CN101886933A - 带温度补偿的霍尔开关电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带温度补偿的霍尔开关电路，包括稳压器，连接在所述稳压器的输出与地线之间的霍尔感应片，两个输入端分别与所述霍尔感应片相连的霍尔电压差分放大器，与所述霍尔电压差分放大器的输出端相连的迟滞比较器，以及与所述迟滞比较器的输出端相连的输出单元，其特征在于，所述霍尔电压差分放大器包括由两个晶体管组成的差分输入对，偏置所述差分输入对的正比于绝对温度的电流源，以及分别串接在所述差分输入对的每个晶体管上的一与所述霍尔感应片同材料制成的负载电阻。本发明的霍尔开关电路能消除μ_H温度系数的影响，且对工艺没特殊要求也很好的控制。

Description

带温度补偿的霍尔开关电路

技术领域

本发明涉及一种霍尔开关电路，特别涉及一种带温度补偿的霍尔开关电路。

背景技术

霍尔效应的原理为：对一块合适的霍尔材料，如果沿其X方向上通电V_R，Y方向上加磁场B，则Z方向上会出现一个电压V_H，V_H称为霍尔电压，其与磁场B，电压V_R和材料自身的关系为

$V_H={\mathrm{\μ}}_H{\mathrm{BV}}_R\frac{W}{L}\mathrm{\σ}\left(\frac{L}{W}\right)---\left(1\right)$

其中L，W为该霍尔材料的长和宽，

为几何修正因子，μ_H为霍尔迁移率。

半导体是很好的霍尔效应材料，所以，半导体集成霍尔效应传感器被广泛地应用在各种电子设备中。霍尔开关为霍尔传感器中的一种，其原理为：利用集成半导体霍尔片感应外部磁场，输出数字逻辑0或1。其传输特性如图1所示，当外部磁场大于工作点磁场强度B_OP时，输出为0；当外部磁场小于释放点磁场强度B_RP时，输出为1。

常规霍尔开关电路构成模块如图2所示，包括稳压器201，霍尔感应片202，霍尔电压差分放大器203，迟滞比较器204和输出单元205。

设霍尔电压差分放大器的增益为A_V，迟滞比较器的迟滞宽度为V_CO，则有

A_VV_H＝V_CO    (2)

不考虑符号，由式(1)和(2)得到B_OP和B_RP的表达式统一为：

$B=\frac{V_{\mathrm{CO}}}{A_V{\mathrm{\μ}}_H{V}_R\frac{W}{L}\mathrm{\σ}\left(\frac{L}{W}\right)}---\left(3\right)$

式(3)中μ_H随温度的升高而下降，也就是负温度特性，要使B_OP和B_RP有很好的温度稳定性，必需使式(3)中其他的参数有合适的温度系数以抵消μ_H的负温度系数。而

和

这两项几何参数温度系数很小，可忽略，所以只能对V_CO，A_V和V_R中的一项或几项进行温度补偿。

根据上述特点，公开号为CN101290233A的中国专利申请公布了一种温度补偿方法，式(3)中A_V和V_R对温度恒定的条件下，调节V_CO的温度系数以减少μ_H的温度系数的影响，最终减少B_OP和B_RP的温度系数。其电路实现要求一种类型的电阻的温度系数为某一特定值，这就要求工艺需要提供特定温度系数值的电阻，对工艺的要求比较特殊。

公开号为CN101290233的中国专利申请所用的方法是式(3)中V_CO，A_V保持对温度恒定的条件下，调节V_R的温度系数以减少μ_H的温度系数的影响，最终减少B_OP和B_RP的温度系数。其电路实现用一正温度系数的项和一负温度系数的项相加得到另一正温系数的项以减少μ_H的负温度特性的影响。这种方法使得二阶特性比较难以控制；考虑到材料特性的漂移，批量生产后的一致性也难以保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是要克服现有技术的缺陷，提供一种能消除μ_H温度系数的影响，且对工艺没特殊要求也很好控制的带温度补偿的霍尔开关电路。

本发明的一种带温度补偿的霍尔开关电路，包括稳压器，连接在所述稳压器的输出与地线之间的霍尔感应片，两个输入端分别与所述霍尔感应片相连的霍尔电压差分放大器，与所述霍尔电压差分放大器的输出端相连的迟滞比较器，以及与所述迟滞比较器的输出端相连的输出单元，其特征在于，所述霍尔电压差分放大器包括由两个晶体管组成的差分输入对，偏置所述差分输入对的正比于绝对温度的电流源，以及分别串接在所述差分输入对的每个晶体管上的一与所述霍尔感应片同材料制成的负载电阻。

