CN2884693Y - 霍尔开关电路及其迟滞比较器电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型通过增加温度补偿电路，对霍尔片乘积灵敏度的温度漂移进行补偿，使得霍尔开关的磁迟滞窗口宽度在温度升高时不变或略微变小，从而保证开关性能。本实用新型的温度补偿电路负温度系数大，足以完全补偿由于温度升高而引起的霍尔片灵敏度下降，同时该温度补偿电路仅用纵向NPN管和基区电阻构成，版图面积小。

Description

霍尔开关电路及其迟滞比较器电路

技术领域

本实用新型涉及一种霍尔开关电路及其迟滞比较器电路，特别涉及一种带温度补偿的霍尔开关电路及其迟滞比较器电路。

背景技术

近年来，霍尔开关集成电路已逐渐取代传统接触式开关，广泛应用于各种电子设备中。霍尔开关集成电路属于霍尔传感器电路的一种，它利用半导体材料的霍尔效应，感测外部环境中磁场的变化，输出数字信号，即0、1电平。

半导体材料的霍尔效应如图1所示。把半导体霍尔片放在均匀磁场B中，在两电流电极间加上稳定电压V，霍尔片两敏感电极间会产生霍尔电压VH。

霍尔电压为

$V_H=\frac{{\mathrm{\μ}}_{n}W}{l}\mathrm{BVf}\left(\frac{l}{W}\right)$

其中，l、W分别是霍尔片的长、宽， 是几何形状修正因子，μ_n是n型半导体材料的电子迁移率。

霍尔片的乘积灵敏度为

$S_H=\frac{V_H}{\mathrm{BV}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{n}W}{l}f\left(\frac{l}{W}\right)$

即，在单位工作电压和单位磁感应强度下，霍尔片输出端开路时的霍尔电压。

霍尔片乘积灵敏度对温度的相对变化率为

$\frac{1}{S_H}\frac{\∂S_H}{\∂T}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_n}\frac{\∂{\mathrm{\μ}}_n}{\∂T}$

由于半导体材料的载流子迁移率随温度上升而下将，所以霍尔片的乘积灵敏度也随温度升高而降低。

因此，在利用半导体材料的霍尔效应，制造能感测外界磁场变化的高性能霍尔传感器电路时，为保证传感器的温度稳定性，需对霍尔片乘积灵敏度的温度漂移进行补偿。

根据上述特性，中国专利93109166.7公开了一种霍尔器件温度补偿电路，它采用了齐纳二极管作为补偿器件，其输出的温度补偿电流通过跟随放大器送到霍尔元件的电流控制端；由于齐纳二极管的温度系数可覆盖各类霍尔器件的温度系数，且符号相反，故可通过调节电位器来得到不同的补偿电流，使补偿达到最佳效果。该发明可对应用于检测、控制和测量领域中的霍尔器件温度漂移进行自动补偿，使之更加准确可靠。

此外，中国专利99237327.1公开了一种用于霍尔直测式电流传感器的传感元件—霍尔组件。它包括有霍尔片，霍尔片上设有输出端和激励端，在霍尔片的激励端串接二极管，二极管和霍尔片封装成一体。该实用新型采用二极管对霍尔片进行温度漂移补偿，具有工作性能稳定，时间特性好，检测精度高以及制作工艺简便的特点。

上述2个专利都采用二极管对霍尔片进行温度漂移补偿，补偿效果较差。

霍尔开关集成电路一般由稳压器、霍尔片、差分放大器、迟滞比较器、输出电路构成。图2A和图2B分别是霍尔开关集成电路单OC输出示意图和霍尔开关集成电路互补OC输出示意图。

作为磁控开关，霍尔开关集成电路一般都具有一定的磁噪声容限，即输出状态在随外界磁场线性变化而切换时，具有一定的磁迟滞窗口。但是，迟滞窗口宽度太大，却会导致开关无法正常切换。

