍尔感应元件的等效电阻从常温下的1000欧姆变为2500欧姆，流经它们的电流为1.2mA；当环境温度为－40°时，四个霍尔感应元件的等效电阻从常温下的1000欧姆减小为约500欧姆，流经它 们的电流为6mA。也就是说当环境温度从150°减小到－40°时，4个霍尔感应元件上的电流会从1.2mA增加到6mA，变化量达4.8mA 

应用于汽车电子和工业控制等领域的高档霍尔传感器要求在－40°到150°的温度范围内霍尔传感器的开关动作点要保持基本恒定，所以需要在霍尔集成电路内集成各种温度补偿电路。 

美国霍尼韦尔公司的专利号为5055768的温度补偿办法和公开号为CN101886933的中国专利申请使用的方法都假定稳压器的输出电压没有温度系数并且不随稳压器的负载电流变化而变化。但是事实上随着温度从150°变化到－40°，稳压器的负载电流从1.2mA增加到6mA，4.8mA的负载电流使稳压器的输出电压发生了很大变化，从而大大影响了霍尔开关集成电路开关动作点的温度特性。 

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种霍尔开关电路，通过补偿稳压器的偏置电流，提高了稳压器的温度特性。 

此外，本实用新型进一步提供霍尔开关电路的启动与偏置电路，通过补偿稳压器的偏置电流，提高了稳压器的温度特性。 

为解决上述技术问题，本实用新型采用如下技术方案： 

一种霍尔开关电路，所述开关电路包括：启动与偏置电路、稳压器、霍尔感应元件； 

所述启动与偏置电路包括至少一个与所述霍尔感应元件同材料制成的电阻或电阻等效元件；启动与偏置电路的输出电流提供至所述稳压器。 

作为本实用新型的一种优选方案，所述启动与偏置电路包括至少一个电流镜，用以使启动与偏置电路的输出电流按照设定比例放大或缩小。 

作为本实用新型的一种优选方案，所述电流镜由至少两个NPN晶体管或至少两个PNP晶体管或至少两个NMOS管或至少两个PMOS管组成。 

作为本实用新型的一种优选方案，启动与偏置电路连接在电源VCC与公共地线GND之间；稳压器连接在电源VCC与公共地GND之间，稳压器的偏置由启动与 偏置电路的输出电流提供，稳压器的输出为稳压信号VR；霍尔感应元件连接在稳压器的输出VR与公共地GND之间，其输出连接到下级放大器； 

所述启动与偏置电路包括电阻R11、电阻R12、晶体管Q21、晶体管Q22、晶体管Q24、晶体管Q25；所述稳压器包括晶体管Q23；其中，晶体管Q21、晶体管Q22为PNP晶体管，晶体管Q23、晶体管Q24、晶体管Q25为NPN晶体管； 

电阻R11连接在电源VCC与NPN晶体管Q25的集电极之间，电阻R11提供上电启动电流，确保在上电后晶体管Q25工作在放大区； 

电阻R12为跟踪所述霍尔感应元件电流的电阻，选用与霍尔感应元件相同材料的电阻类型，连接在晶体管Q25的基极与公共地GND之间；晶体管Q25与电阻R12共同产生启动与偏置电路的基准电流，电阻R12由N型外延层制成； 

晶体管Q21和晶体管Q22的发射极都接在电源VCC，基极连接在一起，晶体管Q22与晶体管Q21的集电极共同连接到晶体管Q24的集电极，晶体管Q24的基极与晶体管Q25的集电极相连； 

PNP晶体管Q21和Q22组成电流镜，对晶体管Q25和电阻R12产生的基准电流进行放大；晶体管Q23是稳压器的输出调整NPN晶体管，其集电极与电源VCC相连，发射极即为稳压器的输出VR，晶体管Q23的基极与晶体管Q22的集电极相连，接收晶体管Q22的一部分集电极电流； 

