DE3418906C2

DE3418906C2 -

Info

Publication number: DE3418906C2
Application number: DE3418906A
Authority: DE
Inventors: James H. Atherton; Silvo Freeport Ill. Us Stanojevic
Original assignee: Honeywell Inc
Current assignee: Honeywell Inc
Priority date: 1983-05-23
Filing date: 1984-05-21
Publication date: 1990-10-04
Also published as: DE3418906A1; JPH0351118B2; NL189639C; US4521727A; NL8401647A; JPS59232472A; NL189639B

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einem Temperatur- Kompensationsschaltkreis nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.

Ein solcher Temperatur-Kompensationsschaltkreis ist aus der DE-OS 23 17 441 bekannt. Dieser bekannte Kompensationsschalt kreis dient der Kompensation der temperaturabhängigen Offset spannung eines Hallelementes. Das Hallelement wird von einer Konstantstromquelle gespeist und die Ausgangsspannung des Hallelements wird einem Differenzverstärker zugeführt. Ferner wird die über dem Hallelement abfallende Spannung abgegriffen und mit einer extrem einstellbaren Spannung additiv verknüpft und dem Ausgangssignal des Differenzverstärkers aufgeprägt. Der so gebildeten Ausgangsgröße wird eine weitere extern einstell bare Spannung additiv aufgeprägt, um sodann das kompensierte Signal zu bilden.

Ausgehend von dieser bekannten Schaltungsanordnung ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Temperatur- Kompensationsschaltkreis anzugeben, der eine Temperaturkompensation zuverlässig ermöglicht, einen temperaturunabhängigen und definierten Schaltungspunkt aufweist und als monolithisch integrierter Schaltkreis ausgeführt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt bei dem eingangs erwähnten Schaltkreis, den im Patentanspruch angewiesenen kennzeichnenden Merkmalen.

Ein in schaltungstechnischer Hinsicht gewisse Übereinstimmungen aufweisender Schaltkreis ist aus der DE-OS 28 44 737 bekannt. Dieser Schaltkreis dient jedoch nicht der Temperaturkompensation eines Hallelementes und die dem Differenzverstärker dort zuge führte Spannung steht in keiner Beziehung zu der Spannung, die an einer Last abfällt, welche in dem Zweig eines Stromspiegels angeordnet ist.

Anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden der Kompensationsschaltkreis gemäß der Erfindung näher be schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch ein Hallelement und einen zugeordneten Temperatur-Kompensationsschalt kreis gemäß der Erfindung; und

Fig. 2 eine nähere Ausgestaltung des erfindungs gemäßen Schaltkreises gemäß Fig. 1.

In Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 10 ein Halleffekt element oder ein Element mit einer ähnlichen Charakteristik bezeichnet. Im vorliegenden Fall sei angenommen, daß es sich bei diesem Element um ein Hallelement handelt. Das Hallelement erzeugt eine Ausgangsspannung gemäß fol gender Gleichung

V _H = V _HO + K₁I _HB (1)

wobei V _HO die Halloffsetspannung, K₁ eine temperaturun abhängige Konstante und B die magnetische Flußdichte dar stellt. Diese Spannung weist einen großen negativen Temperaturkoeffizienten auf, da I _H rasch mit anwachsender Temperatur abnimmt. Dementsprechend fällt die Empfindlich keit K₁ · I _H des Hallelementes ebenfalls mit wachsender Temperatur rasch ab. Eine Kompensation der abnehmenden Empfindlichkeit kann durch eine Spannungsbezugsquelle vor gegeben werden, die der Hallausgangsspannung über der Temperatur nachgeführt wird.

Der Schaltkreis gemäß Fig. 1 veranschaulicht ein Konzept einer solchen Referenzspannungsquelle in einem Komparator. Eine feste Spannung wird dem Hallelement 10 und dem restlichen Schaltkreis über einen Speisespannungsanschluß 11 zugeführt. Das Element 10 ist zwischen dem Anschluß 11 und den Kollektor eines NPN-Transistors 12 geschaltet, dessen Emitter an eine Referenzspannungsquelle bzw. -masse 13 angeschlosssen ist. Der Transistor 12 bildet einen Teil eines Stromspiegels, welcher ferner einen NPN-Transistor 14 umfaßt, dessen Emitter an Masse 13 angeschlossen ist. Die Basen der beiden Transistoren sind miteinander ver bunden und an den Kollektor des Transistors 12 ange schlossen. Dementsprechend wird ein Strom durch den Transistor 12 zu einem proportionalen Strom durch den Transistor 14. Die Proportionalitätskonstante K₂ hängt von den Entwurfsparametern der Transistoren ab.

