专利名称：一种片上一体化cmos锁存型霍尔传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种霍尔传感器，特别涉及一种适用于低电压无刷直流电机驱动，有低供压、高灵敏度、低功耗、稳定性好的片上一体化cmos锁存型霍尔传感器。
背景技术：
霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。用它可以检测磁场及其变 化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔传感器以霍尔效应为其工作基础，是由霍尔元 件和它的附属电路组成的集成传感器。霍尔传感器在工业生产、交通运输和日常生活中有 着非常广泛的应用。随着现代电子设备整机正向小型化、多功能、智能化方向发展，要求所 用传感器即使对微小空间内物理量的变化也能够高灵敏度、高速度地做出响应。这种需求 驱动了单一芯片集成传感器、信号调理、功率输出控制的发展趋势。因此，对于霍尔传感器 的要求也越来越高芯片面积的减小，能检测到的霍尔电压也随之减小，对电路的失调、噪 声等因素的消除与控制有很高的要求；低压、高灵敏度电路的设计与实现也有着很大的技 术难度。传统的霍尔传感器电路如说明书附图的图1所示，由霍尔盘、信号处理器、输出和 时钟控制几个部分组成。其中霍尔盘感应磁信号并将其转化为电压信号，信号处理器对得 到的磁信号进行处理，输出由信号处理器的结果控制。霍尔传感器又分为线性霍尔传感器 和开关型霍尔传感器，线性霍尔传感器输出与磁场强度成正比的模拟信号，开关型霍尔传 感器则输出数字信号。开关型霍尔传感器由于不同的需求，又分为2种一般的开关型霍尔 传感器和锁存型霍尔传感器。前者在磁场强度绝对值大于B。n时输出低电平，小于B。ff时输 出高电平；后者控制电流流向，输出曲线如说明书附图的图2所示。对于锁存型霍尔传感器，其主要应用于无刷直流电机的控制等环境，输出结果如 说明书附图的图2所示，其工作过程如下首先，电路给电机线圈通电一定时间，使电机转 子开始转动。当转子转动到磁场强度大于B。n时，霍尔传感器改变转子电流方向，转子磁场 方向随之改变，则转子与定子之间的磁场为互斥状态，转子继续转动，转过180度，转子与 定子之间的磁场为吸引状态，此时磁场强度小于_B。n，霍尔传感器改变电流方向，则转子与 定子之间的磁场又变为互斥状态。如此循环，使得转子持续转动。霍尔传感器的实现与应用已有很多年，但随着移动设备的发展，高集成度、低供电 电压、低功耗是现所需的传感器特点，片上一体化霍尔传感器可以满足上述要求，但也增加 了设计与实现难度。从电机的工作角度来看，霍尔传感器两边的Bon值因尽量关于原点对称，以保证 转子的转速均衡，电机工作稳定。霍尔传感器微型化的需求，霍尔盘尺寸减小、供压降低，产 生的霍尔电压非常弱小，在3V供压、IOOmT磁场下产生的Hall电压只有0.3mv左右。一般 工艺中，3V供压下霍尔盘有7mv的电压失调，运算放大器在则会有IOmv左右的失调，有效地 消除上述失调，是霍尔传感器功能实现的关键。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可抑制电路失调、电压波动大，提高传感 器工作的可靠性和稳定性的一体化cmos锁存型霍尔传感器。为解决上述技术问题，本发明的技术方案是一种片上一体化cmos锁存型霍尔 传感器，包括霍尔盘、信号处理模块、输出模块，霍尔盘的输出端与信号处理模块连接，信号 处理模块的输出端与输出模块连接，其还包括时钟信号与逻辑控制模块和保护模块，保护 模块的输出端与时钟信号与逻辑控制模块连接，时钟信号与逻辑控制模块的输出端与霍尔 盘、信号处理模块、输出模块连接。为了减少电压波动的影响，使电路性能更加稳定可靠，上述霍尔盘的输出信号经运算放大器和比较器，运算放大器的输出端和比较器的输入端连接，在运算放大器的输出 端和比较器的输入端串联有电容。