霍尔开关集成电路的磁-电传输特性如图3A和3B所示。图3A是霍尔开关集成电路的开关型输出特性曲线示意图，图3B是霍尔开关集成电路的锁定型输出特性曲线示意图。

磁迟滞窗口宽度为

$B_{\mathrm{hy}}=\frac{V_{\mathrm{hy}}}{A_V{S}_H{V}_{\mathrm{ref}}}$

其中，V_hy是迟滞比较器的电迟滞窗口宽度，A_V是差分放大器的电压增益，S^H是霍尔片的乘积灵敏度，V^ref是稳压器的输出电压。

磁迟滞窗口宽度对温度的相对变化率为

$\frac{1}{B_{\mathrm{hy}}}\frac{\∂B_{\mathrm{hy}}}{\∂T}=\frac{1}{V_{\mathrm{hy}}}\frac{\∂V_{\mathrm{hy}}}{\∂T}-\frac{1}{A_V}\frac{\∂A_V}{\∂T}-\frac{1}{S_H}\frac{\∂S_H}{\∂T}-\frac{1}{V_{\mathrm{ref}}}\frac{\∂V_{\mathrm{ref}}}{\∂T}$

由于霍尔片的乘积灵敏度随温度升高而降低，导致霍尔开关的工作点B_op、释放点B_rp漂移，迟滞窗口宽度B_hy变大，影响开关的性能。

台湾半导体制造公司如Anachip的ATC177，其迟滞比较器电路如图4所示，Q3a、Q4a组成基极-集电极耦合迟滞电路，Q5a、Q6a用于将迟滞电路的状态输出。

其差分放大器、迟滞比较器电路如图5所示，其中偏置恒流源I1a、I2a、I3a、I4a由同一组电流镜构成。

由于差分放大器、迟滞比较器采用同一组偏置电流镜供电，导致差分放大器电压增益对温度的相对变化率和迟滞比较器电迟滞窗口宽度对温度的相对变化率，两者相近。

而其稳压器采用具有温度补偿特性的带隙基准电路结构，输出电压对温度的相对变化率较小。

因此，此电路需仔细调整差分放大器、迟滞比较器的各元器件参数，才能保证整个霍尔开关的磁迟滞窗口宽度在温度升高时不变或略微变小。

国外半导体制造公司如Honeywell的SS443A，其差分放大器、迟滞比较器采用不同的恒流源提供偏置，其中迟滞比较器的偏置恒流源电路如图6所示。

当温度上升时，基区电阻R2阻值增加，横向PNP管Q1b发射结压降减小，使得横向PNP管Q2b、NPN管Q3b、Q4b集电极电流减小，从而迟滞比较器的电迟滞窗口宽度减小。

而其差分放大器的偏置恒流源，输出电流对温度的相对变化率较小，使得差分放大器电压增益对温度的相对变化率较小。

由于迟滞比较器的电迟滞窗口宽度随温度升高而变小，补偿了霍尔片乘积灵敏度的下降，从而使得整个霍尔开关的磁迟滞窗口宽度在温度升高时仅略微变小。

但是，该电路结构所用元器件较多，特别是用到两个横向PNP管，在版图上需占用较大的面积。

实用新型内容

本实用新型要解决的一个技术问题是提供一种带温度补偿的霍尔开关电路。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种霍尔开关电路，包括稳压器、霍尔片、差分放大器、迟滞比较器和输出电路，其中迟滞比较器电路包括晶体管Q3、晶体管Q4、晶体管Q5、晶体管Q6和电阻R3、电阻R4，其中，晶体管Q3的基极和晶体管Q5的基极相连，晶体管Q4的基极和晶体管Q6的基极相连，晶体管Q3的集电极与晶体管Q4的基极和晶体管Q6的基极相连，晶体管Q4的集电极与晶体管Q3的基极和晶体管Q5的基极相连，晶体管Q3的集电极、晶体管Q4的集电极与参考电压之间分别连接电阻R3与电阻R4，参考电压与晶体管Q1的集电极之间连有电阻R1，晶体管Q1的发射极与地相连，晶体管Q1的基极与晶体管Q2的发射极相连，晶体管Q2的基极与晶体管Q1的集电极相连，晶体管Q2的集电极与晶体管Q3的发射极、晶体管Q4的发射极、晶体管Q5的发射极、晶体管Q6的发射极相连，晶体管Q2的发射极与地之间连接有电阻R2。