当环境温度减小/变大时，霍尔感应元件的等效电阻减小/变大，即稳压器的负载变大/减小，如果稳压器的偏置电流不变，则稳压器的输出电压VR会变小/变大；由于启动与偏置电路中的电阻R12电阻类型与霍尔感应元件相同，即电阻R12的电阻值也会变小/变大，流过电阻R12的电流增加/减少，经过电流镜放大后，最后导致晶体管Q22的集电极电流也增加/减少，即稳压器的调整晶体管输入电流增加/减少，从而使稳压器的输出电压VR抬高/降低，补偿由于稳压器负载增加/减少导致的VR电压值减小/变大。 

作为本实用新型的一种优选方案，启动与偏置电路连接在电源VCC与公共地线GND之间；稳压器连接在电源VCC与公共地GND之间，稳压器的偏置由启动与偏置电路的输出电流提供，稳压器的输出为稳压信号VR；霍尔感应元件连接在稳压器的输出VR与公共地GND之间，其输出连接到下级放大器； 

所述启动与偏置电路包括电阻R31、电阻R32、晶体管Q31、晶体管Q32、晶体管Q34、晶体管Q35、晶体管Q36、晶体管Q37；所述稳压器包括晶体管Q33；其中，晶体管Q31、晶体管Q32、晶体管Q34、晶体管Q37为PNP晶体管，晶体管Q33、晶体管Q35、晶体管Q36为NPN晶体管； 

电阻R32的一端接到地线，另一端与晶体管Q34的基极连接；PNP晶体管Q37和电阻R31产生该启动与偏置电路的基准电流； 

电阻R31的电阻材料与霍尔感应元件的材料一致，都是N型外延层；电阻R31跟踪霍尔感应元件的等效电阻变化； 

晶体管Q31和晶体管Q32的发射极都接在电源VCC，基极连接在一起，晶体管Q32与晶体管Q31的集电极共同连接到晶体管Q36的集电极； 

PNP晶体管Q31和Q32组成电流镜，对晶体管Q37和电阻R31产生的基准电流进行放大； 

晶体管Q33是稳压器的输出调整NPN晶体管，其集电极与电源VCC相连，发射极即为稳压器的输出VR，晶体管Q33的基极与晶体管Q32的集电极相连，接收晶体管Q32的一部分集电极电流； 

NPN晶体管Q35与Q36构成一个电流镜，与晶体管Q31的集电极相连接；晶体管Q35与晶体管Q36的发射极共同连接到公共地线，晶体管Q35与晶体管Q36的基极连接到晶体管Q35的集电极和PNP晶体管Q34的集电极。 

作为本实用新型的一种优选方案，所述电阻或电阻等效元件与所述霍尔感应元件材料相同，双极工艺由N型外延层制成，MOS工艺中由N型阱层制成； 

同时，由N型外延层或者阱层制成的电阻上部分或者全部覆盖一层P型基区层或者P型扩散层。 

作为本实用新型的一种优选方案，所述电阻或电阻等效元件阻值成反向关系，当该电阻值变大时启动与偏置电路的输出电流变小；当该电阻值变小时启动与偏置电路的输出电流变大； 

所述开关电路还包括依次连接的放大器、施密特比较器、输出级，所述霍尔感应元件连接放大器。 

一种霍尔开关电路的启动与偏置电路，所述开关电路还包括：稳压器、霍尔感应元件； 

所述启动与偏置电路包括至少一个与所述霍尔感应元件同材料制成的电阻或电阻等效元件；启动与偏置电路的输出电流提供至所述稳压器。 

作为本实用新型的一种优选方案，所述启动与偏置电路包括至少一个电流镜，用以使启动与偏置电路的输出电流按照设定比例放大或缩小。 

本实用新型的有益效果在于：本实用新型提出的霍尔开关电路及其启动与偏置电路，解决了霍尔开关集成电路中稳压器的输出电压随着温度的变化而变化的问题，通过补偿稳压器的偏置电流，提高了稳压器的温度特性。 

