一種可編程開關型霍爾傳感器的製造方法
2023-05-28 10:41:21 1
一種可編程開關型霍爾傳感器的製造方法
【專利摘要】本發明公開了一種可編程開關型霍爾傳感器集成電路，利用低溫度係數的電阻R4和R5與一個溫度係數和霍爾薄片相同的參考電流來產生兩個閾值電壓，利用數字邏輯電路來控制閾值電壓選擇模塊對這兩個閾值電壓以及其類型進行選擇，然後提供給遲滯比較器作為基準電平與放大後的霍爾信號進行比較。由於閾值電壓產生電路中的電阻R4和R5均為低溫度係數的同類型電阻，可以很方便的調整閾值電壓的大小，並且不會影響傳感器靈敏度的溫度穩定性與一致性。通過修調，調整R4和R5的阻值以及閾值電壓選擇電路，可以在很寬的範圍內以很小的步長對霍爾開關的靈敏度進行調整。
【專利說明】一種可編程開關型霍爾傳感器【技術領域】
[0001]本發明涉及霍爾傳感器領域，具體地，涉及一種可編程開關型霍爾傳感器。
【背景技術】
[0002]開關型霍爾傳感器是根據霍爾效應製造的一種磁場傳感器。它被廣泛的應用於工業控制，消費電子，汽車電子等領域，用於進行非接觸式的位置檢測，轉速檢測等。
[0003]常規的開關型霍爾傳感器通常包括穩壓器，霍爾薄片，霍爾電壓差分放大器，閾值電壓產生電路，遲滯比較器，輸出級。霍爾薄片感應磁場生成霍爾電壓，通過差分放大器進行放大之後，與閾值電壓產生電路提供的閾值電壓進行比較，比較結果從遲滯比較器輸出送入功率輸出級。
[0004]當南極磁場強度足夠大時，達到工作點(BOP)時，霍爾開關的輸出級導通，輸出低電平。當磁場強度往反方向變化，並達到釋放點(BRP)時，霍爾開關的輸出級關閉，輸出高電平。磁場強度BOP與BRP的差值為遲滯寬度BHYS。
[0005]通常，人們把南極磁場靠近霍爾開關晶片標識面時，將霍爾開關標識面的磁場強度定義為正，反之北極磁場靠近霍爾開關標識面時，定義為負。當BOP為正，BRP為負時，該類霍爾開關被稱為鎖存型霍爾開關。當BOP為正,BRP也為正時,該類霍爾開關被稱為單極型霍爾開關。
[0006]在不同的應用場合，需要不同靈敏度與不同類型的霍爾開關，對BOP，BRP的要求從20GauSS到300GauSS不等。不同靈敏度的霍爾開關都去生產一套模具，既增加了生產成本，還增加了運營管理成本。但是由於傳統的霍爾開關其閾值電壓產生電路的局限，使得通過修調電路來調整靈敏度的方法行不通。因為閾值電壓產生電路中的正負溫度係數電阻阻值比例是經過優化計算，以補償霍爾開關的靈敏度溫度穩定性的。如果修調調整阻值將極大影響霍爾開關的靈敏度溫度穩定性。如圖2所示的現有的閾值電壓產生電路，通常，電阻R6和R9為正溫度係數電阻，電阻R7和R8為負溫度係數電阻。當隨溫度升高時，閾值電壓AVl和AV2降低，以補償霍爾薄片靈敏度的溫度係數，通過把正負溫度係數電阻設計成合適的阻值比例，可以實現比較穩定的靈敏度溫度穩定性。該電路結構若通過對電阻R7和R8進行修調來調整靈敏度，由於改變了正負溫度係數電阻的阻值比例，將會極大影響靈敏度的溫度穩定性。若通過對差分運放的放大倍數來調整靈敏度，調整的步長不均勻，並且由於運放的擺幅，速度和功耗等指標的制衡，靈敏度的調整範圍將受到限制。同樣，該電路結構若通過對閾值電壓選擇電路進行修調來實現霍爾開關的類型變化，靈敏度的溫度穩定性也將受到極大的影響。
【發明內容】
[0007]本發明所要解決的技術問題是提供一種生產成本低且便於生產運營、通過修調來控制傳感器實現不同的靈敏度和類型，在改變傳感器靈敏度和類型的同時，保持靈敏度的溫度穩定性和一致性不發生變化的可編程開關型霍爾傳感器。[0008]本發明解決上述問題所採用的技術方案是:
一種可編程開關型霍爾傳感器，包括:霍爾薄片，用於感應磁場信號將其轉化為電壓信號；閾值電壓產生電路，用於產生與霍爾感應電壓溫度係數相同的兩個閾值電壓；與閾值電壓產生電路串聯的參考電流產生電路；
