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Temperaturkompensierte Vorrichtung mit einem Hall-Effekt-
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Sensor Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Bauelemente, die
den Halleffekt ausnutzen (im folgendem einfach Hallelemente) und insbesondere auf
eine Vorrichtung, bei der das Ausgangssignal des Hallelements zur Korrektur von
"offset"-Fehlern und temperaturabhängigen Änderungen der Amplitude des Ausgangssi-gnals
des Hallelements korrigiert bzw. kompensiert wird, sowie Mittel vorgesehen sind,
um die Ansprechschwellen der Vorrichtung einzustellen.
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Es ist bekannt, daß, wenn in einem Hallelement ein Strom fließt und
unter einem rechten Winkel zu dem Stromfluß ein Magnetfeld angelegt ist, ein elektrisches
Potential erzeugt wird, das senkrecht sowohl zur Richtung des Stromflußes als auch
zum Magnetfeld ist. Das einfachste Hallelement ist typischerweise ein blockförmiger
Körper aus einem halbleitenden Material, der vier elektrische Kontakte aufweist.
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Hallelemente werden aus sogenanntem N-epi Material (nach dem Epitaxieverfahren
hergestelltes Material mit "begrabenen" Schichten) unter Verwendung von üblichen
Bipolar-Herstellungsschritten gefertigt. Eine Fläche des epi-Materials ist.
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unter Verwendung von P+-Diffusion und N+-Emitterdiffusion isoliert,
so daß sich vier elektrische Kontakte ergeben.
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Zwei der Kontakte sind mit einer Vorspannungsquelle für das Hallelement
verbunden, während die beiden anderen Kontakte als Ausgangsanschlüsse des Hallelements
dienen. Das Hallelement bzw. der Hallsensor kann entweder mit einer Konstantstromquelle
oder mit einer Konstantspannungsquelle betrieben werden. Wenn eine Konstantspannungsquelle
verwendet wird, hat das Ausgangssignal des Hallelements einen konstanten "Offset"
(Nullspannungsfehler), die Empfindlichkeit des Elements ändert sich jedoch mit der
Temparatur. Wenn eine Konstantstromquelle verwendet wird, ist die Empfindlichkeit
des Elements konstant, das Ausgangssignal weist jedoch eine Offset-Spannung auf,
die sich mit der Temparatur ändert. Es ist bekannt, Hallelemente als Sensoren und/oder
Schalter zu verwenden, beispielsweise als Linear-oder Dreh- Wegsensoren. Die Industrie
benötigt Fernsteuersensoren, die unter rauhen Umgebungsbedingungen arbeiten, so
daß sich sehr schnell eine erhöhte Bedeutung für Hallelemente bzw. Hallsensoren
ergeben hat. Die Probleme von Hallelementen hinsichtlich der Offset- bzw. der Empfindlichkeits-Drift
des Ausgangssignals hat ihre Verwendung bei kritiischen Anwendungfällen beschränkt.
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Elemente, die eine Position oder eine Verschiebung eines Objekts erfassen
können, sind bekannt. Beispielsweise ist in der US-PS 2 987 669 ein Hallsensor beschrieben,
bei dem zwei Hallelemente Seite an Seite zwischen einem Polschuh-Permanentmagneten
angeordnet sind.
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Eine Platte aus Weicheisen ist zwischen dem Hallelement und einem
Polschuh des Magneten angeordnet. Der Körper, dessen Position erfaßt werden soll,
ist an der beweglichen ebenen Platte befestigt, so daß sich diese mit ihm bewegt.
Ein Paar stationärer ebener Platten aus Weicheisen ist mit den Hallelementen ausgerichtet
und zwischen den Hallelementen und der ebenen bewegliche Platte angeordnet. Das
Ausgangssignal der Hallelemente ergibt einen Nulldetektor.
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In der US-PS 4 086 533 ist ein Hallelement beschrieben, mit dem die
Winkellage eines sich drehenden Elements bestimmt werden kann. Das Hallelement weist
einen ersten und einen zweiten parallel angeordneten Magneten auf, die eine symmetrische
Magnet-Erregungsschaltung bilden, wobei das Hallelement auf der Achse angeordnet
ist. Das Drehelement hat einen ersten und einen zweiten Teil, die aus einem weichmagnetischem
Material hergestellt sind, das hinsichtlich seiner Winkellage derart verschoben
werden kann, daß es wechselweise von dem ersten und zweiten Magneten passiert wird,
so daß sich erste und zweite entgegengesetzt gerichtete transversale Magnetfeldanteile
H an dem Hallelememt ergeben, das hierdurch ein Signal erzeugt, dessen Polarität
sich umkehrt, so daß es die Winkellage des sich drehenden Elements angibt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die unkompensierte Änderung
des Pegels bzw. des Werts des Ausgangssignals des Hallelemts bei Temparaturänderungen
des Elements zu vermeiden. Die Änderung des Ausgangspegels des Hallelements
aufgrund
von Temparaturänderungen bewirkt nämlich, daß der Hallsensor bei unterschiedlichen
Magnetfeldstärken schaltet.