新型启动与偏置电路内的基准电流由与霍尔感应元件材料相同的电阻产生，并且随该电阻的阻值大小成反向关系，经过一个或者多个电流镜的镜像放大或者缩小，作为该偏置电路的输出电流给稳压器供电。 

本实用新型所述的新型启动与偏置电路包含至少一个与霍尔感应元件材料相同的电阻，此电阻可以跟踪霍尔感应元件的等效电阻随环境温度变化而产生的变化，调整偏置电路的输出电流，即稳压器的输入偏置电流，使稳压器的输出电压保持不变。 

附图说明

图1是常用霍尔感应元件的平面外形。 

图2是实施例一中霍尔开关电路的原理图。 

图3是实施例二中霍尔开关电路的原理图。 

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的优选实施例。 

实施例一 

请参阅图2，本实用新型揭示一种单片霍尔开关集成电路，包含启动与偏置 电路101、稳压器102、霍尔感应元件103以及其他诸如放大器，施密特比较器和输出级等（附图未画出）。 

启动与偏置电路101连接在芯片电源VCC与公共地线GND之间；稳压器连接在电源与公共地GND之间，稳压器的偏置由启动与偏置电路101的输出电流提供，稳压器的输出为稳压信号VR；霍尔感应元件103在本实施例中由N型外延层制成，为4个相同的感应片并联组成，连接在稳压器的输出VR与公共地GND之间，其另外另端输出连接到下级放大器（附图未画出）。 

从图2中可以看出，霍尔感应元件103是稳压器的负载之一，由于本图未画出的其他电路部分电流绝对值相对于霍尔感应元件的电流绝对值很小，在此处忽略不计。 

所述启动与偏置电路包括电阻R11、电阻R12、晶体管Q21、晶体管Q22、晶体管Q24、晶体管Q25；所述稳压器包括晶体管Q23；其中，晶体管Q21、晶体管Q22为PNP晶体管，晶体管Q23、晶体管Q24、晶体管Q25为NPN晶体管。 

启动与偏置电路101中，R11连接在电源VCC与NPN晶体管Q25的集电极之间，R11提供上电启动电流，确保在上电后Q25工作在放大区，为了节省电流，R11的阻值很大，可以达到几百千欧姆或更大，R11一般使用工艺中电阻方块值最大的电阻类型以节省芯片面积。R12即为本实用新型所述的跟踪霍尔感应元件电流的关键电阻，它选用与霍尔感应元件相同材料的电阻类型，连接在Q25的基极与公共地GND之间；本实施例中，Q25与R12共同产生启动与偏置电路的基准电流，R12由N型外延层制成，阻值大小约为7000欧姆。Q21和Q22的发射机都接在电源VCC，基极连接在一起，与Q21的集电极共同连接到Q24的集电极，Q24的基极与Q25的集电极相连。 

PNP晶体管Q21和Q22组成电流镜，对Q25和R12产生的基准电流进行放大，在本实施例中，Q22的发射极面积是Q21的4倍，所以Q24的集电极电流为基准电流的4倍。Q23是稳压器102的输出调整NPN晶体管，它的集电极与电源VCC相连，发射极即为稳压器的输出VR，Q23的基极与Q22的集电极相连，接收Q22的一部分集电极电流。 

当电源VCC上电到12V后，工作在放大区的Q25发射极，即R12两端，电压 约为0.7V，则根据欧姆定律，启动与偏置电路101产生的基准电流大小约为0.7/7000＝100uA。Q21的集电极电流约等于R12的电流，即约为100uA。Q22的集电极电流为Q21集电极电流的4倍，即为400uA。稳压器102有很多种不同的结构，从Q22集电极分流到调整管Q23基极的电流也有多种数值，在本实施例中假定有200uA的电流流入调整管Q23的基极，其他200uA电流为稳压器102的其他电路部分提供偏置。 

