KR100335466B1 - 홀소자 온도보상회로 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온도변화에 따른 츨력변화특성을 안정화시키도록 구성된 홀소자 온도보상회로에 관한 것이다
본 발명의 홀소자 온도보상회로는 전류 발생부와; 외부의 공통전압원으로부터 일정레벨 이상의 전압이 인가될 때 전류 발생부에서 전류가 공급될 수 있도록 전류 발생부를 구동시키기 위한 전류 스타트부와; 전류발생부에서 공급되는 전류를 공급받고, 온도에 따라서 상이한 제1 전압이 유도되는 온도계수 조절부와; 온도계수 조절부와 연계되어 제1 전압에 따라 홀소자에 공급되는 제 2전압이 유도되는 전압레벨 조절부를 구비한다.
이에따라, 본 발명의 홀소자 온도보상회로는 온도변화에 대응하여 홀소자의 출력전압을 안정화 시키게 된다.

Description

홀소자 온도보상회로{Circuit of Temperature Compensation for Hall Element}
본 발명은 자기센서에 관한 것으로, 특히 온도변화에 따른 출력변화특성을 안정화시키도록 구성된 홀소자 온도보상회로에 관한 것이다.
통상적으로, 자기센서(Magnetic Sensor)는 홀소자(Hall Element) 또는 자기저항 소자 등을 사용하여 자계의 세기등 자기적인 양을 검지하여 이에 대응하는 전기적인 양으로 변환하게 된다. 이중 홀소자는 x축방향으로 고른 전류 Ix가 흐르고 있는 가늘고 긴 도체판에 수직으로 자장 Hz을 가하면 자장과 전류에 수직인 방향 y에 기전력 Ey이 발생하는 홀효과(Hall Effect)를 이용하여 소자이다. 이하, 도 1 내지 도 4b를 결부하여 홀소자에 대하여 살펴보기로 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 홀소자(10)는 Si기판(8)의 상부에 형성된 에피텍셜층(4)과, 에피텍셜층(4)을 전기적으로 절연하는 P형절연막(2)과, P형절연막(2)의 내측 가장자리 영역에 각각 형성된 오믹접속부(1,3,5,7)을 구비한다. 이러한, 홀소자(10)는 도 1에 도시된 바와같이 하나의 소자로 구성되어 외부의 자장세기를 검출하게 된다. 이 경우, 홀소자 영역(10)과 에피텍셜층(4)의 경계에는 P형절연막(2)이 마련되어 전기적으로 상호간을 격리시키게 된다.
한편, 홀소자(10)의 전기적인 등가회로는 도 3에 도시된 바와같이 휘스톤 브릿지 형태로 표현할수 있다. 상기 등가회로를 이용하여 외부자계의 인가여부에 따른 홀소자의 동작에 대하여 도 4a 및 도 4b를 결부하여 살펴보기로 한다. 먼저, 도 4a에 도시된 바와같이 외부자계가 인가되지 않을 경우(즉, B=0인 경우) 에는R1,R3,R5,R7 각각의 저항은 동일하게 구성되고 공급되는 전류(Iin)는 '0'이 된다. 다시말하여, 홀소자(10)에 자계가 인가되지 않으면, 전류가 발생하지 않게된다. 반면에, 도 4b에 도시된 바와같이 외부자계가 인가될 경우(즉, B≠0인 경우)에는 자장에 의해 캐리어가 편향되어 홀소자(10)에 구성된 저항성분이 변하게 된다. 이에따라, 홀소자(10) 내부에는 상기 자계에 대응하는 전위차가 발생되게 된다.
한편, 홀소자(10)는 저항성분으로 구성되어 동작온도가 올라가면 저항성분이 온도에 비례하여 변화하게 되므로 온도에 따른 출력의 변화를 보정해야만 정확한 자계량을 검출할수 있게 된다. 이하, 도 5 및 도 6을 결부하여 홀소자(10) 온도보상에 관하여 살펴보기로 한다.
도 5를 참조하면, 종래의 홀소자 온도보상회로의 구성이 도시되어 있다. 종래의 홀소자 온도보상회로는 공통전압원(Vcc)에 접속된 제1 노드(21)와, 홀소자(10)에 접속된 제 2노드(23)와, 제1 노드(21)에 접속된 서미스터(Thermistor : R1)와, 서미스터와 제2 노드(23) 사이에 접속된 제2 저항(R2)과, 제1 노드(21)와 제2 노드(23) 사이에 제 2저항(R2)과 병렬로 접속된 제3 저항(R3)과, 제2 노드(23)와 기저전압원(GND) 사이에 접속된 홀소자(10)를 구비한다. 상기와 같은 구성을 갖는 홀소자 온도보상회로 에서는 공통전압원(Vcc)의 전압레벨이 변화될 경우 홀소자(10)에 흐르는 전류가 변화되어 홀소자(10)의 출력특성에 영향을 미치게 되는 문제점이 있다.