所述的參考電流產生電路，用於產生一個與霍爾薄片電流溫度係數相同的偏置電流，其包括由運算放大器和電晶體M6構成的反饋環路、為運算放大器正輸入端提供分壓的分壓電路、連接在電晶體M6源極與地之間的電阻R1、共源共柵電流鏡電路、為共源共柵電流鏡電路提供偏置電壓的偏置電壓產生電路，所述的電阻Rl的幾何形狀和形狀與霍爾薄片均相同；
所述的閾值電壓產生電路包括共源共柵電流源電路、與共源共柵電流源電路串聯用於產生兩個閾值電壓的電阻R4和電阻R5、對兩個閾值電壓進行選擇的閾值電壓選擇電路、用於對閾值電壓大小和閾值電壓選擇電路進行控制的修調電路；
所述的閾值電壓選擇電路上連接有用於產生控制時序的數字邏輯電路。
[0009]作為優選，還包括為參考電流產生電路和霍爾薄片提供穩定工作電壓的穩壓電路、對霍爾電壓進行放大的差分放大電路、對放大後的霍爾信號進行失調消除的開關電容電路、對放大後的霍爾信號與閾值電壓進行比較且輸出判別結果的遲滯比較器。
[0010]作為優選，所述的電阻R4和電阻R5為同類型同尺寸的低溫度係數電阻。
[0011]作為優選，所述的電阻Rl的面積為霍爾薄片面積的四分之一。
[0012]作為優選，所述的分壓電阻包括相串聯的電阻R2和電阻R3，所述的電阻R2和電阻R3的阻值比為3:1。
[0013]綜上，本發明的有益效果是:
1、相比於現有的開關型霍爾傳感器集成電路，本發明主要在閾值電壓的產生方式上進行了改進，參考電流產生電路產生一個溫度係數與霍爾薄片靈敏度溫度係數相同的偏置電流，用該偏置電流與低溫度係數的電阻R4和R5產生兩個閾值電壓，根據數字邏輯電路提供的控制時序選擇其中的一個閾值電壓提供給遲滯比較器作為參考電平，與放大後的霍爾電壓進行比較。採用該結構的霍爾開關的靈敏度不受電源電壓和溫度的影響，即使電阻R4和R5阻值發生變化，也絲毫不會影響靈敏度溫度穩定性，確保靈敏度的溫度穩定性和一致性。
[0014]2、本發明利用修調電路對閾值電壓的大小和閾值電壓的極性進行控制，實現對霍爾開關類型的選擇，可實現單極型霍爾開關與鎖存型霍爾開關。
[0015]3、本發明利用修調很方便的調整霍爾開關的靈敏度與類型，並且靈敏度調整範圍很寬，調整步長均勻且小。
[0016]4、本發明僅需利用一套光刻板即可實現不同類型不同靈敏度的霍爾開關，降低了產品生產成本，同時極大方便了產品生產的運營與管理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的結構示意圖。
[0018]圖2是現有的開關型霍爾傳感器閾值電壓產生電路的電路圖。
【具體實施方式】[0019]下面結合實施例及附圖，對本發明作進一步地的詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。應當明白，任何對技術特徵和/或整體的變換而非實質性變換都應視為本發明所限定的保護範圍。
[0020]一種可編程開關型霍爾傳感器，包括:霍爾薄片，用於感應磁場信號將其轉化為電壓信號；閾值電壓產生電路，用於產生與霍爾感應電壓溫度係數相同的兩個閾值電壓；與閾值電壓產生電路串聯的參考電流產生電路；
所述的參考電流產生電路，用於產生一個與霍爾薄片電流溫度係數相同的偏置電流，其包括由運算放大器和電晶體M6構成的反饋環路、為運算放大器正輸入端提供分壓的分壓電路、連接在電晶體M6源極與地之間的電阻R1、共源共柵電流鏡電路、為共源共柵電流鏡電路提供偏置電壓的偏置電壓產生電路，所述的電阻Rl的幾何形狀和形狀與霍爾薄片均相同；
所述的閾值電壓產生電路包括共源共柵電流源電路、與共源共柵電流源電路串聯用於產生兩個閾值電壓的電阻R4和電阻R5、對兩個閾值電壓進行選擇的閾值電壓選擇電路、用於對閾值電壓大小和閾值電壓選擇電路進行控制的修調電路；