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Zusätzlich tritt bei vielen bekannten Halllelementen eine Offset-Spannung
auf, für die keine Kompensation vorgesehen ist. Diese Offset-Spannung führt zu einer
Ausgansspannung ohne anliegendes Magnetfeld. Die Größe und die Richtung der Offset-Spannung
variiert von Element zu Element und ist Prozeßabhängig. Ferner haben viele bekannte
Hallelemente einen festen Schwellwert für Schaltzwecke, ohne daß dieser Schaltwert
geändert oder auf einen bestimmten Wert eingestellt werden könnte. Darüberhinaus
haben viele bekannte Hallelemente keine konstante oder feste Hysterese, die nicht
durch die Temparatur beeinflußt wird; ferner kann die Hysterese nicht auf verschiedene
Werte umgeschalten werden.
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Ein diese erfindungsgemäß gestellte Aufgabe lösendes Hallelement ist
mit seinen Ausgestaltungen in den Patentansprüchen gekennzeichnet. Erfindungsgemäß
wird ein Hallelement geschaffen, mit dem die Position eines sich bewegenden Elements
festgestellt werden kann, und das ein Ausgangssignal abgibt, das die Position bzw.
die Verschiebung des sich bewegenden Elements angibt. Das Hallelement weist ein
eigentliches Hall-Bauelement auf, das das Anlegen und anschließendes Entfernen eines
Magnetfelds erfaßt und ein Ausgangssignal an einen Verstärker mit konstanter Verstärkung
abgibt. Der Verstärker mit konstanter Verstärkung weist Mittel auf, die ein Einstellen
der Verstärkung des Verstärker sowie ein Abgleichen der Offset-Spannung erlauben,
die das Hall-Bauelement liefert. Das Ausgangssignal des Verstärkers mit konstanter
Verstärkung wird an eine Schaltung angelegt, die die Empfindlichkeit kompensiert
und eine Hysterese aufweist, unddie Mittel aufweist, mit denen ein bei positiven
Änderung Schaltwert an einem Vergleicher eingestellt werden kann. Ferner sind Mittel
vorgesehen, um einen bei negativer Änderung Schaltwert einzustellen. Darüberhinaus
weist das Element Einrichtungen
auf, mit denen sowohl der positive
als auch der negative Schaltwert temparaturkompensiert wird, so daß die tatsächlichen
positiven und negativen Schaltwerte des Vergleichers die gleichen für ein bestimmtes
Magnetfeld bleiben und unabhängig von der Temparatur oder vom Ausgangssignals des
Hallelements sind, das von der Temparatur beeinflußt wird.
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Ferner sind Mittel vorgesehen, mit denen die Größe der Hysterese derart
geändert werden kann, daß der Schaltwert bei einer Änderung in negativer Richtung
ein bestimmter Prozentsatz des Schaltwertes bei einer Änderung in positiver Richtung
ist. Das Element hat damit eine festes Hysterese-Verhältnis. Einer der erfindungsgemäßen
Vorteile ist eine engere Empfindlichkeitsverteilung des Sensors. Die Erfindung erlaubt
das Einstellen des Schaltwerts bei Änderungen in positiver Richtung sowie das Einstellen
des Schaltwerts bei Änderungen in negativer Richtungen, wodurch die Hysteresewert
geändert werden kann. Ferner ergibt sich erfindungsgemäß ein festes Hystereseverhältnis.
Die Erfindung erlaubt darüberhinaus eine Temperaturkompensation sowohl des Schaltwerts
bei Änderungen in positiver Richtung als auch des Schaltwerts bei Änderung in negativer
Richtung. Letzlich ist die Empfindlichkeit des Elements einstellbar.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen: Fig. 1 ein vereinfachtes
Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Gesamtsystems, Fig. 2 ein vereinfachtes Blockschaltbild
der Spannungs-Regelschaltung der Erfindung, Fig. 3 ein vereinfachtes Blockschaltbild
der Verstärkerspannung mit konstanter Spannungsverstärkung der vorliegenden Erfindung,
und Fig. 4 ein vereinfachtes Blockschaltbild des Schwellwert-Detektors mit Empfindlichkeitskompensation
und einstellbarer Hysterese.
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Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Hallsensor, der allgemein mit
dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Der Hallsensor 10 ist als Dickfilm-Hybridschaltung
aufgebaut und weist eine eigentliche integrierte digitale Halleffekt-Sensorschaltung
mit Dickfilm-Widerständen mit geringem Temperaturgang auf einem Keramiksubstrat
auf. Der Hallsensor 10 weist ein Hallelement 12 auf, dessen Ausgangsanschlüsse über
Leitungen 16 und 18 mit den Eingangsanschlüssen eines Differenzverstärkers 14 verbunden
sind. Das Hallelement 12 weist vier identisch ausgeführte Hallelemente auf, die
"kreuzverschaltet" sind, um die Offsetspannung und die Drift des Ausgangssignals,
das an den Leitungen 16 und 18 anliegt, aufgrund thermischer oder Spannungsgradienten
über den Chip zu reduzieren. Bei dem gezeigten Ausführungsbela@ el ist der Differenzverstärker
14 ein emittergekoppelter Differenzverstärker. Die Ausgangsanschlüsse des Differenzverstärkers
14 sind über Leitungen 22 und 24 mit den
Eingangsanschlüssen einer
Schaltung 20 verbunden, die die Empfindlichkeit kompensiert und eine Hysterese erzeugt.