도 6을 참조하면, 종래의 다른 홀소자 온도보상회로의 구성이 도시되어 있다. 종래의 홀소자 온도보상회로는 전원공급원(Vcc)에 접속된 전류공급원(Icc)과, 전류공급원(Icc)에 접속된 제3 노드(25)와, 기저전압원(GND)에 접속된 제5 노드(29)와, 제3 노드(25)와 제5 노드(29) 사이에 직렬로 접속된 제6 및 제8 저항(R6,R8)과, 제3 노드(25)와 제5 노드(29) 사이에 제6 및 제8 저항(R6,R8)과 병렬로 접속되는 제7 및 제9 저항(R7,R9)과, 제6 저항(R6) 및 제8 저항(R8) 사이에 위치되는 제4 노드(27)와, 제4 노드(27)와 제3 노드(25) 사이에 제6 저항(R6)과 병렬로 접속되는 서미스터를 구비한다. 상기 제6 내지 제9 저항(R6,R7,R8,R9)은 홀소자를 등가적으로 나타낸 회로(10')이다. 이때, 홀 소자(10)의 내부저항의 온도보상을 서미스터 등의 보상소자를 사용하여 온도 보상을 하였더라도 홀 소자(10)가 설치된 구동부의 온도계수에 의해 영향을 받게되므로 홀소자(10)의 출력특성에 영향을 미치게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 온도변화에 따른 출력변화특성을 안정화시키도록 구성된 홀소자 온도보상회로를 제공 하는데 있다.
도 1은 홀소자를 도시한 평면도.
도 2는 도 1의 A-A'선을 따라 절단하여 도시한 단면도.
도 3은 도 1을 등가적으로 도시한 회로도.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 자계에 의한 영향을 설명하기위해 도시한 도면.
도 5 및 도 6은 종래의 홀소자의 온도보상을 설명하기위해 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 홀소자 온도보상회로를 도시한 회로도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
1,3,5,7 : 오믹접속부 2 : P형절연막
4 : 에피텍셜층 6 : 홀소자영역
8 : Si기판 10 : 홀소자
10',20' : 홀소자 등가회로 70 : 정전압 스타트부
80 : 정전류 발생부 90 : 전압레벨 조절부
100 : 온도보상부 110 : 온도계수 조절부
R : 저항 Q : 트랜지스터
Vcc : 공통전압원
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 홀소자 온도보상회로는 전류 발생부와; 외부의 공통전압원으로부터 일정레벨 이상의 전압이 인가될 때 전류 발생부에서 전류가 공급될 수 있도록 전류 발생부를 구동시키기 위한 전류 스타트부와; 전류발생부에서 공급되는 전류를 공급받고, 온도에 따라서 상이한 제1 전압이 유도되는 온도계수 조절부와; 온도계수 조절부와 연계되어 제1 전압에 따라 홀소자에 공급되는 제 2전압이 유도되는 전압레벨 조절부를 구비한다.
상기 목적외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명 하기로 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 홀소자 온도보상회로는 온도에 변화에 따른 저항값의 변화에 대응하도록 홀소자(20')의 공급전압을 변화시켜 홀소자(20')에 인가되는 전류를 일정하게 유지하는 온도보상부(100)를 구비한다. 홀소자(20')는 직렬로 접속되는 제17 저항(R17) 및 제19 저항(R19)과, 제17 및 제19 저항(R17,R19)과 병렬로 접속되는 제18 저항(R18) 및 제20 저항(R20)을 구비한다. 이와 같은 R17,R18,R19,R20은 홀소자의 내부등가 저항을 나타내고 있다. 이때, 홀소자의 출력전압이 수학식 1에 나타나 있다.
여기에서, t는 두께, RH는 홀 계수, B는 자계, Is는 홀소자(20')의 공급전류, Vs는 홀소자 공급전압, 그리고 Reg는 홀소자(20')의 내부등가저항을 각각 의미한다.
수학식 1에 나타난 바와같이 홀소자(20')의 출력전압(VH)은 가해진 자계(B)와 공급전류(Is)에 의해 영향을 받게된다. 자계(B)는 온도에 의해 변화되지 않지만 공급전류(Is)는 온도에 따라 변화하게 된다. 수학식 1에서 공급전류(Is)는 공급전압(Vs)과 내부저항(Reg)으로 표현되어지고 내부저항(Reg)이 양의 온도계수를 가지므로 홀소자(20')의 출력전압(VH)은 음의 온도계수를 가지게 된다. 즉, 내부저항(Reg)이 양의 온도계수를 가지는 것에 기인하여 홀소자(20')의 출력전압이 온도에따라 변화되게 된다.