Die Hall-Ausgangsspannung des Elementes 10 wird den Basen eines Paares von NPN-Transistoren 15 und 16 zugeführt. Der Emitter des Transistors 15 ist direkt an den Kollektor des Transistors 14 angeschlossen, und der Emitter des Transistors 16 ist mit dem Kollektor des Transistors 14 über einen ver änderlichen Widerstand 17 verbunden. Der Strom durch den Transistor 14 ist durch die Summe der Ströme I _{C 1} und I _{C 2} durch die Transistoren 15 und 16 vorgegeben. Die Größe des Stromes I _{C 2} bezogen auf den Strom I _{C 1} hängt von dem Widerstandswert des Widerstandes 17 und dem Unterschied der Basis-Ansteuerspannung ab, die an die Transistoren 15 und 16 durch das Hallelement 10 angelegt wird. Gemäß Fig. 1 werden die Ströme I _{C 1} und I _{C 2} durch den Speise spannungsanschluß 11 geliefert und durch Stromdetektoren 18 und 19 entsprechend ermittelt.

Die Komparator-Eingangsspannung, welche erforderlich ist, um den Strom I _{C 1} dem Strom I _{C 2} anzugleichen, ist durch folgende Gleichung vorgegeben:

wobei Δ V _BE die Differenz der Basis/Emitterspannungen der Transistoren 15 und 16 darstellt, K₂ eine temperaturun abhängige Konstante ist und R₁ den Wert des Widerstandes 17 darstellt. Die Spannung V _C stellt im wesentlichen eine Referenzspannung dar, mit der die Hall-Ausgangsspannung verglichen werden kann. Der Temperaturkoeffizient der Referenzspannung ist durch den Strom I _H vorgegeben. Auf diese Weise wird somit die Temperaturnachführung zwischen der Hallausgangsspannung und der Referenzspannung sicher gestellt.

Die Wirkungsweise des Schaltkreises wird ferner verständ lich unter der Annahme, daß V _H=V _C ist und aus dieser Beziehung das magnetische Feld zum Abgleich der Ströme I _{C 1} und I _{C 2} ermittelt wird. Durch Gleichsetzen der Gleichungen (1) und (2) erhält man;

Hieraus folgt:

Unter der Annahme, daß Δ V _BE und V _HO kleine Werte dar stellen, ergibt sich:

Dieser Ausdruck zeigt, daß das magnetische Feld, welches erforderlich ist, um den Abgleich zu erzielen, unabhängig von der Temperatur ist.

Es ist ebenfalls informativ, die Situation zu betrachten, in der kein magnetisches Feld an das Element 10 angelegt wird. In diesem Fall wird mit Ausnahme einer möglichen Offsetspannung keine Spannung durch das Element 10 er zeugt, und es werden gleiche Spannungen den Basen der Transistoren 15 und 16 zugeführt. Da die Summe der Ströme I _{C 1} und I _{C 2} durch die Transistoren 15 und 16 durch den Strom I _H auf Grund der Arbeitsweise des Stromspiegels (Transistoren 12 und 14) vorgegeben wird, ist der Strom I _{C 1} größer als der Strom I _{C 2}, da der den Strom I _{C 2} führende Zweig den Widerstand 17 enthält.

Wenn ein magnetisches Feld an das Element 10 angelegt wird, so daß die Spannung an der Basis des Transistors 16 in positiver Richtung anwächst und gleichzeitig die Spannung an der Basis des Transistors 15 abnimmt, so wächst der Strom I _{C 2} in bezug auf den Strom I _{C 1} an, bis die beiden Ströme einander gleich sind. In diesem Fall ist die Spannung V _R über dem Widerstand 17 exakt der Spannung V _H gleich, da die Emitterspannungen der Transistoren 15 und 16 durch die Spannungen an den Enden des Widerstandes 17 vorgegeben sind und die Basen der Transistoren 15 und 16 um einen Dioden-Spannungsabfall über den Spannungen an den Enden des Widerstandes 17 liegen. Demgemäß wird bei einem typischen Anwendungsfall, bei dem ein Ausgangssignal des Schaltkreises beim Anliegen eines vorbestimmten magnetischen Feldes an dem Element 10 gefordert wird, der Ausgang durch die Einstellung des Widerstandes 17 vorgegeben und die Empfindlichkeit des Schaltkreises ist unabhängig von der Temperatur.