当环境温度减小时，霍尔感应元件103的等效电阻减小，即稳压器102的负载变大，如果稳压器的偏置电流不变，则稳压器的输出电压VR会变小。但是由于启动与偏置电路101中的R12电阻类型与霍尔感应元件相同，即R12的电阻值也会变小，流过R12的电流增加，经过电流镜放大后，最后导致Q22的集电极电流也增加，即稳压器的调整晶体管输入电流增加，从而使稳压器的输出电压VR抬高，补偿了由于稳压器负载增加导致的VR电压值减小。 

实施例二 

本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中启动与偏置电路111采用了两级电流镜；当然，还可以采用三级电流镜，甚至更多级。 

请参阅图3，所述启动与偏置电路111包括电阻R31、电阻R32、晶体管Q31、晶体管Q32、晶体管Q34、晶体管Q35、晶体管Q36、晶体管Q37；所述稳压器102包括晶体管Q33。其中，晶体管Q31、晶体管Q32、晶体管Q34、晶体管Q37为PNP晶体管，晶体管Q33、晶体管Q35、晶体管Q36为NPN晶体管。 

NPN晶体管Q25与Q26构成新增的一个电流镜与Q21的集电极相连接。Q25与Q26的发射极共同连接到公共地线，二者的基极连接到Q25的集电极和PNP晶体管Q24的集电极。电阻R32作用等效于附图2中的R11，一端接到地线，另一端与Q24的基极连接。PNP晶体管Q27和R31产生该启动与偏置电路的基准电流，其中R31的电阻材料与霍尔感应元件的材料一致，都是N型外延层。R31可以跟踪霍尔感应元件的等效电阻变化。 

综上所述，本实用新型所述新型启动与偏置电路利用至少一个用与霍尔感应 元件相同材料制成的电阻，跟踪霍尔感应元件的电阻随着温度的变化而产生的变化，动态调整启动与偏置电路的输出电流，达到补偿稳压器输出电压的温度性能。本方法实用并且简单，不增加额外的电路并与所述制造工艺兼容，不增加芯片成本。上述实施例以双极工艺电路为例子，但同样的原理可以应用于MOS或者BICMOS工艺。 

这里本实用新型的描述和应用是说明性的，并非想将本实用新型的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本实用新型的精神或本质特征的情况下，本实用新型可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本实用新型范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。 

Claims (9)

1.一种霍尔开关电路，其特征在于，所述开关电路包括：启动与偏置电路、稳

压器、霍尔感应元件；

所述启动与偏置电路包括至少一个与所述霍尔感应元件同材料制成的电阻或电阻等效元件；启动与偏置电路的输出电流提供至所述稳压器。

2.根据权利要求1所述的霍尔开关电路，其特征在于：

所述启动与偏置电路包括至少一个电流镜，用以使启动与偏置电路的输出电流按照设定比例放大或缩小。

3.根据权利要求2所述的霍尔开关电路，其特征在于：

所述电流镜由至少两个NPN晶体管或至少两个PNP晶体管或至少两个NMOS管或至少两个PMOS管组成。

4.根据权利要求2所述的霍尔开关电路，其特征在于：

启动与偏置电路连接在电源VCC与公共地线GND之间；稳压器连接在电源VCC与公共地GND之间，稳压器的偏置由启动与偏置电路的输出电流提供，稳压器的输出为稳压信号VR；霍尔感应元件连接在稳压器的输出VR与公共地GND之间，其输出连接到下级放大器；

所述启动与偏置电路包括电阻R11、电阻R12、晶体管Q21、晶体管Q22、晶体管Q24、晶体管Q25；所述稳压器包括晶体管Q23；其中，晶体管Q21、晶体管Q22为PNP晶体管，晶体管Q23、晶体管Q24、晶体管Q25为NPN晶体管；

电阻R11连接在电源VCC与NPN晶体管Q25的集电极之间，电阻R11提供上电启动电流，确保在上电后晶体管Q25工作在放大区；

电阻R12为跟踪所述霍尔感应元件电流的电阻，选用与霍尔感应元件相同材料的电阻类型，连接在晶体管Q25的基极与公共地GND之间；晶体管Q25与电阻R12共同产生启动与偏置电路的基准电流，电阻R12由N型外延层制成； 