한편, 온도보상부(100)는 전류를 발생하는 전류부(80)와, 공통전압원(Vcc)에서 일정레벨 이상의 전압이 공급될 때 전류부(80)를 동작시키는 전류원 스타트부(70)와, 온도에 따라서 전류부(80)에서 출력되는 전류에 따라 상이한 전압이 유도되는 온도계수 조절부(110)와, 온도계수 조절부(110)에 연계되어 홀소자(20')에 인가되는 전압을 조절하는 전압레벨 조절부(90)를 구비한다. 온도보상부(100)는 홀소자 공급전압을 홀소자(20') 내부저항의 온도변화율 만큼 온도변화율을 가지게하여 항상 공급전류(Is)가 일정하도록 한다.먼저, 정전류원 스타트부(70)는 공통전압원(Vcc)에 접속된 제14 저항(R14)과, 제14 저항(R14)에 자신의 컬렉터 단자가 접속된 제6 트랜지스터(Q6)와, 기저전압원(GND)에 자신의 이미터단자가 접속된 제6 트랜지스터(Q6)와, 제6 트랜지스터(Q6)의 베이스단자에 자신의 베이스단자가 접속된 제5 트랜지스터(Q5)와, 제5 트랜지스터(Q5)의 이미터 단자와 기저전압원(GND) 사이에 접속된 제13 저항(R13)과, 전류부(80)에 자신의 컬렉터 단자가 접속된 제5 트랜지스터(Q5)를 구비한다. 전원전압(Vcc)이 제6 트랜지스터(Q6)의 베이스-이미터 전압보다 더 높은 전압을 인가하면 제14 저항(R14)으로 전류가 흐르게 된다. 이에따라, 전류미러(Current Mirror)로 구성된 제5 트랜지스터(Q5)와 제13 저항(R13)에도 전류가 흐르게 된다. 이 경우, 제1 및 제2 트랜지스터(Q1,Q2)의 베이스전류가 조금씩 흐르기 시작한다. 전원전압(Vcc)이 더욱 증가하여 소정레벨이상이 되면 상기 정전류부(80)가 동작하게 된다. 즉, 정전류 스타트부(70)는 공통전압원(Vcc)의 전압이 소정의 레벨 이상될 경우 정전류부(80)를 스타트 하게 된다.
또한, 전류부(80)는 제1 및 제2 트랜지스터(Q1,Q2)를 구비한다. 제1 트랜지스터(Q1)의 베이스단자는 제5 트랜지스터(Q5)의 컬렉터단자에 접속되고, 이미터단자는 전원전압(Vcc)에 접속된다. 또한, 제1 트랜지스터(Q1)의 컬렉터단자는 온도계수 조절부(110)에 접속된다. 제2 트랜지스터(Q2)의 베이스단자는 제5 트랜지스터(Q5)의 컬렉터단자에 접속되고, 이미터단자는 전원전압(Vcc)에 접속된다. 또한, 제2 트랜지스터(Q2)의 컬렉터단자는 온도계수 조절부(110)에 접속된다. 여기서, 제1 및 제2 트랜지스터(Q1,Q2) 각각의 베이스단자는 전기적으로 접속된다. 또한, 제2 트랜지스터(Q2)의 베이스 및 컬렉터단자는 전기적으로 접속된다. 전류부(80)는 온도계수 조절부(110)에 안정적으로 전류를 공급하게 된다. 전원전압(Vcc)이 더욱 증가하여 소정레벨이상이 되면 제1 및 제2 트랜지스터(Q1,Q2)가 동작하게 된다.