Fig. 2 zeigt eine praktische Verwirklichung des Schal tungskonzeptes gemäß Fig. 1. Hierbei sind weitere Schalt kreiselemente vorgesehen, um den Zustand I _{C 1}=I _{C 2} fest zustellen. Die Ausgangsspannung V schaltet hierbei von einem hohen auf einen niedrigen Wert um, wenn das magnetische Feld von einem niedrigen auf einen hohen Wert ansteigt.

In Fig. 2 sind die mit den Elementen in Fig. 1 überein stimmenden Schaltungselemente mit gleichen Bezugsziffern versehen. Der Schaltkreis gemäß Fig. 2 umfaßt ferner eine aktive Last, bestehend aus zwei PNP-Transistoren 20 und 21, deren Basen miteinander verbunden sind, deren Emitter an den Speisespannungsanschluß 11 angeschlossen sind und deren Kollektoren mit den Kollektoren der Transistoren 15 und 16 verbunden sind. Der Kollektor des Transistors 20 ist ferner an die Basen der Transistoren 20 und 21 über die Basis/ Emitterstrecke eines PNP-Transistors 22 angeschlossen. Die Transistoren 20 und 22 sind so ausgelegt, daß der Kollektorstrom des Transistors 21 dem Kollektorstrom des Transistors 20 entspricht.

Der gemeinsame Anschluß der Kollektoren der Transistoren 16 und 21 ist an die Basis eines PNP-Transistors 23 ange schlossen, der symmetrisch zu dem Transistor 22 angeordnet ist. Der Emitter des Transistors 22 ist über einen Wider stand 24 mit dem Speisespannungsanschluß 11 verbunden. Der Emitter des Transistors 23 ist über einen PNP-Transistor 25 an die Speisespannungsquelle 11 angeschlossen, wobei Kollektor und Basis des Transistors 25 miteinander ver bunden sind. Die Kollektoren der Transistoren 22 und 23 sind an die Anschlüsse eines Stromspiegels angeschlossen, der NPN-Transistoren 26 und 27 umfaßt, deren Basis mit dem Kollektor des Transistors 26 verbunden sind und deren Emitter an Masse 13 angeschlossen sind. Insbesondere ist der Kollektor des Transistors 22 direkt mit dem Kollektor des Transistors 26 verbunden, und der Kollektor des Transistors 23 ist über einen Widerstand 28 mit dem Kollektor des Transistors 27 verbunden. Der die Transistoren 26 und 27 umfassende Stromspiegel ist so ausgelegt, daß der Kollektorstrom des Transistors 27 dem Kollektorstrom des Transistors 26 entspricht.

Der Kollektor des Transistors 27 ist ferner mit der Basis eines NPN-Transistors 30 verbunden, dessen Emitter an Masse 13 angeschlossen ist und dessen Kollektor über einen Widerstand 31 mit dem Speisespannungsanschluß 11 ver bunden ist. In gleicher Weise ist der Kollektor des Transistors 30 mit der Basis eines NPN-Transistors 32 ver bunden, dessen Emitter an Masse 13 angeschlossen ist und dessen Kollektor über einen Widerstand 33 mit der Speise spannungsquelle 11 verbunden ist. Der Kollektor des Transistors 32 ist mit der Basis eines NPN-Transistors 34 verbunden, dessen Emitter über einen Widerstand 35 an Masse 13 angeschlossen ist und dessen Kollektor über einen Widerstand 36 mit dem Speisespannungsanschluß 11 ver bunden ist. Der Emitter des Transistors 34 ist mit der Basis eines NPN-Transistors 37 verbunden, dessen Emitter an Masse 13 angeschlossen ist und dessen Kollektor mit einem Ausgangsanschluß 38 verbunden ist. Schließlich ist der Kollektor des Transistors 34 über einen Widerstand 40 an die Leitung angeschlossen, die das Hallelement 10 mit dem die Transistoren 12 und 14 aufweisenden Stromspiegel verbindet.

Zum Verständnis der Wirkungsweise des Schaltkreises gemäß Fig. 2 sei angenommen, daß die Kollektorströme der Transistoren 23 und 27 einander gleich sind. Dieser Zu stand führt zu einer unbestimmten Basisansteuerung des Transistors 30, welcher den Eingang für den nachfolgenden Schaltkreis bildet. Der Kollektorstrom des Transistors 27 entspricht dem Kollektorstrom des Transistors 26 auf Grund der Stromspiegelschaltung, wobei dieser Strom wiederum dem Kollektorstrom des Transistors 22 entspricht. Gleiche Kollektorströme hinsichtlich der Transistoren 22 und 23 setzen gleiche Basisspannungen für diese Transistoren vor aus, wobei angenommen wird, daß die Transistoren einander gleich sind. Dies impliziert, daß die Kollektorströme der Transistoren 15 und 20 sowie 16 und 21 einander gleich sind. Der Schaltkreis befindet sich somit in einem abgeglichenen Zustand.