Die Ausgangsanschlüsse der Schaltung 20 sind über Leitungen 28 und 30 mit den Eingangsanschlüssen
eines Vergleichers bzw.
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eines Komparators 26 verbunden. Der Ausgangsanschluß des Vergleichers
26 ist über eine Leitung 34 mit dem Eingangsanschluß eines Ausgangtreibers 32 verbunden.
Der Ausgangsanschluß des Ausgangtreibers 32 ist über eine Leitung 38 mit der Basis
eines Ausgangstransistors 36 mit offenem Kollektor verbunden.
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Der Kollektor des Ausgangs transistors 36 ist über eine Leitung 42
mit einem Ausgangsanschluß 40 verbunden. Das Ausgangssignal des Hallsensors 10 steht
für den gewünschten Verwendungszweck an einem Anschluß 40 an. Über einen Anschluß
44 wird eine Spannung Vcc als Eingangsspannung an einen Spancc nungsregler 46 angelegt,
die von +4,5 V bis +24V variieren kann, wobei die Ausgangsspannung des Spannungsreglers
46 auf dem Regelwert 3,3 V verbleibt. Die Ausgangsspannung von 3,3 V des Spannungsreglers
46 wird über eine Leitung 48 an die jeweiligen Elemente des Hallsensors 10 angelegt.
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Im Folgenden soll die grundsätzliche Arbeitsweise des in Fig.
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1 gezeigten Hallsensors beschrieben werden. Die Größe des Ausgangssignals
des Hallelements 12, das an den Leitungen 16 und 18 ansteht, variiert mit der Größe
eines angelegten Magnetfelds 15. Das Ausgangssignal weist zwei Anteile auf, nämlich
die Offsetspannung und die Signalspannung. Ohne an das Hallelement 12 angelegtes
Magnetfeld besteht die Ausgangsspannung ausschließlich aus der Offsetspannung. Da
das Hallelement 12 mit einer konstanten Vorspannung durch den Spannungsregler 46
arbeitet, bleibt der Wert der Offsetspannung konstant, sogar wenn sich die Temperatur
des Hallelements 12 während des Betriebs von der Raumtemperatur ändert. Ein typischer
Wert für die Offsetspannung bei Raumtemperatur liegt für das beschriebene Ausführungsbeispiel
in dem Bereich zwischen -0,7 und +0,7 mV, wobei der Normalwert nahe Null ist. Wenn
an das Hallelement 12 ein senkrechtes Magnetfeld 15 angelegt ist, tritt im Ausgangssignal
eine
Signalspannung auf, die von dem Magnetfeld 15 herrührt. Typische Werte der Signalspannung,
die sich bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aufgrund eines Magnetfeldes bei Raumtemperatur
ergibt, liegen zwischen 1,5 und 2,0 mV/100 Gauss der Magnetflußdichte. Dieser Wert
wird normalerweise als Empfindlichkeit des Elements bezeichnet. Der Wert bzw.
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der Pegel der Signalspannung, die sich aufgrund des Magnetfelds ergibt,
nimmt normalerweise mit einer Zunahme der Temperatur des Hallelements 12 ab.
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Das Ausgangssignal des Hallelements 12 wird über die Leitungen 16
und 18 an den Differenzverstärker 14 angelegt. Der Differenzverstärker 14 hat eine
feste konstante Verstärkung über den Temperaturbereich. In der Schaltung des Differenzverstärkers
14 sind Mittel vorgesehen, mit denen der Wert und die Polarität der Offset-Eingangsspannung
aufgrund des Hallelements 12 kompensiert werden, um hierdurch die Offsetspannung
aus dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers 14 zu el-iminieren.
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Die Wirkungsweise des Differenzverstärkers 14 wird im einzelnen in
Verbindung mit Fig. 3 erläutert. Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 14,
dessen Wert sich noch mit der Temperatur aufgrund der Tatsache ändert, daß der Wert
des Ausgangssignals des Hallelements 12 mit der Temperatur variiert, wird an die
Schaltung 20 zur Kompensation der Empfindlichkeit und zur Erzeugung einer Hysterese
angelegt.
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In der Schaltung 20 zur Kompensation der Empfindlichkeit und der Hysterese
sind Mittel vorgesehen, mit denen Änderungen des Pegels des Ausgangssignals des
Hallelements 12 kompensiert werden können, die von Temperaturänderungen herrühren,
so daß der effektive Schaltpunkt des Komparators 26 für bestimmte Werte des Magnetfelds,
das an das Hallelement 12 angelegt ist, gleichbleibt, sogar wenn sich das Ausgangssignal
des Hallelements 12 aufgrund von Temperaturänderungen bei gleichem Magnetfeld ändert.