한편, 온도계수 조절부(110)는 제2 트랜지스터(Q2)의 컬렉터단자에 자신의 컬렉터단자가 접속된 제4 트랜지스터(Q4)와, 제1 트랜지스터(Q1)의 컬렉터단자에 자신의 컬렉터단자가 접속된 제3 트랜지스터(Q3)를 구비한다. 제4 트랜지스터(Q4)의 이미터단자와 기저전압원(GND)의 사이에는 제11 및 제12 저항(R11,R12)이 직렬로 접속된다. 제3 트랜지스터(Q3)의 이미터단자는 제11 및 제12 저항(R11,R12) 사이에 전기적으로 접속된다. 제3 및 제4 트랜지스터(Q3,Q4)의 베이스단자는 전기적으로 접속된다. 여기서, 제3 및 제4 트랜지스터(Q3,Q4)의 베이스단자는 전압레벨 조절부(90)와 접속된다. 한편, 제9 트랜지스터(Q9)가 턴-온 될때, 제15 및 제16 저항(R15,R16)에 전류가 흐른다. 제15 및 제16 저항(R15,R16)에 흐르는 전류는 제3 및 제4 트랜지스터(Q3,Q4)의 베이스단자에 공급되어 제3 및 제4 트랜지스터(Q3,Q4)가 턴-온된다. 이때, 제11 및 제12 저항(R11,R12)에 전류가 흐르게 된다. 이 경우, 제4 트랜지스터(Q4)는 제3 트랜지스터(Q3)의 이미터-베이스 접합면적이 8배가 되도록 형성되어 있으며, 베이스가 공통으로 접속되어 두 트랜지스터의 베이스-이미터 전압의 차만큼 전압이 제11 저항(R11)의 양단에 인가된다. 이때의 전압이 수학식 2에 나타나 있다.
이 전압에 의해 제11 저항(R11)에 흐르는 전류는 VTln(8)/R11 이며, 제3 트랜지스터(Q3)에도 같은 전류가 흐르므로 제12 저항에 흐르는 전류는 수학식 3에 나타낸 바와같아지게 된다.
이로인해, R12에 인가되는 전압은 2·R12·VTln(8)/R11이 된다.
이에따라, 제3 트랜지스터(Q3)의 베이스전압은 수학식 4에 나타나게 된다.
여기에서, K=2·R12·ln(8)/R11을 의미한다. 이때, 제11 및 제12 저항(R11,R12)의 비를 조절함에 의해 이미터-베이스 전압(VBE)의 음(-)과 양(+)을 조절하게 된다.
전압레벨 조절부(90)는 제 1트랜지스터(Q1)의 컬렉터단자에 자신의 베이스단자가 접속된 제7 트랜지스터(Q7)와, 전원전압(Vcc)에 자신의 컬렉터단자가 접속된 제7 트랜지스터(Q7)와, 제7 트랜지스터(Q7)의 이미터단자에 자신의 컬렉터 및 베이스단자가 접속된 제9 트랜지스터(Q9)와, 제7 트랜지스터(Q7)의 이미터단자에 자신의 베이스단자가 접속된 제8 트랜지스터(Q8)와, 자신의 컬렉터단자가 기저전압(Vcc)에 접속된 제8 트랜지스터(Q8)와, 자신의 이미터단자가 홀소자(20')에 접속된 제8 트랜지스터(Q8)와, 제9 트랜지스터(Q9)의 이미터단자와 기저전압원(GND) 사이에 직렬로 접속된 제16 저항(R16) 및 제15 저항(R15)을 구비한다. 제15 및 제16 저항(R15,R16)의 사이는 제3 트랜지스터(Q3)의 베이스단자와 전기적으로 접속된다.VB(Q9)는 제15 및 제16 저항(R15,R16)에 의해 제9 트랜지스터(Q9)의 이미터전압을 나타내며, 이는 수학식 5에 나타나 있다.
이 전압은 제8 및 제9 트랜지스터(Q8,Q9)에 의해 홀소자(20')를 구동하는 전압이 된다. 또한, 제15 및 제16 저항(R15,R16)이 홀소자(20')의 내부저항(Req)과 병렬로 연결되어 있으므로 온도에 따른 영향을 제8 트랜지스터(Q8)을 통하여 차단하게 된다. 이때, 제15 및 제16 저항(R15,R16)의 비를 조절함에 의해 제9 트랜지스터(Q9)의 이미터전압을 변화시키게 된다. 또한, 제8 트랜지스터(Q8)의 온도영향은 동일한 온도계수를 갖는 제9 트랜지스터(Q9)로 보상하여 전체적으로 수학식 5에서 구해진 전압이 홀소자(20')를 구동하게 된다. 한편, 수학식 6에는 수학식 5의 온도에 대한 변화율을 나타내고 있다.
여기에서, K'=(R15/R16)+R16, K=2·R12ln(8)/R11을 각각 의미한다. 또한, 이때, 수학식 6은 양의 온도계수를 갖는 첫 번째 항과 음의 온도계수를 갖는 두 번째 항으로 구성된다.