本发明给出的带温度补偿的霍尔开关电路通过使式(3)中V_CO和V_R保持对温度恒定，准确控制霍尔电压差分放大器的增益A_V的温度系数，使其与μ_H的温度系数大小相等，符号相反，二者的温度系数因而相互抵消，得到对温度恒定的B_OP和B_RP。该霍尔电压差分放大器的结构为：以正比于绝对温度的电流来偏置晶体管差分输入对，与霍尔感应片同类型材料的电阻作为差分输入对的负载。此结构的霍尔电压差分放大器的跨导具有对温度恒定的特性，所以，该放大器的增益A_V的温度系数仅与霍尔感应片同类型材料的电阻的温度特性有关，其刚好可完全跟踪μ_H的温度特性(包括二阶特性)，产生理想的抵消效果，并且工艺漂移对一致性影响很小。

附图说明

图1是霍尔开关传输特性示意图。

图2是常规霍尔开关电路原理图。

图3是本发明霍尔开关电路的一个优选实施例的原理图。

图4a-c是图3中的霍尔电压差分放大器的替代优选实施例。

具体实施方式

以下结合附图3-4对本发明作进一步描述：

参照图3，本发明霍尔开关电路包括对温度恒定的稳压器301，连接在稳压器301的输出与地线之间的霍尔感应片302，两个输入端分别与霍尔感应片302相连的霍尔电压差分放大器303，与该霍尔电压差分放大器的输出端相连的迟滞宽度对温度恒定的迟滞比较器304，以及与该迟滞比较器304的输出端相连的输出单元305。该霍尔电压差分放大器由正比于绝对温度(PTAT)的电流源I_PTAT，两个NPN晶体管Q₁和Q₂组成的差分输入对和与霍尔感应片同类型材料的电阻R_EPI1，R_EPI2构成。其中，PTAT电流源I_PTAT连接在两个NPN晶体管Q₁和Q₂的发射极与地线之间以偏置该差分输入对，而与霍尔感应片同类型材料的电阻R_EPI1，R_EPI2作为该差分输入对的负载，分别连接在该NPN晶体管Q₁和Q₂的集电极与稳压器301的输出之间，该NPN晶体管Q₁和Q₂的基极分别连接至霍尔感应片302，迟滞比较器304的两个输入端分别与该NPN晶体管Q₁和Q₂的集电极相连。

式(3)中

V_CO和V_R这四项的温度系数可以忽略，由此得出B_OP和B_RP的温度系数为：

$\frac{1}{B}\frac{\∂B}{\∂T}=-\frac{1}{A_V}\frac{{\∂A}_V}{\∂T}-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_H}\frac{{\∂\mathrm{\μ}}_H}{\∂T}---\left(4\right)$

式(4)中A_V表达式可以写为：

$A_V=G_M{R}_{\mathrm{EPI}}=\frac{I_{\mathrm{PTAT}}}{2V_T}\frac{1}{q{\mathrm{\μ}}_N{N}_{D}t}\frac{L_1}{W_1}---\left(5\right)$

式(5)中R_EPI为与霍尔感应片同类型材料的电阻R_FRI1，R_EPI2的值(二者相等)，V_T为热电势，q为电子电荷，μ_N，N_D，t，L₁，W₁依次为电阻R_EPI1，R_EPI2的电子迁移率，掺杂浓度，厚度，长度，宽度。因I_PTAT和V_T都正比于绝对温度，所以G_M与温度无关，即温度系数为0。常数q温度系数为0，N_D，t，L₁，W₁这四项温度系数都可忽略。所以A_V的温度系数只与μ_N有关，A_V的温度系数为：

$\frac{1}{A_V}\frac{{\∂A}_V}{\∂T}=-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_N}\frac{{\∂\mathrm{\μ}}_N}{\∂T}---\left(6\right)$

由式(6)和式(4)得出B_OP和B_RP的温度系数：

$\frac{1}{B}\frac{\∂B}{\∂T}=\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_N}\frac{{\∂\mathrm{\μ}}_N}{\∂T}-\frac{1}{{\mathrm{\μ}}_H}\frac{{\∂\mathrm{\μ}}_H}{\∂T}---\left(7\right)$

因电阻R_EPI的材料类型和霍尔感应片相同，所以由式(7)得出的B_OP和B_RP的温度系数等于同一材料的电子迁移率的温度系数和霍尔迁移率的温度系数之差，而同一材料的电子迁移率的温度系数和霍尔迁移率的温度系数是相等的，所以B_OP和B_RP的温度系数为零。