其中，晶体管Q3的集电极和晶体管Q4的集电极作为输入端，与所述差分放大器的输出端相连。晶体管Q5的集电极和晶体管Q6的集电极作为输出端，与所述输出电路的输入端相连。晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3、晶体管Q4、晶体管Q5和晶体管Q6都是NPN型晶体管。

本实用新型要解决的另一个技术问题是提供一种应用于霍尔开关电路的迟滞比较器电路。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：一种应用于霍尔开关电路的迟滞比较器电路，包括晶体管Q3、晶体管Q4、晶体管Q5、晶体管Q6和电阻R3、电阻R4，其中，晶体管Q3的基极和晶体管Q5的基极相连，晶体管Q4的基极和晶体管Q6的基极相连，晶体管Q3的集电极与晶体管Q4的基极和晶体管Q6的基极相连，晶体管Q4的集电极与晶体管Q3的基极和晶体管Q5的基极相连，晶体管Q3的集电极、晶体管Q4的集电极与参考电压之间分别连接电阻R3与电阻R4，晶体管Q3的集电极和晶体管Q4的集电极作为输入端，晶体管Q5的集电极和晶体管Q6的集电极作为输出端，参考电压与晶体管Q1的集电极之间连有电阻R1，晶体管Q1的发射极与地相连，晶体管Q1的基极与晶体管Q2的发射极相连，晶体管Q2的基极与晶体管Q1的集电极相连，晶体管Q2的集电极与晶体管Q3的发射极、晶体管Q4的发射极、晶体管Q5的发射极、晶体管Q6的发射极相连，晶体管Q2的发射极与地之间连接有电阻R2。

其中，晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3、晶体管Q4、晶体管Q5和晶体管Q6都是NPN型晶体管。

本实用新型通过增加温度补偿电路，对霍尔片乘积灵敏度的温度漂移进行补偿，使得霍尔开关的磁迟滞窗口宽度在温度升高时不变或略微变小，从而保证开关性能。本实用新型中的温度补偿电路负温度系数大，足以完全补偿由于温度升高而引起的霍尔片灵敏度下降，同时该温度补偿电路仅用纵向NPN管和基区电阻构成，版图面积小。

附图说明

图1是霍尔片示意图；

图2A是霍尔开关集成电路单OC输出示意图；

图2B是霍尔开关集成电路互补OC输出示意图；

图3A是霍尔开关集成电路的开关型输出特性曲线示意图；

图3B是霍尔开关集成电路的锁定型输出特性曲线示意图；

图4是Anachip霍尔电路迟滞比较器电路结构示意图；

图5是Anachip霍尔电路差分放大器和迟滞比较器电路结构示意图；

图6是Honeywell霍尔电路温度补偿恒流源电路结构示意图；

图7是本实用新型霍尔电路温度补偿恒流源电路结构示意图；

图8是本实用新型霍尔电路迟滞比较器电路结构示意图；

图9是本实用新型的霍尔电路差分放大器和迟滞比较器电路结构示意图。

具体实施方式

由于霍尔片的乘积灵敏度随温度升高而降低，将导致霍尔开关的磁迟滞窗口宽度变大，影响开关的性能。需在霍尔信号处理电路中对霍尔片乘积灵敏度的温度漂移进行补偿，使得霍尔开关的磁迟滞窗口宽度在温度升高时不变或略微变小，从而保证开关性能。