在输出电流较大，且电流在不断翻转的情况下，为了减少对地、电源电压造成的冲 击影响，使器件工作更加稳定，上述输出模块通过H桥驱动电路输出，在H桥驱动电路同侧 的三极管间，三极管分别和电阻连接。本发明的有益效果是(1)电路稳定性高，可靠性好双相关采样失调消除的电容接在仪用放大器输出 端，而不是输出端与地之间，减小了电压波动、时钟信号冲击对于霍尔信号放大的影响，提 高了电路的稳定性和可靠性。用电阻分压作为比较器的基准，减小了比较器本身失调对输 出磁滞曲线的影响，使磁滞曲线对于零磁场强度的对称性好，提高了了电路的可靠性。用使 能信号对芯片进行控制，芯片正常情况下处于休眠状态，减小了功耗的同时，降低了芯片发 热对于自身性能的影响。(2)生产成本低芯片使用CMOS工艺，与类似产品大多使用的BICMOS工艺相比， 生产成本低；减少了三极管的使用，芯片面积相对减小，降低成本。(3)功耗低工作电压低，本产品的工作电压为2. 5V-4V，低电压，功耗小；采用开 关电路对芯片进行控制，不需要工作时关断电路，减小了功耗，延长芯片使用寿命。


下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细的说明。图1是传统的霍尔传感器架构图。图2为霍尔传感器输出-磁场关系图。图3为本发明的机构示意图。图4为旋转电流法消除霍尔盘失调原理图。图5霍尔盘电阻模型图。图6放大器失调消除原理图。图7电阻式反相器。
具体实施例方式如图3所示，一种片上一体化cmos锁存型霍尔传感器，包括霍尔盘、信号处理模 块、输出模块，霍尔盘的输出端与信号处理模块连接，信号处理模块的输出端与输出模块连接，其还包括时钟信号与逻辑控制模块和保护模块，保护模块的输出端与时钟信号与逻辑 控制模块连接，时钟信号与逻辑控制模块的输出端与霍尔盘、信号处理模块、输出模块连 接。霍尔盘提供霍尔电压，信号处理模块对提供的霍尔电压进行失调消除、放大、采 样、比较保持之后，输出给输出模块控制输出电流方向。时钟信号与逻辑控制模块给电路各 部分提供时钟信号和使能控制信号，保护模块对整体电路进行温度、欠压进行保护，在温度 过高、电压过低等不利环境下，关闭霍尔芯片，防止芯片受到损坏。霍尔传感器检测磁场变化的器件是霍尔盘，在集成芯片不断发展中，霍尔盘对尺 寸和精度有很高的要求。由于霍尔盘尺寸的减小和低供压的影响，产生的霍尔电压非常弱 小，在3mT磁场下产生的Hall电压只有0. 3mv左右。在实际情况下，由于工艺、压力等影响， 芯片中的霍尔盘不是理想的对称器件。在一般工艺中，其电阻有的差别。图5所示是霍尔盘的电阻模型图，设B、D两端分别接电源和地，A、C两端是霍尔电 压输出端，Rhi Rh3 = R如果Rh4有的偏差，则可计算出在3V电源电压下，A、C两端有 7mv的电压失调。本发明使用旋转电流法来消除霍尔盘的失调。其工作原理如图4所示，由时钟信 号控制电流方向，CLK为正时，电流在霍尔盘中B流到D，A、C两端输出霍尔电压Vhl-Vh2 = VH+Vol = Vclk (1)CLK为负时，电流从C流到A，B、D两端输出霍尔电压Vhl-Vh2 = -VH+Vo2 = V_clk (2)(1)与(2)做差Vclk-V_clk = 2VH+(Vol-Vo2) (3)其中，VH为产生的霍尔电压，Vhl、Vh2为霍尔盘的输出电压，Vol与Vo2分别为CLK 为正与CLK为负时的霍尔盘失调电压。下面用图4的霍尔盘电阻模型来分析(3)式中(Vol-Vo2)的大小。假设图中电阻 有的差另Ij，取Rm = Rh3 = R，Rh2 = 0. 99R，Rh4 = 1. 01R，可以得到3V供电压下的失调Vol = 3(101/200-0. 5)(4)Vo2 = 3(100/199-100/201)(5)带入⑶式算得(Vol-Vo2)为10_7V数量级，霍尔电压在10_4V数量级，由此，霍尔 盘的失调对霍尔电压的测量不再产生影响。本发明采用双相关采样法消除运放失调，其电路结构如图6所示，运放输入端分 别Vhl与Vh2，Vo为运放的失调，运放放大倍数为A。VI、V2分别为两个电压基准。时钟正半周期，两个CMOS开关打开，Vb = V2, Va = Vl ；此时电容中的电荷量为Cl :Q1 = cl (V4-Vb) C2 :Q2 = c2 (V3_Va)V4-V3 = AVh+Vo时钟负半周期，CMOS开关关断，此时两电容上的电荷量不变，故电容两端电压差保 持不变V4-V3 = -AVh+Vo