图4a-c是图3中霍尔电压差分放大器电路(画虚线框部分)的另外几种实施例。其中，图4a的差分输入对换成由两个PNP晶体管构成；图4b的差分输入对换成由工作在亚阈区的两个PMOS晶体管构成；而图4c的差分输入对换成由工作在亚阈区的两个NMOS晶体管构成。其偏置电流和负载电阻仍为PTAT电流源和与霍尔感应片同类型材料的电阻，其本质都是实现霍尔电压差分放大器的增益的温度系数与μ_H的温度系数大小相等，符号相反的功能。

在图4a中，PTAT电流源连接在两个PNP晶体管的发射极与稳压器的输出之间，而两个负载电阻分别连接在各PNP晶体管的集电极与地线之间，各PNP晶体管的基极分别连接至霍尔感应片，迟滞比较器的两个输入端分别与各PNP晶体管的集电极相连。

在图4b中，PTAT电流源连接在两个PMOS晶体管的源极与稳压器的输出之间，而两个负载电阻分别连接在各PMOS晶体管的漏极与地线之间，各PMOS晶体管的栅极分别连接至霍尔感应片，迟滞比较器的两个输入端分别与各PMOS晶体管的漏极相连。

在图4c中，PTAT电流源连接在两个NMOS晶体管的源极与地线之间，而两个负载电阻分别连接在各NMOS晶体管的漏极与稳压器的输出之间，各NMOS晶体管的栅极分别连接至霍尔感应片，迟滞比较器的两个输入端分别与各NMOS晶体管的漏极相连。

本发明通过PTAT电流偏置差分输入对，实现对温度恒定的G_M，再用与霍尔感应片同类型材料的电阻做差分输入对的负载，由此实现霍尔电压差分放大器的增益的温度系数与霍尔迁移率的温度系数具有大小相等，符号相反的特性，二者相互抵消得到零温的B_OP和B_RP。本发明实际实现简单可控，对工艺无特殊要求，其不存工艺漂移影响一致性的问题。

以上实施例仅用于说明但不限制本发明。在权利要求的范围内本发明还有多种变形和改进。凡是依据本发明的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。

Claims (5)

1.一种带温度补偿的霍尔开关电路，包括稳压器，连接在所述稳压器的输出与地线之间的霍尔感应片，两个输入端分别与所述霍尔感应片相连的霍尔电压差分放大器，与所述霍尔电压差分放大器的输出端相连的迟滞比较器，以及与所述迟滞比较器的输出端相连的输出单元，其特征在于，所述霍尔电压差分放大器包括由两个晶体管组成的差分输入对，偏置所述差分输入对的正比于绝对温度的电流源，以及分别串接在所述差分输入对的每个晶体管上的一与所述霍尔感应片同材料制成的负载电阻。

2.如权利要求1所述的霍尔开关电路，其特征在于，所述差分输入对由两个NPN晶体管组成，所述电流源连接在所述两个NPN晶体管的发射极与地线之间，所述负载电阻分别连接在各NPN晶体管的集电极与所述稳压器的输出之间，各NPN晶体管的基极分别连接至所述霍尔感应片，所述迟滞比较器的两个输入端分别与各NPN晶体管的集电极相连。

3.如权利要求1所述的霍尔开关电路，其特征在于，所述差分输入对由两个PNP晶体管组成，所述电流源连接在所述两个PNP晶体管的发射极与所述稳压器的输出之间，所述负载电阻分别连接在各PNP晶体管的集电极与地线之间，各PNP晶体管的基极分别连接至所述霍尔感应片，所述迟滞比较器的两个输入端分别与各PNP晶体管的集电极相连。

4.如权利要求1所述的霍尔开关电路，其特征在于，所述差分输入对由工作在亚阈区的两个PMOS晶体管组成，所述电流源连接在所述两个PMOS晶体管的源极与所述稳压器的输出之间，而所述负载电阻分别连接在各PMOS晶体管的漏极与地线之间，各PMOS晶体管的栅极分别连接至所述霍尔感应片，所述迟滞比较器的两个输入端分别与各PMOS晶体管的漏极相连。

5.如权利要求1所述的霍尔开关电路，其特征在于，所述差分输入对由工作在亚阈区的两个NMOS晶体管组成，所述电流源连接在所述两个NMOS晶体管的源极与地线之间，所述负载电阻分别连接在各NMOS晶体管的漏极与所述稳压器的输出之间，各NMOS晶体管的栅极分别连接至所述霍尔感应片，所述迟滞比较器的两个输入端分别与各NMOS晶体管的漏极相连。

Images