在本实用新型中，公开了一种具温度补偿功能的迟滞比较器电路。迟滞比较器的偏置恒流源如图7所示。

当温度上升时，基区电阻R2阻值增加，NPN管Q1发射结压降减小，使得NPN管Q2集电极电流减小，从而迟滞比较器的电迟滞窗口宽度减小。

此恒流源的输出电流为

$I_o=\frac{V_{\mathrm{BE}1}}{R_2}$

此恒流源输出电流对温度的相对变化率为

$\frac{1}{I_o}\frac{\∂I_o}{\∂T}=\frac{1}{V_{\mathrm{BE}1}}\frac{\∂V_{\mathrm{BE}1}}{\∂T}-\frac{1}{R_2}\frac{\∂R_2}{\∂T}$

迟滞比较器电路如图8所示。在参考电压与晶体管Q1的集电极之间连有电阻R1，晶体管Q1的发射极与地相连，晶体管Q1的基极与晶体管Q2的发射极相连，晶体管Q2的基极与晶体管Q1的集电极相连，晶体管Q2的集电极与晶体管Q3的发射极、晶体管Q4的发射极、晶体管Q5的发射极、晶体管Q6的发射极相连，晶体管Q2的发射极与地之间连接有电阻R2。其中，晶体管Q1、晶体管Q2、晶体管Q3、晶体管Q4、晶体管Q5和晶体管Q6都是NPN型晶体管。

Q3、Q4组成基极-集电极耦合迟滞电路，Q5、Q6用于将迟滞电路的状态输出。

由于电阻R3、R4的上端直截接基准电压，恒流源输出电流值能够保证输出端电位保持在1.7V左右，NPN管Q2可以工作在正常的放大区，不会进入饱和，所以此恒流源可以正常地工作，从而迟滞比较器电路可以正常地工作。

差分放大器、迟滞比较器电路如图9所示。

差分放大器的电压增益为

$A_V=\frac{I_2{R}_3}{2V_T}$

迟滞比较器的电迟滞窗口宽度为

$V_{\mathrm{hy}}=\frac{A_{e3}}{A_{e3}+A_{e5}}{I}_1{R}_3$

磁迟滞窗口宽度为

$B_{\mathrm{hy}}=\frac{2A_{e3}{V}_T{I}_1}{(A_{e3}+A_{e5})I_2{S}_H{V}_{\mathrm{ref}}}$

磁迟滞窗口宽度对温度的相对变化率为

$\frac{1}{B_{\mathrm{hy}}}\frac{\∂B_{\mathrm{hy}}}{\∂T}=\frac{1}{V_T}\frac{\∂V_T}{\∂T}+\frac{1}{I_1}\frac{\∂I_1}{\∂T}-\frac{1}{I_2}\frac{\∂I_2}{\∂T}-\frac{1}{S_H}\frac{\∂S_H}{\∂T}-\frac{1}{V_{\mathrm{ref}}}\frac{\∂V_{\mathrm{ref}}}{\∂T}$

由于稳压器输出电压随温度的变化可以忽略，偏置恒流源I2输出电流随温度的变化也可以忽略，上式可变为

$\frac{1}{B_{\mathrm{hy}}}\frac{\∂B_{\mathrm{hy}}}{\∂T}\≈\frac{1}{V_T}\frac{\∂V_T}{\∂T}+\frac{1}{I_1}\frac{\∂I_1}{\∂T}-\frac{1}{S_H}\frac{\∂S_H}{\∂T}$

再将偏置恒流源I1输出电流对温度的相对变化率代入上式可得

$\frac{1}{B_{\mathrm{hy}}}\frac{\∂B_{\mathrm{hy}}}{\∂T}\≈\frac{1}{V_T}\frac{\∂V_T}{\∂T}+\frac{1}{V_{\mathrm{BE}1}}\frac{\∂V_{\mathrm{BE}1}}{\∂T}-\frac{1}{R_2}\frac{\∂R_2}{\∂T}-\frac{1}{S_H}\frac{\∂S_H}{\∂T}$