Ferner sind in der Schaltung 20 Mittel vorgesehen, mit denen der Schaltpunkt bei
Änderungen in positiver Richtung
sowie der Schaltpunkt bei Änderungen
in negativer Richtung, der kleiner als der Wert des Schaltpunktes bei Änderungen
in positiver Richtung ist, eingestellt werden können. Der Schaltpunkt für Änderungen
in negativer Richtung ist einstellbar und ein bestimmter Prozentsatz des Schaltpunktes
bei Änderungen in positiver Richtung, so daß sich hierdurch eine Hysterese bei der
Zustandsänderung des Komparators ergibt, wenn das Magnetfeld von dem Hallelement
12 weggenommen wird. Ferner sind Mittel vorgesehen, mit denen sowohl der Schaltpunkt
bei Änderungen in positiver Richtung als auch der Schaltpunkt bei Änderungen in
negativer Richtung temperaturkompensiert werden kann. Die Änderung des Ausgangssignals
des Komparators 26 wird auf den Eingangsanschluß des Ausgangtreibers 32 übertragen
und gibt eine Änderung des Zustands des Komparators 26 wieder. Der Ausgangtreiber
32 legt ein zusätzliches Basis-Treibersignal an den Ausgangtransistor 36 an, dessen
Ausgangssignal am Anschluß 40 auftritt.
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Fig. 2 zeigt den Bandabstand-Spannungsregler 46, der eine temperaturstabile
regulierte Spannung für den Hallsensor 10 abgibt. Eine temperaturstabile regulierte
Spannung ist erforderlich, um Driften der Offsetspannung des Hallelements 12 aufgrund
von Änderungen der Vorspannung zu minimieren oder im wesentlichen zu beseitigen.
Die Referenzspannung des Reglers 46 wird durch e ine Zwei eine Zwei-Transistor-Bandabstandszelle
erzeugt, die Transistoren 50 und 52 sowie Widerstände 54 und 56 aufweist.
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Die Ausgangsspannung auf der Leitung 48 wird durch die Widerstände
58 und 60, die in Serie geschaltet sind, auf 3,3 V eingestellt. Die Transistoren
50 und 52 sind in eine Rückführung des Reglers 46 geschaltet, wobei ein Verstärker
62 das Kollektorpotential erfaßt und gemeinsame Basisspannung solange einstellt,
bis die beiden Transistoren 50 und 52 mit gleichem Kollektorstrom arbeiten. Die
Fläche des Transistors 50 ist 10 mal größer als die Fläche des Transistors 52, was
zu einem Stromdichte-Verhältnis von 10:1 und einem Spannungsabfall Vbe von 60 mV
über den Widerstand 54 führt. Die Spannung V1 über
den Widerstand
56 kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden: Gleichung #1: VI = 2 (R56/R54)(Vbe
Transistor 52 - Vbe Transistor 50) = 2 (R56/R54)(KT/q) ln (J1/J2).
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J1/J2 gibt das Stromdichte-Verhältnis der Transistoren 50 und 52 an.
In Gleichung #1 ist zu beachten, daß V1 einen positiven Temperaturkoeffizienten
hat. Durch geeignete Wahl des Widerstandsverhältnisses R56/R54 kann der Temperaturkoeffizient
von V1 so eingestellt werden, daß der negative Temperaturkoeffizient von Vbe Transistor
52 kompensiert wird. Die Summe von Vbe Transistor 52 und V1 führt zu einer temperaturkompensierten
Bandabstands-Referenzspannung (Vref).
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Gleichung #2: Vref = Vbe Transistor 52 + 2 (R56/R54)(KT/q) ln
(J1/J2).
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Die Ausgangsspannung auf der Leitung 48 wird auf 3;3 V über die Widerstände
58 und 60 eingestellt und als positive Versorgungsspannung für den Differenzverstärker
14 und die Schaltung 20 zur Empfindlichkeitskompensation und Hystereseerzeugung
verwendet.
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Wie in Fig. 3 gezeigt ist, sind der positive und der negative Ausgangsanschluß
des Hallelements 12 mit den Eingangsanschlüssen eines emittergekoppelten Differenzverstärkers
14 verbunden, wobei der positive Ausgangsanschluß an die Basis eines Transistors
66 und der negative Ausgangsanschluß an die Basis eines Transistors 64 angelegt
ist. Die Spannungsverstärkung des Differenzverstärkers 14 ist gegeben durch: Gleichung
#3: A = g Widerstand 68 = q Ic Widerstand 68/2KT v m c
In Gleichung
#3 ist zu beachten, daß die Verstärkung Av einen negativen Temperaturkoeffizienten
hat. Um eine konstante Verstärkung über den gesamten Temperaturbereich zu erhalten,
wird eine "Steilheits"-Kompensation unter Verwendung der Transistoren 70 bis 78
und des Widerstands 80 ausgeführt.
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Aus Gleichung #3 erhält man, daß dadurch, daß Ic proportional
zur absoluten Temperatur gemacht wird, eine konstante Verstärkung über den gesamten
Temperaturbereich erzielt werden kann.
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Es ist bekannt, daß, wenn die Basisanschlüsse von Transistoren und
die Emitteranschlüsse miteinander verbunden sind, und einer der Transistoren mit
einem bestimmten Strom arbeitet, auch der andere Transistor mit dem gleichen Strom
arbeitet, da die Werte von Vbe gleich sind. Deshalb fließt derselbe Strom Ic in
den Leitungen 82, 84 und 86. Ic in Fig. 3 kann aus der an Anschluß 88 angelegten
Spannung Vx minus der Spannung Vbe des Transistors 78 sowie dem Wert des Widerstands
80 wie folgt berechnet werden: Gleichung #4: Ic = (Vx - Vbe Transistor 78)/Widerstand
80.