홀소자(20')의 내부저항이 온도에 따라 변하더라도 공급되는 전류(Is)를 일정하게 유지하기 위해서는 홀소자(20') 공급전압(Vs)을 양의 온도변화율을 가지도록 하면 내부저항(Req)의 양의 온도변화율을 보상할수 있다. 즉, 측정한 홀소자(20')의 내부저항 Req의 온도계수가 + x %/℃ 이면 홀소자(20')의 공급전압(Vs)도 + x %/Ω을 가지게 함으로써 공급전류(Is)의 온도변화율을 보상할수 있게된다. 이에따라, 본발명의 홀소자(20') 온도보상회로는 홀소자의 온도보상뿐만 아니라 기존의 구동회로가 가지는 온도계수를 동시에 보상하게 된다. 다시 말하여, 온도가 상승할 때 홀소자(20')에 공급되는 전압이 상승함과 아울러 홀소자(20')의 내부저항이 상승하게 된다. 따라서, 홀소자(20')에 공급되는 전류는 일정하게 유지된다.
상술한 바와같이, 본 발명의 홀소자 온도보상회로는 온도변화를 대응하여 홀소자의 출력전압을 안정화 시킬수 있는 장점이 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자 라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (6)

  1. 기저전압원을 구비하며, 온도에 무관하게 홀소자에 일정한 전류를 공급하기 위한 홀소자 온도보상회로에 있어서;
    전류 발생부와;
    외부의 공통전압원으로부터 일정레벨 이상의 전압이 인가될 때 상기 전류 발생부에서 전류가 공급될 수 있도록 상기 전류 발생부를 구동시키기 위한 전류 스타트부와;
    상기 전류발생부에서 공급되는 전류를 공급받고, 상기 온도에 따라서 상이한 제1 전압이 유도되는 온도계수 조절부와;
    상기 온도계수 조절부와 연계되어 상기 제1 전압에 따라 상기 홀소자에 공급되는 제 2전압이 유도되는 전압레벨 조절부를 구비하는 것을 특징으로 하는 홀소자 온도보상회로.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 발생부는;
    상기 전류 스타트부에 베이스단자가 접속됨과 아울러 이미터단자가 상기 공통전압원에 접속되는 제 1트랜지스터와;
    상기 제 1트랜지스터의 베이스단자에 자신의 베이스단자 및 컬렉터단자가 접속됨과 아울러 상기 공통전압원에 이미터단자가 접속되는 제 2트랜지스터를 구비하는 것을 특징으로 하는 홀소자 온도보상회로.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류스타트부는;
    상기 공통전압원에 접속되는 제 1저항과;
    상기 제 1저항에 컬렉터단자가 접속되고, 상기 기저전압원에 이미터단자가 접속되는 제 3트랜지스터와;
    상기 제 3트랜지스터의 베이스단자에 자신의 베이스단자가 접속됨과 아울러 상기 전류 발생부에 자신의 컬렉터 단자가 접속되는 제 4트랜지스터와;
    상기 제 4트랜지스터의 이미터단자와 상기 기저전압원 사이에 접속되는 제 2저항을 구비하는 것을 특징으로 하는 홀소자 온도보상회로.
  4. 제 1 항에 있어서;
    상기 온도계수 조절부는;
    상기 전류 발생부에 자신의 컬렉터단자가 접속된 제 5트랜지스터와;
    상기 전류 발생부에 자신의 컬렉터단자가 접속됨과 아울러 자신의 베이스단자가 상기 제 5트랜지스터의 베이스단자와 접속되는 제 6트랜지스터와;
    상기 제 5트랜지스터의 이미터단자와 상기 기저전압원 사이에 접속되는 제 3 및 제 4저항과;
    상기 제 6트랜지스터의 이미터단자와 상기 기저전압원 사이에 접속되는 상기 제 4저항을 구비하는 것을 특징으로 하는 홀소자 온도보상회로.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 전압레벨 조절부는;
    상기 공통전압원에 컬렉터단자가 접속됨과 아울러 베이스단자가 상기 전류 발생부에 접속되는 제 7트랜지스터와;
    상기 제 7트랜지스터의 이미터단자에 베이스단자가 접속됨과 아울러 상기 공통전압원에 컬렉터단자가 접속되고, 자신의 이미터단자가 상기 홀소자에 접속되는 제 8트랜지스터와;
    상기 제 7트랜지스터의 이미터단자에 컬렉터 및 베이스단자가 접속되는 제 9트랜지스터와;
    상기 제 9트랜지스터의 이미터단자와 기저전압원 사이에 접속되는 제 5저항과;
    일측부가 상기 제 5저항 및 상기 제 6트랜지스터의 베이스단자에 접속됨과 아울러 다른 일측부가 상기 기저전압원에 접속되는 제 6저항을 구비하는 것을 특징으로 하는 홀소자 온도보상회로.
  6. 삭제
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