專利名稱：帶自動(dòng)補(bǔ)償?shù)幕魻杺鞲衅鞯闹谱鞣椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一個(gè)帶有補(bǔ)償?shù)膯纹苫魻杺鞲衅?。這個(gè)霍爾傳感器包括一個(gè)用于提供工作電流的電源供應(yīng)裝置，本發(fā)明還涉及一種自動(dòng)補(bǔ)償霍爾元件生產(chǎn)引起靈敏度(Production-inducedsensiticity)和帶有和不帶有磁帶開關(guān)裝置的霍爾元件的溫度函數(shù)的一種方法。
單片集成霍爾傳感器是市場(chǎng)上買得到的，它除用了測(cè)量磁場(chǎng)外，還越來越多地用于實(shí)現(xiàn)無觸點(diǎn)開關(guān)的領(lǐng)域。這些領(lǐng)域包括，例如，汽車轉(zhuǎn)速計(jì)或傳動(dòng)中的旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量領(lǐng)域。在這種開關(guān)的應(yīng)用中，單向或交變磁場(chǎng)的方向和量值就是通過霍爾電壓來確定的，并且當(dāng)超出一定的閾值時(shí)，一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖就會(huì)被釋放出來。由晶體管開路集電極構(gòu)成的電子開關(guān)在多數(shù)情況下都是集成電路的一部分，因此亦可成為霍爾元件的一部分。在開關(guān)應(yīng)用中，霍爾傳感器一般包括放大傳感元件或緩沖放大器，有磁滯的施密特觸發(fā)器級(jí)和電流和/或電壓供應(yīng)裝置。目前熟知的霍爾傳感器的缺點(diǎn)是生產(chǎn)變化在靈敏度上的補(bǔ)償和霍爾元件的溫度函數(shù)的補(bǔ)償必須在芯片制造當(dāng)中由單獨(dú)的調(diào)節(jié)步驟來完成。
因此，本發(fā)明的目的就是提供一個(gè)補(bǔ)償霍爾傳感器的電路和以該電路為基礎(chǔ)的一種方法，這種方法能在靈敏度方面對(duì)技術(shù)工藝和溫度引起的變化自動(dòng)補(bǔ)償，而不需要單獨(dú)的調(diào)節(jié)步驟。
本發(fā)明提供的優(yōu)點(diǎn)實(shí)質(zhì)上在于排除了對(duì)單獨(dú)調(diào)節(jié)的需要，這樣，更簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件制造技術(shù)就可以得到應(yīng)用。另外，由于其它所需要的必不可少的調(diào)節(jié)接觸的區(qū)域減少，從而使所需要的芯片區(qū)域減少，自動(dòng)補(bǔ)償既可以在測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域的線性霍爾傳感器方面得到應(yīng)用，又可以在具有開關(guān)功能的霍爾傳感器方面得到應(yīng)用。例如，它可以包括一個(gè)磁帶開關(guān)功能。也可以在一定的限度范圍內(nèi)預(yù)置霍爾傳感器的溫度函數(shù)。由于自動(dòng)補(bǔ)償僅由有關(guān)半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)工藝參數(shù)跟蹤來控制，這些參數(shù)的非線性影響也極大地得到了補(bǔ)償。
本發(fā)明的一個(gè)基本設(shè)想就是霍爾元件的工作電流是由半導(dǎo)體芯片上的電流供應(yīng)裝置產(chǎn)生的，即用熱和工藝技術(shù)的方法將該裝置耦合到霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域?；魻栯妷?＝uh)取決于霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域的技術(shù)參數(shù)，絕對(duì)度(＝T)和參考溫度(＝T0)，具體關(guān)系如下(1)uh(T)＝μH(T)×R(T)×iv(T)×B，這里μH＝與溫度和材料相關(guān)的霍爾遷移率(1.1)μH(T)＝μ(T0)×1/(1+a×△T)△T＝T-T0＝參考溫度差R(T)＝霍爾元件的歐姆電阻R(T)＝R(T0)×(1+a×△T)iv(T)＝霍爾元件的供應(yīng)電流B＝磁感應(yīng)a＝在參考溫度時(shí)霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域表層電阻率(＝r′)的溫度系數(shù)霍爾電壓的溫度和工藝技術(shù)函數(shù)是通過將個(gè)別的函數(shù)關(guān)系替換到公式(1)中得來的。技術(shù)相關(guān)因子(1+a×△T)除去了，因而如果磁感B與溫度無關(guān)的話，使得只有供應(yīng)電流iv(T)的溫度函數(shù)才能進(jìn)入霍爾電壓中。