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Wenn Vx durch die Referenzspannung Vref gemäß Gleichung #2 ersetzt
wird, erhält man für Gleichung #4: Gleichung #5: Ic = (Vbe Transistor 52
+ 2(KT/q) ln (J1/J2)(R56/R54) -Vbe Transistor 78)/Widerstand 80.
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Setzt man die Spannung Vbe des Transistors 52 gleich der Spannung
Vbe des Transistors 78 und J1/J2 gleich 10, so reduziert sich #4 auf:
Gleichung
#6: Ic = 4,6 (KT/q)(Widerstand 56/Widerstand 54)/Widerstand 80.
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Einsetzen der Gleichung #6 in Gleichung #3 führt zu: Gleichung
#7: A = 2,3 (Widerstand 56/Widerstand 54)(Widerstand 68/Widerv stand 80).
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Somit hängt die Spannungsverstärkung des Differenzverstärkers 14 lediglich
von dem Widerstandsverhältnis des Widerstands 56/Widerstand 54 und Widerstand 68/Widerstand
80 ab. Die Widerstände 54 und 56 sind auf demselben Chip angeordnet und sind ionenimplantierte
Widerstände; deshalb haben sich gleichen Temperaturkoeffizienten und ihr Verhältnis
bleibt konstant über den gesamten Temperaturbereich. Die Widerstände 68 und 80 sind
externe Dickfilm-Widerstände, die außerhalb des Chips auf einem Keramiksubstrat
angeordnet sind; sie haben gleiche Temperaturkoeffizienten, so daß ihr Verhältnis
über den gesamten Temperaturbereich konstant bleibt. Da beide Verhältnisse über
den Temperaturbereich konstant bleiben, bleibt die Verstärkung des Differenzverstärkers
14 über den Temperaturbereich konstant; wenn der Pegel des Eingangssignals, das
von dem Hallelement 12 anliegt, abnimmt, nimmt der Pegel des Ausgangssignals des
Differenzverstärkers 14 ebenfalls ab. Obwohl der Differenzverstärker 14 ein Verstärker
mit konstanter Verstärkung ist, kann der Verstärkungswert durch den lasergetrimmten
Widerstand 80 zum Einstellen auf Variationen der Empfindlichkeit des Hallelements
12 eingestellt werden. Der Hall-Sensor 10- wird in einem bekannten Magnetfeld angeordnet
und die Verstärkung des Differenzverstärkers 14 durch den lasergetrimmten Widerstand
80 derart eingestellt, bis das gewünschte Ausgangssignal am Differenzverstärker
14 erhalten wird, wodurch Empfindlichkeitsänderungen des Hallelements 12 aufgrund
prozeßbezogener
Parameter beseitigt werden. Um Beiträge des Differenzverstärkers 14 für die Offsetspannung
und die Drift zu verringern, werden kreuzgekoppelte Eingangspaare mit großer Fläche
für die Transistoren 64 und 66 verwendet.
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Alle Hallelemente 12 haben die gleiche Offsetspannung und obwohl der
Wert der Offsetspannung bei konstanter Spannungsbeaufschlagung konstant bleibt,
ergibt sich noch eine Offsetspannung, die eine Offset-Ausgangsspannung des Differenzverstärkers
14 hervorruft. Der Widerstand 90 ist ebenfalls ein externer Dickfilm-Widerstand,
der außerhalb des Chips auf dem Keramiksubstrat angeordnet ist. Die Widerstände
68 und 90 können lasergetrimmt werden, um den durch die Offsetspannung hervorgerufenen
Signalanteil des Hallelements 12 einzustellen und zu beseitigen. Hierzu wird der
Hallsensor 10 an einer Stelle angeordnet, an der kein Magnetfeld auf ihn wirkt,
und das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 14 aufgenommen. Wenn die Offsetspannung
negativ ist, wird der Widerstandswert des Widerstands 90 lasereingestellt, bis die
Ausgangsspannung Null ist. In gleicher Weise wird bei positiver Offsetspannung der
Widerstand 68 lasergetrimmt, bis das Ausgangssignal Null ist.
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Da die Widerstände nicht auf dem Chip vorgesehen sind, kann einer
lasergetrimmt werden, so daß die Verstärkung des Verstärkers mit konstanter Spannungsverstärkung
eingestellt wird, während die beiden anderen Widerstände lasergetrimmt werden, um
die Offsetspannung auf den Wert Null abzugleichen. Das Hallelement 12 gibt an den
Verstärker mit konstanter Spannung in Form des Differenzverstärkers 14 ein Ausgangssignal
ab, das die Offsetspannung einschließt. In dem Differenzverstärker 14 sind Mittel
vorgesehen, um dessen Verstärkung einzustellen und die Offsetspannung auf Null abzugleichen.
Das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 14 liegt an den Anschlüssen 92 und 94
an, wobei die Offsetspannung beseitigt werden kann; der Pegel des Ausgangssignals
für einen bestimmten Wert des Magnetfeldes (Hallempfindlichkeit) variiert jedoch
mit der Temperatur, da der Pegel des Signals des Hallelements 12 mit der
Temperatur
variiert. Das Beseitigen der Offsetspannung im Ausgangssignal des Hallelements 12
schränkt die Verteilung ein in der Empfindlichkeit des Sensors Typische bekannte
Einheiten haben Schaltpunkte bei 300 Gauss + oder - 100 Gauss.