Vb-Va = (Vb_V4)+(V4-V3)+(V3_Va)= (-AVh+Vo) + (Vb-Va) + (V3-V4)= (V2-V1) + (-2AVH)(6)从(6)式中看出，在时钟的负半周期，比较器输入端电压差已经消除了运放的失 调。该方法类似于差动放大器，霍尔信号为差模信号，失调电压为共模信号。一般的霍尔器件，两个电容接在输出端与地之间，受到电压波动影响较大，本发明 霍尔盘的输出信号经运算放大器和比较器，运算放大器的输出端和比较器的输入端连接， 在运算放大器的输出端和比较器的输入端串联有电容，将其串联在运放输出端与比较器输 入端，减小了电压波动的影响，使电路性能更加稳定可靠。为了稳定输出，防止噪声造成的不必要的输出跳转，霍尔传感器输出需要有一定 的磁滞功能，其实现是用反馈式比较器。(6)式中的V2-V1就是反馈比较器的基准，通过调节其大小，可以调节磁滞曲线的 宽度。通过比较器输出，反馈控制V2-V1的大小，来完成磁滞曲线，稳定输出。芯片的输出电流较大，在不断翻转的情况下，对地、电源电压造成一定程度的冲击 影响，使器件工作不稳定。本发明在输出驱动反相器中加入了电阻，输出模块通过H桥驱动 电路输出，如图7所示，H桥驱动电路同侧的三极管间，三极管分别和电阻连，减缓芯片电流 翻转对器件造成的电压冲击，使器件工作更加稳定可靠。本发明的信号采样、失调消除和反馈比较电路能有效的消除因工艺、压力等外因 造成的电路失调，对电压变化等因素的影响有较强的抵制作用，使得片上一体化霍尔传感 器工作的可靠性和稳定性提高，并且减小了芯片面积、成本，有较好的市场应用范围。上述实施例不以任何方式限制本发明，凡是采用等同替换或等效变换的方式获得的技术方案均落在本发明的保护范围内。
权利要求
一种片上一体化cmos锁存型霍尔传感器，包括霍尔盘、信号处理模块、输出模块，霍尔盘的输出端与信号处理模块连接，信号处理模块的输出端与输出模块连接，其特征在于还包括时钟信号与逻辑控制模块和保护模块，保护模块的输出端与时钟信号与逻辑控制模块连接，时钟信号与逻辑控制模块的输出端与霍尔盘、信号处理模块、输出模块连接。
2.根据权利要求1所述的一种片上一体化cmos锁存型霍尔传感器，其特征在于所述 霍尔盘的输出信号经运算放大器和比较器，运算放大器的输出端和比较器的输入端连接， 在运算放大器的输出端和比较器的输入端串联有电容。
3.根据权利要求1所述的一种片上一体化cmos锁存型霍尔传感器，其特征在于所述 输出模块通过H桥驱动电路输出，在H桥驱动电路同侧的三极管间，三极管分别和电阻连 接。
全文摘要
本发明公开了一种片上一体化cmos锁存型霍尔传感器，包括霍尔盘、信号处理模块、输出模块，霍尔盘的输出端与信号处理模块连接，信号处理模块的输出端与输出模块连接，其还包括时钟信号与逻辑控制模块和保护模块，保护模块的输出端与时钟信号与逻辑控制模块连接，时钟信号与逻辑控制模块的输出端与霍尔盘、信号处理模块、输出模块连接；霍尔盘提供霍尔电压，信号处理模块对霍尔电压进行失调消除、放大、采样、比较保持，时钟信号与逻辑控制模块给电路各部分提供时钟信号和使能控制信号，保护模块对电路进行温度、欠压保护；本发明电路减小电压波动、时钟信号冲击对于霍尔信号放大的影响，提高了电路的稳定性和可靠性。
文档编号G01R33/07GK101833073SQ20101017496
公开日2010年9月15日 申请日期2010年5月18日 优先权日2010年5月18日
发明者何书专, 周松明, 李丽, 汪磊, 潘红兵 申请人:苏州和迈微电子技术有限公司