(2)μh(T)＝比例因子×iv(T)公式(2)表示，霍爾電壓的溫度函數(shù)緊密地與供應(yīng)電流的溫度函數(shù)相關(guān)聯(lián)。當(dāng)然，如果供應(yīng)電流的溫度函數(shù)被調(diào)節(jié)到0的話，霍爾電壓將顯示沒有溫度函數(shù)，這一點(diǎn)是特別令人感興趣的。
如果一個(gè)補(bǔ)償電壓(＝μj)通過霍爾元件檢測(cè)輸入端上的補(bǔ)償電流(j)而疊加在霍爾電壓uh上，那么這個(gè)補(bǔ)償電壓值為(3)uj(T)＝j(luò)(T)×rh(T)這里rh＝霍爾元件的等效電阻于是，(4)uj(T)＝j(luò)(T)×rh(T0)×(1+a×△T)因此，為使參考溫度T0下的補(bǔ)償電壓溫度函數(shù)到零點(diǎn)，補(bǔ)償電流必須滿足下列條件(5)j(T)＝j(luò)(T0)×1/(1+a×△T)為了跟蹤霍爾電壓和補(bǔ)償電壓溫度函數(shù)，尤其在零調(diào)整期間，由公式(2)和(5)而來的下述條件必須滿足(6)△iv(T)/△j(T)＝1+a×△T公式(6)把霍爾元件工作電流的溫度函數(shù)比率與霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域的表層電阻(＝r′)的溫度函數(shù)結(jié)合起來，由因子(1+a×△T)來限定。這樣，根據(jù)公式(6)，工作電流溫度函數(shù)的絕對(duì)值對(duì)工作電流iv和j的每一個(gè)來講，都是可以任意預(yù)置的。由于公式(6)應(yīng)用于任何參考溫度T0和整個(gè)的工作溫度范圍，這就為不同電路變形的溫度補(bǔ)償提供了一個(gè)極好的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明還進(jìn)一步確認(rèn)，通過形成具有不同溫度函數(shù)的電流的和或差具有其它函數(shù)的電流就能形成。不同的溫度函數(shù)越大，這種方法的可重復(fù)性就越好。根據(jù)本發(fā)明，用于至少兩個(gè)具有不同溫度函數(shù)的輔助電流的電源供應(yīng)裝置集成在霍爾傳感器上。假設(shè)相應(yīng)溫度是近似于線性的，相對(duì)斜率就決定于參考溫度T0，例如333開爾文度。相對(duì)的斜率作為一個(gè)正或負(fù)的ppm值(ppm＝百萬分之一)是有利于結(jié)出的。通過加或減相應(yīng)的ppm值，能夠很容易地確定相關(guān)聯(lián)的部分和在相應(yīng)的參考溫度T0的輔助電流的加權(quán)因子，這就產(chǎn)生了在參考溫度T0下具有所期望的溫度系數(shù)的新電流。在不知道參考溫度T0以外的確切溫度函數(shù)的情況下，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)使溫度調(diào)整多么好是不能確定的，而溫度近似值可能或多或少地好一些。
下面的簡(jiǎn)單例子是說明根據(jù)等值的兩個(gè)輔助電流I1，I2確定加權(quán)因子的。I1有一個(gè)+5000ppm的溫度函數(shù)，I2有一個(gè)-2000ppm的溫度函數(shù)，通過I2的加權(quán)因子2.5相加;就得到了總電流，總電流的溫度函數(shù)是0ppm，即表明至少在參考溫度下沒有溫度函數(shù)。I1+2.5×I2給出簡(jiǎn)單的ppm計(jì)算表示法5000ppm+(-2.5×2000ppm)＝0ppm用I2的加權(quán)因子2相減，給出一個(gè)差分電流I1-2×I2，這個(gè)差分電流在參考點(diǎn)上的溫度有下列的簡(jiǎn)單ppm計(jì)算表示法表示的值5000ppm-(-2×2000ppm)＝9000ppm為了電流可足夠地產(chǎn)生以及可容許通過ppm表明的加權(quán)因子簡(jiǎn)單計(jì)算，差分電流大約應(yīng)該是單一電流I1或I2的數(shù)量級(jí)。具有不同溫度函數(shù)的電流產(chǎn)生將參考具體實(shí)施例解釋。
根據(jù)公式(6)，自動(dòng)地補(bǔ)償磁滯開關(guān)靈敏度，根據(jù)供應(yīng)電流iv(T)所具有的那一種函數(shù)，即可有利地實(shí)現(xiàn)。下面要考慮的是假設(shè)霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域的表層電阻率r′作為供應(yīng)電流iv和補(bǔ)償電流j大小的共同因子。