所述的閾值電壓選擇電路上連接有用於產生控制時序的數字邏輯電路。
[0021]還包括為參考電流產生電路和霍爾薄片提供穩定工作電壓的穩壓電路、對霍爾電壓進行放大的差分放大電路、對放大後的霍爾信號進行失調消除的開關電容電路、對放大後的霍爾信號與閾值電壓進行比較且輸出判別結果的遲滯比較器。
[0022]如圖1所示本發明的PMOS電晶體Ml和PMOS電晶體M2構成共源共柵電流鏡電路，PMOS電晶體M5構成偏置電壓產生電路且為PMOS電晶體M2提供偏置電壓，運算放大器和電晶體M6構成的反饋環路其具體結構為運算放大器的輸出端連接電晶體M6的柵極且負輸入端連接電晶體M6的源極，其將電阻Rl的電壓穩定在電阻R2和電阻R3。共源共柵電流鏡電路的PMOS電晶體M2的漏極連接在反饋環路電晶體M6的漏極上將流過電阻Rl的電流Ibl鏡像輸出，使得Ibl的溫度係數與流過霍爾薄片的電流溫度係數相同。
[0023]PMOS電晶體M3和PMOS電晶體M4構成共源共柵電流源電路，通過電流鏡鏡像Ibl得到偏置電流Ib2，Ib2的溫度係數與流過霍爾薄片的電流溫度係數也相同，電阻R4和電阻R5串聯後連接在共源共柵電流源電路PMOS電晶體M4的漏極上，電阻R4的電壓降和電阻R5的電壓降作為閾值電壓，閾值電壓選擇電路根據數字邏輯電路提供的控制時序選擇兩個閾值電壓中的一個並提供給遲滯比較器作為參考電平，與放大後的霍爾信號進行比較。閾值電壓的溫度係數與霍爾感應電壓溫度係數幾乎相同，僅僅受到電阻R4和電阻R5的溫度特性的影響。
[0024]分壓電路對VDD進行分壓，運算放大器和電晶體M6構成的反饋環路將電阻Rl的電壓穩定在[R3/(R2+R3)]*VDD，因此流過電阻Rl的電流Ibl=[R3/(R2+R3) ] *VDD/ Rl,電阻R4兩端的閾值電壓AV=Ib2*R4=m* Ibl* R4，其中m為Ibl通過共源共柵電流鏡電路鏡像後得到Ib2的比例因子。有上兩式可得:AV= m*[R3/(R2+R3)]*VDD/ Rl* R4，分壓電路的電阻的類型相同，即可知，Λ V的溫度係數與VDD、R1和R4有關。流過霍爾薄片的偏置電流大小為:I=VDD/Rhall。其中，VDD為穩壓器輸出的電壓，Rhall為霍爾薄片的電阻。Vhall=k*I*B/d= k*VDD*B/Rhall/d，由此式可看出，Vhall的溫度係數與VDD、Rhall的溫度係數有關。由於電阻Rl與霍爾薄片形狀與材料均相同，其溫度係數也相同。所以閾值電壓Λ V與霍爾感應電壓Vhall的溫度係數的偏差僅僅在於電阻R4的溫度係數。設計者只需選擇低溫度係數的電阻則可以實現霍爾開關磁感應靈敏度的極低的溫度漂移。
[0025]採用該結構的霍爾開關的靈敏度不受電源電壓和溫度的影響，即使電阻R4和R5阻值發生變化，也絲毫不會影響靈敏度溫度穩定性。且採用該結構的霍爾開關，使得修調電路可控制閾值電壓的大小，以對霍爾開關的靈敏度進行調整，避免利用調整差分運放的放大倍數來調整靈敏度，使得靈敏度調整範圍很寬，調整步長均勻且小。修調電路還可對閾值電壓選擇電路進行控制，以調整閾值電壓的極性，實現對霍爾開關類型的選擇，使其可以實現單極型霍爾開關與鎖存型霍爾開關。當閾值電壓選擇電路提供相同極性的兩個閾值電壓，比如說兩個正電壓，給開關電容電路時，霍爾開關類型為單極型霍爾開關。當閾值電壓選擇電路提供兩個不同極性的閾值電壓給開關電容電路時，霍爾開關類型為鎖存型霍爾開關。
[0026]由於該霍爾開關可實現不同類型不同靈敏度，其製作時，只需一套光刻板即可，不需根據不同靈敏度的霍爾開關去生產模具，降低了生產成本，同時極大方便了產品生產的
運營與管理。
