DE2757292A1 - Integrierte hall-effekt-schaltung - Google Patents

Integrierte hall-effekt-schaltung

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DE2757292A1
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Wilson David Pace
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    • F02P—IGNITION, OTHER THAN COMPRESSION IGNITION, FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES; TESTING OF IGNITION TIMING IN COMPRESSION-IGNITION ENGINES
    • F02P7/00—Arrangements of distributors, circuit-makers or -breakers, e.g. of distributor and circuit-breaker combinations or pick-up devices
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    • F02P7/067—Electromagnetic pick-up devices, e.g. providing induced current in a coil
    • F02P7/07—Hall-effect pick-up devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10B—ELECTRONIC MEMORY DEVICES
    • H10B61/00—Magnetic memory devices, e.g. magnetoresistive RAM [MRAM] devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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Description

Dipl.-Phys. O.E. Weber ö ο-· MOnch.n π
HofbrunnstraBe 47
Telefon: (OW) 7915050
Telegramm: monopolweber mOnchen
628
MOT(HiOIiA, TJTG.
East Algonquin Hoad
Schaumburg, 111· 60196
USA
Integrierte Hall-Effekt-Scnaltung
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ι»
Die Erfindung betrifft eine integrierte Hall-Effekt-Schaltung. Eine Hall-Effekt-Einrichtung ist im wesentlichen ein Block aus Halbleitermaterial, der als Übertrager wirkt, um eine magnetische Flußdichte in ein elektrisches Potential umzuwandeln. Wenn ein Strom von einem Ende des Halbleitermaterials zu dessen anderem Ende fließt, werden innerhalb des Halbleitermaterials jeweils aus einem Loch und einem Elektron bestehende Paare gebildet. Ein magnetisches Feld, senkrecht zu der Stromrichtuug bewirkt, daß die Löcher und die Elektronen getrennt werden, so daß ein Spannuugspotential entsteht, welches zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Halbleitermaterials gemessen werden kann. Die entsprechende Spannung ist proportional zu der Flußdichte oder Kraftflußdichte des magnetischen Feldes und der Stärke des Stroms, welcher durch die Hall-Effekt-Einrichtung fließt und wird mathematisch folgendermaßen dargestellt:
Vj1 - K1IHß, wobei K1 = Konstante der Einrichtung, IH ■ Hall-Strom und ß = magnetische Flußdichte oder Kraftflußdichte.
Da die Hall-Effekt-Einrichtung aus Halbleitermaterial besteht, führt eine an die Einrichtung angelegte konstante Spannung zu einem Strom durch die Hall-Effekt-Einrichtung, welcher sich umgekehrt zu der Temperatur verändert· Dies führt zu dem Ergebnis, daß die Genauigkeit des Hall-Effekt-Übertragers nachteilig beeinträchtigt wird.
Es ist in der Vergangenheit bereits versucht worden, dieses Problem dadurch zu überwinden, daß ein Konstantstrom-Generator verwendet wird. Dabei ergeben sich jedoch verschiedene Probleme. Erstens ist eine ideale Konstantstromquelle sehr schwierig herzustellen, insbesondere bei integrierten Schal tungen, weil nichtlineare monolithische Widerstände vorhanden sind. Ein weiteres Problem besteht darin, daß bei dem Epitaxial-Silizium-Hall-Widerstand eine Temperaturabhängigkeit vorhanden
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ist, und zwar trotz der Verwendung einer Konstant stromregelung. Eine detaillierte Diskussion dieses Phänomens findet sich in einem Artikel unter der Überschrift "Modular Hall Masterslice Transducer" von R. J. Braun, erschienen in der Zeitschrift IBM Journal Research und Development, Juli 1975·
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Hall-Effekt-Anordnung zu schaffen, deren Ausgangssignal von Temperaturschwankungen in besonders ausgeprägter Form unabhängig ist·
Zur Lösung dieser Aufgabe dienen insbesondere die im Patentbegehren niedergelegten Merkmale·
Gemäß der Erfindung ist der wesentliche Vorteil erreichbar, daß keine KonstantStromquellen benötigt werden, da eine Differenz-Abtasteinrichtung mit der Hall-Effekt-Anordnung verbunden ist und den Strom abtastet, welcher durch die Einrichtung fließt, und die Schwellenspannung der Abtastschaltung derart einstellt, daß jegliche Veränderung in dem Hall-Strom aufgrund von TemperaturSchwankungen kompensiert wird« Somit sind die Hall-Effekt-Einrichtung und die Abtast-Schaltung derart miteinander verbunden, daß sowohl die Spannung, welche durch die Hall-Effekt-Einrichtung erzeugt wird, als auch die Schwellenspannung des Komparators oder der Abtastschaltung eine Funktion des Stroms sind, welcher durch die Hall-Effekt-Einrichtung fließt.