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Eine breitere Verteilung ergibt sich, wenn die Offsetspannung nicht
beseitigt worden ist. Für Anwendungen, bei denen die Vorrichtung sehr präzise bei
einem bestimmten Magnetfeld umschalten muß, sind Sensoren mit einem Schaltpunkt
von 300 Gauss + oder - 100 Gauss nicht geeignet.
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Im Folgendem soll auf Figur 4 Bezug genommen werden. Die Ausgangsspannung
des Differenzverstärkers 14 wird an die Eingangsanschlüsse 96 und 98 angelegt, wobei
der Anschluß 94 mit dem Anschluß 96 und der Anschluß 92 mit dem Anschluß 98 verbunden
ist. Die Eingangsanschlüsse 96 und 98 sind mit den Basisanschlüssen 100 bzw. 102
verbunden. Der tatsächliche Schaltpunkt des Hallsensors 10 wird durch den Wert des
Widerstands 104 eingestellt, wobei die Schaltpunkt-Spannung am Widerstand 104 anliegt.
Der Widerstand 104 ist ein Dickfilmwiderstand mit geringem Temperaturkoeffizienten,
wobei der Termperaturkoeffizient etwa 50 ppm ist. Die Spannung UR 104 am Widerstand
104 ist gleich dem Strom durch den Widerstand 104 mal dem Widerstandswert des Widerstands
104. Eine Leitung 106 verbindet den positiven Einganseinanschluß des Komparators
26 mit der Leitung 108, die den Ermitter des Transistors 100 mit dem Kollektor des
Transistors 110 verbindet. Die Leitung 112 verbindet den negativen Eingangsanschluß
des Komparators 26 mit der Leitung 114, die wiederum den Kollektor des Transistors
116 mit dem Widerstand 107 verbindet. Ohne Magnetfeld hat das Hallelement ein Ausgangssignal
entsprechend der Offset-Spannung.
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Diese Offsetspannung wird durch den Differenzverstärker 14 derart
ausgeglichen, daß das Eingangssignal an der Schaltung 20 zur Empfindlichkeltskompensation
und Hystereserzeugung
0 ist. Wenn ein Magnetfeld an das Hallelement
angelegt wird, bewirkt das resultierende Eingangssignal an der Schaltung 20, daß
ein Signal an den Basisanschlüssen der Transistoren 100 und 102 anliegt, wodurch
das Eingangssignal des Komparators 26 keine Differenz mehr aufweist.
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In diesem Zustand schaltet der Komparator 26 und sein Ausgangssignal
ändert sich von niedrig auf hoch. Bevor der Schaltpunkt erreicht ist, ist die Spannung
am positiven Eingangsanschluß um die Größe der Spannung am Widerstand 104 niedriger,
so daß die Spannung am positiven Eingangsanschluß den Spannungswert am Widerstand
104 erreicht, bevor der Komparator schaltet. Der Komparator 26 schaltet, wenn die
Spannungen an seinen beiden Eingangsanschlüssen gleich oder nahezu gleich werden.
Nachdem der Komparator 26 geschaltet hat, bewirkt das dann auf der Leitung 118 auftretende
Ausgangssignal des Komparators 26 in Verbindung mit den vorstehend beschriebenen
Schaltungen, daß der Strom durch den Widerstand 104 um einen bestimmten Prozenzsatz
abnimmt. Da der Stom durch den Widerstand 104 abgenommen hat, nimmt der Wert der
Schaltspannung ab. Wenn das Magnetfeld vom Hallelement 12 wegbewegt wird, liegt
der Wert des Magnetfeldes, auf den das Magnetfeld abzunehmen hat, damit der Komparator
26 in den ursprünglichen Zustand zurückschaltet, niedriger als der Wert des Magnetfeldes,
der benötigt wird, um den Komparator 26 ursprünglich umzuschalten, wenn das Magnetfeld
an das Hallelement 12 angelgt wird. Die Änderung des durch den Widerstand 104 fließenden
Stromes führt zu einer Änderung (Abnahme) des Schaltpunktes des Komparators 26 und
ergibt eine Hysterese-Funktion.
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Die Schaltung, die den Wert des Stroms (2Ix) durch den Widerstand
104 bestimmt und einstellt, weist eine Serienschaltung aus einem Widerstand 120,
einem Transistor 122 und einem Transistor 124 auf, durch den ein Strom Ix in der
Leitung 126 fließt. Der Wert Ix wird grundsätzlich
durch den Wert
der geregelten Konstantspannungen auf der Leitung 48 sowie den Wert der Widerstände
120, 123 und 125 bestimmt. Der Widerstand 120 ist ein epi-Widerstand und besteht
aus dem gleichen epi-Material, wie es für die Herstellung des Hallelements 12 verwendet
worden ist. Wenn der Strom Ix in der Leitung 126 durch einen bestimmten Wert des
Widerstands 120 eingestellt wird, ergibt sich eine PNP-Stromspiegelschaltung, die
die Transistoren 124, 128 und 130 umfaßt. Der Strom Ix fließt in den Transistor
128, dem Transistor 130 sowie in dem Transistor 124. Der Strom in dem Transistor
128 und 130 fließt an den Kathoden der Dioden 132 und 134 zusammen, so daß sein
Wert 2Ix beträgt-; dieser Strom fließt durch den Transistor 136. Der Transistor
138 leitet zu diesem Zeitpunkt nicht. Der Transistor 136 ist Teil einer NPN-Stromspiegelschaltung,
die die Transistoren 136, 137, 116 und 110 umfaßt. Deshalb fließt der Strom 2Ix
auch durch den Transistor 116 und den Transistor 110.