Es sei nunmehr angenommen, daß das an das Hallelement 10 angelegte magnetische Feld geringfügig verändert wird, so daß die Spannung an der Basis des Transistors 15 an steigt und die Spannung an der Basis des Transistors 16 verringert wird. Dadurch steigt der Kollektorstrom der Transistoren 15 und 20 an. Der Kollektorstrom des Transistors 20 wird zu dem Kollektor des Transistors 21 gespiegelt. Der erhöhte Kollektorstrom wird als eine erhöhte Spannung an der Basis des Transistors 23 wieder gegeben, wodurch der Stromfluß durch diesen Transistor abnimmt und die Spannung an der Basis des Transistors 30 und somit der Stromfluß durch diesen Transistor ver mindert wird. Eine Ausschaltung des Transistors 30 führt zu einer Einschaltung des Transistors 32, wodurch der Transistor 34 und der Transistor 37 ausgeschaltet werden und ein Zustand hoher Spannung am Ausganganschluß 38 vorgegeben wird. Eine umgekehrte Betriebsweise des Schalt kreises ergibt sich, wenn das an das Element 10 angelegte Magnetfeld so verändert wird, daß die Spannung an der Basis des Transistors 16 ansteigt und die Spannung an der Basis des Transistors 15 abnimmt. Gemäß der vorangegangenen Erläuterung liefert der Schaltkreis eine temperaturunab hängige Umschaltung des Ausgangssignalzustandes ent sprechend dem magnetischen Fluß, der dem Element 10 zuge führt wird.

Durch eine Ausschaltung des Transistors 34 wächst die Spannung an dessen Kollektor, wodurch der Strom über den Widerstand 40 zu dem Transistor 12 erhöht wird. Der sich ergebende erhöhte Kollektorstrom des Transistors 12 erhöht ebenfalls den Kollektorstrom des Transistors 14 und die Spannung über dem Widerstand 17, die erforderlich ist, um das Ausgangssignal des Schaltkreises umzuschalten. Auf diese Weise wird eine Schalthysterese erzielt.

Durch den Widerstand 24 wird ein ausreichender Emitterstrom für den Transistor 22 vorgegeben, so daß der Schaltkreis auch dann arbeitet, wenn die Verstärkungsfaktoren β der Transistoren 20 und 21 hinreichend groß sind, so daß die Basisströme der Transistoren nicht ausreichen, um den erforderlichen Emitterstrom zu liefern. Der Transistor 25 stellt sicher, daß sich die Basen der Transistoren 22 und 23 auf dem gleichen Spannungspegel befinden, d. h. zwei Basis/Emitter-Spannungsabfälle unterhalb der Speise spannung, wodurch ein vollständiger Abgleich des Komparatorschaltkreises vorgegeben wird.

Claims

Temperatur-Kompensationsschaltkreis für ein Hallelement, dessen Ausgangsspannung eine Funktion des angelegten magnetischen Feldes und eines durch das Hallelement fließenden Stromes ist, wobei die Ausgangsspannung des Hallelementes einem Differenz verstärker zugeführt wird und ein dem Differenzverstärker nachgeschalteter Verstärker ein Ausgangsignal liefert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromspiegel (12, 14) vorgesehen ist, in dessen erstem Stromzweig das Hallelement (10) angeordnet ist und dessen anderer Stromzweig den Differenz verstärker (15, 16) speist, daß in einem Stromzweig des Differenzverstärkers ein Widerstand (17) zum Schaffen einer Unsymmetrie angeordnet ist und daß beide Steueranschlüsse des Differenzverstärkers durch die Hallspannung (V _H) beaufschlagt werden und in beiden Stromzweigen Stromdetektoren (18, 19; 20-28) angeordnet sind, an die als Verstärker ein Schaltverstärker (30-37) angeschlossen ist, dessen Ausgang über einen Widerstand (40) mit dem gemeinsamen Anschluß von Stromspiegel (12, 14) und Hallelement (10) verbunden ist, um in Abhängigkeit von dem Schaltzustand des Schaltver stärkers die Speisespannung des Hallelements zu verändern.