In einem typischen Zündsystem für ein Kraftfahrzeug hat ein Magnetrotor außerhalb des Nahbereichs eine Kraftflußdichte von weniger als 300 Gauß, während hingegen eine Kraftflußdichte von 400 Gauß oder mehr anzeigt, daß die Maschine sich in einer geeigneten Stellung befindet, um einen Zündfunken an einer Zündkerze auszulösen. Bei diesem Auwenduugsfall
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würden ein Hall-Generator und ein Abtast-Komparator zunächst derart eingestellt, daß der Komparator oder die Abtast-Schaltung die Schaltzustände ändern würde, wenn die Hall-Spannung 14 Millivolt beträgt, was einer magnetischen Kraftflußdichte von 350 Gauß entspricht« Danach wurden Schwankungen in der Temperatur oder in der Versorgungsspannung den Hall-Strom und somit auch die von der Hall-Effekt-Einrichtung erzeugte Spannung verändern. Die Hall-Stromveränderungen würden auch eine entsprechende Veränderung in der Schwellenspannung des Komparators nach sich ziehen, so daß die Schwellenspannung weiterhin bei 350 Gauß schaltet, und zwar unabhängig von den Schwankungen des Hall-Stromes,
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- Vr-
Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
Fig. 1 ein elektrisches Schaltschema des Erfindungsgegenstandes, ·
Fig. 2 eine Heihe von Kurven, welche die Hall-Effekt-Spannung und die Schwellenspannung des Komparators über dem Hall-Effekt-Strom darstellen, und
Fig. 3 <üe Anwendung des Erfindungsgegenstandes auf einem einzelnen monolithischen Halbleiterplättchen.
In der Fig. 1 ist ein Hall-Generator 10 dargestellt, welcher mit einer Differenz-Abtastschaltung oder einer Komparatorschaltung 12 verbunden ist· Eine herkömmliche Stromspiegelschaltung 14, welche eine Halbleiterdiode 16 in einem Zweig und einen NPN-Transistör 18 in dem anderen Zweig aufweist, ist zwischen dem Hall-Generator 10 und der Komparator- oder Abtast-Schaltung 12 angeordnet· Die Abtast-Schaltung 12 weist ein Paar von gegeneinander geschalteten Transistoren 20 und 22 auf, welche über die Leitung 24 bzw. über den Lastwiderstand B^ mit der Versorgungsspannung Vqq verbunden sind· Ein gemeinsamer Widerstand B1 ist zwischen den Emitterklemmen der Transistoren 20 und 22 angeordnet. Die Diode 16 ist mit dem Hall-Generator über die Leitung 26 verbunden, und die Leitung 28 verbindet den Kollektor des Transistors 18 mit dem Emitter des Transistors
Die graphische Darstellung der Fig· 2 veranschaulicht für eine bevorzugte Ausführungsform, daß für Flußdichten von weniger als 300 Gauß die Schwellenspannung Y^ der Abtast-Schaltung 12 durch die Hall-Spannung Vg nicht erreicht wird, während Flußdichten von mehr als 400 Gauß eine Hall-Spannung VQ erzeugen, welche größer ist als die Schwellenepannung
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Die Fig. 3 veranschaulicht ein Halbleitermaterial 30, in welches eine Hall-Effekt-Einrichtung 32 und eine integrierte Schaltung 34 eingebettet sind. Bei einer praktischen gerätetechnischen Ausführungsform entspracht die Einrichtung 32 der Einrichtung 10 gemäß Pig. 1, und die integrierte Schaltung 34 entspricht der übrigen Schaltung.