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Wenn - wie bereits ausgeführt - das Magnetfeld an das Hallelement
12 angelegt wird, wird das Ausgangssignal durch den Differenzverstärker 14 verstärkt
und die Offset-Spannung beseitigt; das verstärkte Signal wird an die Anschlüsse
96 und 98 der Schaltung 20 zur Kompensation zur Empfindlichkeit und Erzeugung einer
Hysterese angelegt, die bewirkt, daß das positive Eingangssignal des Komparators
26 das negative Eingangssignal des Komparators 26 übersteigt, so daß der Komparator
26 schaltet. Wenn der Komparator schaltet, ändert sich sein Ausgangssignal von niedrig
auf hoch; das Ausgangssignal des Komparators 26 liegt nicht nur am Eingangsanschluß-
des Ausgangstreibers 32, sondern auch über die Leitung 118 an der Basis des Transistors
138 an, so daß der Transistor 138 durchschaltet, wodurch der Strom durch den Widerstand
104 abnimmt und der Schaltpunkt bei Änderung in negativer Richtung einen neuen und
niedrigeren Wert eingestellt wird, wodurch sich eine Hysterese ergibt. Die Größe
der
Abnahme vom Wert 2Ix des Strom duch den Widerstand 104 wird durch die Verbindungen
in den kreuzgeschalteten Vielfachkollektoren 128 und 130 bestimmt. Bei dem dargestellten
Ausführungsbeispiel sind drei Kollektoren des Transistors 130 mit einer Leitung
140 (die wiederum mit der Anode 132 verbunden ist) verbunden, während der verbleibende
Kollektor mit einer Leitung 142 verbunden ist, die mit der Anode der Diode 134 verbunden
ist. Alle vier Kollektoren des Transistors 128 sind mit der Leitung 142 verbunden.
Wenn der Tranistor 138 in Folge des Ausgangssignals mit hohem Pegel des Komparators
126 durchgeschaltet ist, nimmt der Strom 2 Ix um 3/8 ab, da ein Teil des Strom 2
Ix durch den Transistor 138 anstelle des Transistors 136 fließt.
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Der Schaltpunkt bei Änderung in positiver Richtung ist durch die am
Widerstand 104 anliegende Spannung bestimmt und wie folgt gegeben: Gleichung #8
+VR104 = (R104) (2Ix) Wenn das verstärkte Ausgangssignal des Hallsensors 12 den
Wert VR104 überschreitet, schaltet das Ausgangssignal des Komparators 26 auf einen
hohen Wert und der durch den Widerstand 104 fließende Strom wird um einen festen
Prozentsatz veringert, der durch die Zahl der Kollektoren bestimmt ist, die mit
der Anode der Diode 132 verbunden sind. Dieser Prozentsatz ist maskenprogrammierbar
in diskreten Schritten von 12,5%.
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Der Schaltpunkt bei Änderungen im negativer Richtung beträgt nun einen
festen Prozentsatz des Schaltpunktes in positiver Richtung und ist gegeben durch:
Gleichung #9 -VR104 = (1-n/8)(2Ix)(R104) mit n = 0 bis 7.
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Die Gleichungen #8 und #9 sind direkte Funktionen von Ix;
deshalb sind beide Schwellwerte temperaturkompensiert. Der Halleffekt-Sensor 10
hat damit eine Hystereseverhältnis, das gegeben ist durch: Gleichung #10
mit K = (1-n/8) Sowohl der Schwellwert bei Änderung in positiver Richtung als auch
der Schwellwert in negativer Richtung sind temperaturkompensiert, so daß beide Schwellwerte
bzw. Schaltpunkte mit der Temperatur zu- bzw. abnehmen, so daß der Hall-Effekt-Sensor
10 sowohl in positiver Richtung als auch in negativer Richtung immer bei dem selben
Wert des Magnetfeldes, das an das Hallelement 12 angelegt ist, schaltet, und zwar
unabhängig von der Umgebungstemperatur des Sensors 10. Beispielsweise hat das Hallelement
12 bei einem bestimmten Wert des Magnetfeldes und bei Raumtemperatur eine Ausgangsspannung
y. Für diese Raumtemperatur wird ein bestimmter Wert Ix durch den epi-Widerstand
120 eingestellt. Der Strom 2 Ix fließt durch den Widerstand 104, wenn das Signal
des Differenzverstärkers 14 an die Anschlüsse 96 und 98 angelegt wird. Der durch
den Widerstand 104 fließende Strom 2 Ix stellt einen bestimmten Schwellwert bei
Änderungen in positiver Richtung ein. Nimmt man an, daß die Temperatur des Hallelements
derart zunimmt, daß das Ausgangssignal bzw. die Ausgangsspannung auf 0,5 y abnimmt,
hat
der äquivalente Widerstand des Hallelements 12 um 100% zugenommen. Da der Widerstand
120 ebenfalls auf dem Chip integriert ist, aus dem gleichen epi-Material wie das
Hallmaterial 12 besteht und der selben Tempertatur ausgesetzt ist, nimmt der effektive
Widerstandswert des Widerstandes 120 ebenfalls um 100% zu. Deshalb nimmt der Strom
Ix um 50% auf 0,5 Ix ab, während der Strom 2 Ix um 50% auf 0,5 (2 Ix) abnimmt, wodurch
der Schwellwert bei Änderungen in positiver Richtung ebenfalls um 50% abnimmt.