晶体管Q21和晶体管Q22的发射极都接在电源VCC，基极连接在一起，晶体管Q22与晶体管Q21的集电极共同连接到晶体管Q24的集电极，晶体管Q24的基极与晶体管Q25的集电极相连；

PNP晶体管Q21和Q22组成电流镜，对晶体管Q25和电阻R12产生的基准电流进行放大；晶体管Q23是稳压器的输出调整NPN晶体管，其集电极与电源VCC相连，发射极即为稳压器的输出VR，晶体管Q23的基极与晶体管Q22的集电极相连，接收晶体管Q22的一部分集电极电流。

5.根据权利要求2所述的霍尔开关电路，其特征在于：

启动与偏置电路连接在电源VCC与公共地线GND之间；稳压器连接在电源VCC与公共地GND之间，稳压器的偏置由启动与偏置电路的输出电流提供，稳压器的输出为稳压信号VR；霍尔感应元件连接在稳压器的输出VR与公共地GND之间，其输出连接到下级放大器；

所述启动与偏置电路包括电阻R31、电阻R32、晶体管Q31、晶体管Q32、晶体管Q34、晶体管Q35、晶体管Q36、晶体管Q37；所述稳压器包括晶体管Q33；其中，晶体管Q31、晶体管Q32、晶体管Q34、晶体管Q37为PNP晶体管，晶体管Q33、晶体管Q35、晶体管Q36为NPN晶体管；

电阻R32的一端接到地线，另一端与晶体管Q34的基极连接；PNP晶体管Q37和电阻R31产生该启动与偏置电路的基准电流；

电阻R31的电阻材料与霍尔感应元件的材料一致，都是N型外延层；电阻R31跟踪霍尔感应元件的等效电阻变化；

晶体管Q31和晶体管Q32的发射极都接在电源VCC，基极连接在一起，晶体管Q32与晶体管Q31的集电极共同连接到晶体管Q36的集电极；

PNP晶体管Q31和Q32组成电流镜，对晶体管Q37和电阻R31产生的基准电流进行放大；

晶体管Q33是稳压器的输出调整NPN晶体管，其集电极与电源VCC相连，发射极即为稳压器的输出VR，晶体管Q33的基极与晶体管Q32的集电极相连，接收晶体管Q32的一部分集电极电流； 

NPN晶体管Q35与Q36构成一个电流镜，与晶体管Q31的集电极相连接；晶体管Q35与晶体管Q36的发射极共同连接到公共地线，晶体管Q35与晶体管Q36的基极连接到晶体管Q35的集电极和PNP晶体管Q34的集电极。

6.根据权利要求1至5之一所述的霍尔开关电路，其特征在于：

所述电阻或电阻等效元件与所述霍尔感应元件材料相同，双极工艺由N型外延层制成，MOS工艺中由N型阱层制成；

同时，由N型外延层或者阱层制成的电阻上部分或者全部覆盖一层P型基区层或者P型扩散层。

7.根据权利要求1至5之一所述的霍尔开关电路，其特征在于：

所述电阻或电阻等效元件阻值成反向关系，当该电阻值变大时启动与偏置电路的输出电流变小；当该电阻值变小时启动与偏置电路的输出电流变大；

所述开关电路还包括依次连接的放大器、施密特比较器、输出级，所述霍尔感应元件连接放大器。

8.一种霍尔开关电路的启动与偏置电路，其特征在于，所述开关电路还包括：

稳压器、霍尔感应元件；

所述启动与偏置电路包括至少一个与所述霍尔感应元件同材料制成的电阻或电阻等效元件；启动与偏置电路的输出电流提供至所述稳压器。

9.根据权利要求8所述的霍尔开关电路的启动与偏置电路，其特征在于：

所述启动与偏置电路包括至少一个电流镜，用以使启动与偏置电路的输出电流按照设定比例放大或缩小。 

Images