[0027]由於閾值電壓與霍爾感應電壓的溫度係數不同之處僅在於電阻R4或電阻R5的溫度變化，所述的電阻R4和電阻R5為同類型同尺寸的低溫度係數電阻。電阻R4和電阻R5為同類型同尺寸的低溫度係數電阻，其電阻的變化比率低，相應降低霍爾傳感器的磁靈敏度的溫度漂移率。所述的電阻R4和電阻R5的溫度係數可為lxlO-5/°C。採用溫度係數為lxlO-5/°C的電阻，則溫度從-40°C到150°C時，電阻的變化比率不到0.2%。
[0028]為了進一步的節約版圖面積，所述的電阻Rl的面積為霍爾薄片面積的四分之一。
[0029]為了進一步的降低偏置電流，節約功耗，所述的分壓電阻包括相串聯的電阻R2和電阻R3，所述的電阻R2和電阻R3的阻值比為3:1。反饋環路將電阻Rl的電壓穩定在電阻R2和電阻R3的分壓值，即穩定在R3/(R2+R3) *VDD，當電阻R2和電阻R3的阻值比例過大，電阻Rl兩端的電壓越高，此時電阻Rl的功耗大；當電阻R2和電阻R3的阻值比例過小，其精度會受到影響；綜合考慮，電阻R2和電阻R3的阻值比為3:1。
[0030]在實際運用中，穩壓器輸出5V的電源電壓供給參考電流產生電路，電阻Rl與具體霍爾薄片的電阻值相關，電阻R2取值120 ΚΩ，電阻R3取值30 KΩ，電阻R4和電阻R5的取值分別為25 ΚΩ至250 ΚΩ，修調電路以25 ΚΩ的步長來調整R4和R5的大小，可實現霍爾開關靈敏度參數Bop和Brp從30Gauss到300Gauss的調整，調整步長30Gauss，該靈敏度範圍已幾乎涵蓋目前所有霍爾開關的應用需要。
[0031]如上所述，可較好的實現本發明。
【權利要求】
1.一種可編程開關型霍爾傳感器，包括:霍爾薄片，用於感應磁場信號將其轉化為電壓信號；閾值電壓產生電路，用於產生與霍爾感應電壓溫度係數相同的兩個閾值電壓；其特徵在於:還包括與閾值電壓產生電路串聯的參考電流產生電路； 所述的參考電流產生電路，用於產生一個與霍爾薄片電流溫度係數相同的偏置電流，其包括由運算放大器和電晶體M6構成的反饋環路、為運算放大器正輸入端提供分壓的分壓電路、連接在電晶體M6源極與地之間的電阻R1、共源共柵電流鏡電路、為共源共柵電流鏡電路提供偏置電壓的偏置電壓產生電路，所述的電阻Rl的幾何形狀和形狀與霍爾薄片均相同； 所述的閾值電壓產生電路包括共源共柵電流源電路、與共源共柵電流源電路串聯用於產生兩個閾值電壓的電阻R4和電阻R5、對兩個閾值電壓進行選擇的閾值電壓選擇電路、用於對閾值電壓大小和閾值電壓選擇電路進行控制的修調電路； 所述的閾值電壓選擇電路上連接有用於產生控制時序的數字邏輯電路。
2.根據權利要求1所述的一種可編程開關型霍爾傳感器，其特徵在於:還包括為參考電流產生電路和霍爾薄片提供穩定工作電壓的穩壓電路、對霍爾電壓進行放大的差分放大電路、對放大後的霍爾信號進行失調消除的開關電容電路、對放大後的霍爾信號與閾值電壓進行比較且輸出判別結果的遲滯比較器。
3.根據權利要求1所述的一種可編程開關型霍爾傳感器，其特徵在於:所述的電阻R4和電阻R5為同類型同尺寸的低溫度係數電阻。
4.根據權利要求1所述的一種可編程開關型霍爾傳感器，其特徵在於:所述的電阻Rl的面積為霍爾薄片面積的四分之一。
5.根據權利要求1或4任一所述的一種可編程開關型霍爾傳感器，其特徵在於:所述的分壓電阻包括相串聯的電阻R2和電阻R3，所述的電阻R2和電阻R3的阻值比為3:1。
【文檔編號】H03K17/90GK103929166SQ201410183714
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年5月4日 優先權日:2014年4月25日
【發明者】彭卓, 陳忠志, 趙翔 申請人:成都芯進電子有限公司