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Deshalb ist der tatsächliche Schwellwert bzw. Schaltpunkt in positiver
Richtung des Komperators 26 bezogen auf das angelegte Magnetfeld gleich. Der tatsächliche
negative Schaltpunkt bezogen auf einen bestimmten Wert des Magnetfeldes bleibt ebenfalls
gleich, da der Strom durch den Widerstand 104, nachdem der Komperator 26 von niedrig
auf hoch geschaltet hat, noch 5/8 von 0,5 (2 Ix) ist. Es ist zu beachten, daß die
Kompensation der Temperaturänderung am Eingangsanschluß des Komperators 26 dadurch
ausgeführt wird, daß die Schwellwerte bzw. Schaltpunkte in dem Komperator 26 geändert
werden.
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Zusammenfassend ist festzustellen, daß in Form eines Verstärkers mit
konstanter Verstärkung (Differnzverstärker 14) Mittel vorgesehen sind, um die Ausgansspannung
des Halleleements 12 zu verstärken. Die Ausgangsspannung des Hallelements 12 besteht
aus einer Offset-Spannung und der Signalspannung. In dem Differenzverstärker 14
sind Mittel in Form von nicht auf dem Chip angeordneten Dickfilmwiderständen 68
und 90 vorgesehen, die mit einem Laser so getrimmt werden können, daß sich ihr Widerstandswert
derart ändert, daß die Offset-Spannung des Hallelements 12 auf 0 eingestellt werden
kann. Der Widerstand 80 in dem Differnzverstärker 14 ist ein nicht auf dem Chip
angeordneter Dickfilmwiderstand, der mit einem Laser derart getrimmt werden kann,
daß sich Mittel zum
Einstellen bzw. Ändern der Verstärkung des
Differnzverstärkers 14 durch einstellen eines mehr oder weniger großen Ic-Stroms
ergeben.
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Ferner sind Mittel vorgesehen, um den Schwellwert bei Änderungen in
positiver Richtung im Komparator 26 in Form des Widerstands 104 einzustellen, an
dem die Schwellwertspannung durch den Strom 2 Ix erzeugt wird, der durch den Widerstand
fließt. Ix wird durch den Wert der Widerstände 120, 123 und 125 sowie der Konstantspannung
der Spannungsregelung 46 eingestellt. Der Widerstand 120 besteht aus dem selben
epi-Material wie das Hallelement 12 und hat den gleichen Temperaturkoeffizienten.
Ix wird durch die PNP-Stromspiegelschaltung auf den Wert 2 Ix verdoppelt, der durch
die NPN-Stromspiegelschaltung eingestellt wird, damit dieser Strom durch den Widerstand
104 fließt. Eine kreuzfömige Verschaltung in der PNP-Stromspiegelschaltung stellt
den Wert des Schwellwerts bzw. Schaltpunkts bei Änderung in negativer Richtung im
Komparator 26, nachdem der Komparator 26 beim Wert in positiver Richtung umgeschaltet
hat, dadurch ein, daß die Größe der Abnahme des durch den Widerstands 104 fließenden
Stroms bestimmt wird. Der Abstand zwischen dem Schwellwert bei Veränderung in positiver
Richtung und dem bei Änderung in negativer Richtung ist die Hysterese. Die Größe
der Hysterese ist durch die Verbindungen in den Kreuzschaltungen der PNP-Stromspiegelschaltung
einstellbar. Sowohl der Schaltpunkt bei Änderung in positiver Richtung als auch
der Schaltpunkt in negativer Richtung sind temperaturkompensiert, da der Widerstand
120 aus dem selben epi-Material wie der Hallwandler 12 besteht und damit den gleichen
Temperaturkoeffizienten hat. Deshalb ändern sich die effektiven Widerstände be Temperaturänderungen
um den selben Prozentsatz.
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Bei dem dargestellten Hall-Effekt-Sensor 10 sind zwei Einstellungen
für die Empfindlichkeit möglich. Die Verstärkung des Differenzverstärkers 14 kann
dadurch eingestellt werden, daß der Wert des Widerstandes 80 geändert wird, um die
Größe Ic zu vergrößern oder zu verkleinern. Ferner kann die Empfindlichkeit des
Sensors 10 durch den Wert des Widerstandes 104 bestimmt werden, der sich nicht auf
dem Chip befindet.
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Vorstehend ist die Erfindung exemplarisch beschrieben worden. Im Rahmen
des allgemeinen und in den Ansprüchen niedergelegten Erfindungsgedankens sind die
verschiedensten Änderungen möglich.