Nachfolgend wird die Arbeitsweise näher erläutert. Die Stromspiegelschaltung 14 bringt den Wert des Stromes Ig, welcher in der Leitung 28 fließt, auf eine solche Stärke, daß er gleich dem Hall-Strom Ιττ ist, welcher in der Leitung 26 erzeugt wird, die mit der Hall-Effekt-Einrichtung 10 verbunden ist. Somit bleibt trotz TemperaturSchwankungen der Strom in den Leitungen 26 und 28 im wesentlichen derselbe.
An dem Schwellenpunkt des Komparators fließen identische Kollektor- und Emitterströme in den beiden Transistoren 20 und 22, nämlich. H . Somit entspricht die Spannung am Widerstand R1
dem Wert ■ ■ · Dies führt zu dem Ergebnis, daß die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 22 stärker positiv vorgespannt ist, als die Basis-Emitter-Strecke des Transistors 20, so daß dadurch ein Spannungsversatz oder eine Schwellenspannung entsteht, welche folgenden Wert hat:
VTH = 1/2 1H*1 = K2IH ·
Gemäß den obigen Ausführungen wird die Hall-Spannung V™, welche an den Klemmen 36 und 38 anliegt, dargestellt durch Y„ = K1IjJ3o Somit ist der Punkt, an welchem die Abtast-Schaltung 12 ein Aus gangssignal Vq erzeugt, im wesentlichen von dem Hall-Strom Ιττ unabhängig, weil K1 und K2 Konstanten sind. Die durch Temperaturschwankungen erzeugten Stromänderungen in der Hall-Einrichtung 10 sind nicht dazu in der Lage, eine Hall-Abtast-Einrichtung bei fehlerhaften Hall-Spannungspegeln zu triggern, da die Schwellenspannung der Abtastschaltung 12 den Hall-Stromveränderungen nachgeführt wird.
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Claims (2)

  1. Patentansprüche
    /1 ."/Integrierte Hall-Effekt-Schaltung mit einer Hall-Effekt- ^S Halbleitereinrichtung, welche auf einen magnetischen Fluß anspricht, um ein Hall-Effekt-Ausgangssignal in Reaktion auf den magnetischen Fluß zu erzeugen, wobei ein Hall-Strom hindurchfließt, welcher gegenüber Temperaturschwankungen empfindlich ist, und wobei die Abtastschaltung eine Schwellenspannung hat und ein Betriebsstrom der Hall-Effekt-Einrichtung zugeführt wird, um eine Ausgangsspannung zu einer Zeit zu erzeugen, zu welcher das Ausgangssignal die Schwellenspannung erreicht, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Hall-Effekt-Einrichtung (10) eine Schaltung (14) verbunden ist, um den Betriebsstrom auf einem Wert zu halten, der eine vorgegebene Beziehung zu dem Hall-Strom aufweist, während Temperaturschwankungen auftreten, um das Hall-Effekt-Ausgangssignal der Schwellenspannung nachzuführen, damit ein Abtast-Ausgangssignal erzeugt wird, welches von Temperaturschwankungen im wesentlichen unabhängig ist·
  2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (14), welche mit der Hall-Effekt-Einrichtung (10) und mit der Abtast-Schaltung (12) verbunden ist, betrieblich mit der Häll-Effekt-Einrichtung gekoppelt ist und auf den Hall-Strom anspricht, um den Betriebsstrom auf einem Wert zu halten, der eine vorgegebene Beziehung zu dem Hall-Strom hat, während Temperaturschwankungen auftreten, um das Hall-Effekt-Ausgangssignal dazu zu bringen, daß es der Schwellenspannung nachgeführt wird, um ein Abtast-Ausgangs signal zu erzeugen, welches von Temperaturschwankungen im wesentlichen unabhängig ist.
    OP101NAL INSPECTED 809827/0824
    3· Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastschaltung (12) einen Differenzverstärker aufweist, der eiu Paar von gegeneinander geschalteten Transistoren (20, 22) hat.
    4, Schaltung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung (14), welche mit der Hall-Effekt-Einrichtung (10) und mit der Abtast-Schaltung (12) verbunden ist, eine Stromspiegelschaltung aufweist, um den Betriebsstrom auf einem Wert zu halten, der eine vorgegebene Beziehung zu dem Hall-Strom aufweist.
    809827/082A
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