显然，要使上式等于或小于零是容易实现的。

本实用新型通过增加温度补偿电路，对霍尔片乘积灵敏度的温度漂移进行补偿，使得霍尔开关的磁迟滞窗口宽度在温度升高时不变或略微变小，从而保证开关性能。本实用新型的温度补偿电路负温度系数大，足以完全补偿由于温度升高而引起的霍尔片灵敏度下降，同时该温度补偿电路仅用纵向NPN管和基区电阻构成，版图面积小。

Claims (6)

1、一种霍尔开关电路，包括稳压器、霍尔片、差分放大器、迟滞比较器和输出电路，其中迟滞比较器电路包括晶体管(Q3)、晶体管(Q4)、晶体管(Q5)、晶体管(Q6)和电阻(R3)、电阻(R4)，其中，晶体管(Q3)的基极和晶体管(Q5)的基极相连，晶体管(Q4)的基极和晶体管(Q6)的基极相连，晶体管(Q3)的集电极与晶体管(Q4)的基极和晶体管(Q6)的基极相连，晶体管(Q4)的集电极与晶体管(Q3)的基极和晶体管(Q5)的基极相连，晶体管(Q3)的集电极、晶体管(Q4)的集电极与参考电压之间分别连接电阻(R3)与电阻(R4)，其特征在于，参考电压与晶体管(Q1)的集电极之间连有电阻(R1)，晶体管(Q1)的发射极与地相连，晶体管(Q1)的基极与晶体管(Q2)的发射极相连，晶体管(Q2)的基极与晶体管(Q1)的集电极相连，晶体管(Q2)的集电极与晶体管(Q3)的发射极、晶体管(Q4)的发射极、晶体管(Q5)的发射极、晶体管(Q6)的发射极相连，晶体管(Q2)的发射极与地之间连接有电阻(R2)。

2、如权利要求1所述的霍尔开关电路，其特征在于，晶体管(Q3)的集电极和晶体管(Q4)的集电极作为输入端，与所述差分放大器的输出端相连。

3、如权利要求1所述的霍尔开关电路，其特征在于，晶体管(Q5)的集电极和晶体管(Q6)的集电极作为输出端，与所述输出电路的输入端相连。

4、如权利要求1所述的迟滞比较器电路，其特征在于，所述晶体管(Q1)、晶体管(Q2)、晶体管(Q3)、晶体管(Q4)、晶体管(Q5)和晶体管(Q6)都是NPN型晶体管。

5、一种应用于霍尔开关电路的迟滞比较器电路，包括晶体管(Q3)、晶体管(Q4)、晶体管(Q5)、晶体管(Q6)和电阻(R3)、电阻(R4)，其中，晶体管(Q3)的基极和晶体管(Q5)的基极相连，晶体管(Q4)的基极和晶体管(Q6)的基极相连，晶体管(Q3)的集电极与晶体管(Q4)的基极和晶体管(Q6)的基极相连，晶体管(Q4)的集电极与晶体管(Q3)的基极和晶体管(Q5)的基极相连，晶体管(Q3)的集电极、晶体管(Q4)的集电极与参考电压之间分别连接电阻(R3)与电阻(R4)，晶体管(Q3)的集电极和晶体管(Q4)的集电极作为输入端，晶体管(Q5)的集电极和晶体管(Q6)的集电极作为输出端，其特征在于，参考电压与晶体管(Q1)的集电极之间连有电阻(R1)，晶体管(Q1)的发射极与地相连，晶体管(Q1)的基极与晶体管(Q2)的发射极相连，晶体管(Q2)的基极与晶体管(Q1)的集电极相连，晶体管(Q2)的集电极与晶体管(Q3)的发射极、晶体管(Q4)的发射极、晶体管(Q5)的发射极、晶体管(Q6)的发射极相连，晶体管(Q2)的发射极与地之间连接有电阻(R2)。

6、如权利要求5所述的迟滞比较器电路，其特征在于，所述晶体管(Q1)、晶体管(Q2)、晶体管(Q3)、晶体管(Q4)、晶体管(Q5)和晶体管(Q6)都是NPN型晶体管。

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