第一例子如果iv(T)是一個(gè)恒定的量，并且與溫度無關(guān)，那么uh(T)也是一個(gè)恒定的量，但補(bǔ)償電流j(T)的溫度函數(shù)必須遵循下列條件(7)j(T)＝j(luò)(T0)/(1+a×△T)

圖1表示上述的一個(gè)最佳實(shí)施例。
第二個(gè)例子如果霍爾元件的電源由供應(yīng)電壓VDD直接提供，這樣，由于供應(yīng)電流iv和霍爾靈敏度在那時(shí)都是最大的，另一種有利的工作模式就會(huì)得到。在該情況下，供應(yīng)電壓VDD的相應(yīng)值和供應(yīng)電壓的通常溫度函數(shù)VDD(T)，以及霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域的溫度函數(shù)進(jìn)入供應(yīng)電流iv的量值，這樣，供應(yīng)電流iv(T)就由下列公式來決定。公式中VDD表示一個(gè)固定的供電電壓參考值或一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值(8)iv(T，VDD)＝iv(T0)×(VDD/VDD0)/(1+a×△T)根據(jù)公式(6)補(bǔ)償電流j(T)也必須取決于供應(yīng)電壓VDD。但是，霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域的溫度函數(shù)則必須進(jìn)入具有因子1/(1+a×△T)2的補(bǔ)償電流的量值中。這樣，下面的有條件的公式得出了補(bǔ)償電流j(T)
(9)j(T，VDD)＝j(luò)(T0)×(VDD/VDD0)/(1+a×△T)2所期望的溫度函數(shù)是通過第二個(gè)電流分量ik2乘以第一電流分量ik2來取得，其中ik1與1/(1+a×△T)成比例，ik2與(VDD/VDD0)/(1+a×△T)成比例。這樣，ik1×ik2＝j(luò)自然與(VDD/VDD0)/(1+a×△T)2成比例。由于電流相乘，具有零溫度系數(shù)的第3電流分量ik3就需要作為一個(gè)參考電流。第二個(gè)例子的最佳實(shí)施例如圖2所示。
第三個(gè)例子，在一個(gè)更有利的工作模式中，霍爾元件的供應(yīng)電壓是由一個(gè)溫度穩(wěn)定的霍爾元件供應(yīng)電壓(＝V)提供，而不是由那個(gè)未校準(zhǔn)的供應(yīng)電壓VDD提供。然后，就僅僅需要電流分量ik1的平方而不是需要ik1和ik2這兩個(gè)不同電流分量的相乘。具有零溫度系數(shù)的參考電流ik3仍然需要。補(bǔ)償電流j(T)由下列公式得出(10)j(T)＝j(luò)(T0)/(1+a×△T)2如果a×△T遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，那么平方因子1/(1+a×△T)2就可以近似地由因子1/(1+2×a×△T)代替，這樣就可能使設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)單化，這又是通過帶有不同溫度特性的電流的加或減來實(shí)現(xiàn)的。順便說一下，上述情況適用于公式(8)和(9)中的平方因子。第三個(gè)例子中的最佳實(shí)施例如圖3所示。
本發(fā)明和其它優(yōu)點(diǎn)將通過參考各自的附圖來詳細(xì)地解釋，其中圖1是帶有磁滯開關(guān)裝置的霍爾傳感器的第一最佳實(shí)施例的方框圖;
圖2是第二個(gè)最佳實(shí)施例的方框圖，該裝置中的霍爾元件是由供應(yīng)電壓VDD直接供電;
圖3是利用一個(gè)溫度穩(wěn)定霍爾元件供應(yīng)電壓V的第三個(gè)最佳實(shí)施例的方框圖。
圖1所示的是帶有磁滯開關(guān)裝置的霍爾傳感器的第一個(gè)實(shí)施例。這是一個(gè)自補(bǔ)償?shù)幕魻杺鞲衅?，這個(gè)霍爾傳感器是通過使用單片集成電路技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，在這個(gè)傳感器中，提供工作電流的所有電源供應(yīng)裝置都被集成在芯片表面Ob上。該霍爾傳感器設(shè)計(jì)為三端裝置，即僅僅需要電源供應(yīng)電壓端VDD，接地端M，和一個(gè)低阻抗的輸出端K，這個(gè)輸出端提供霍爾傳感器的輸出信號(hào)。
圖1的具體裝置包括一個(gè)磁滯開關(guān)裝置hs，hs將補(bǔ)償電壓uj疊加在霍爾電壓uh上，以引起與霍爾元件h的檢測(cè)輸入2和4相連接的比較器K的限定的開關(guān)?；魻栐可以簡(jiǎn)單地描述為，它由兩個(gè)并聯(lián)的霍爾元件與晶體晶格網(wǎng)絡(luò)成90°角放置，并且相對(duì)晶體邊緣成45°角的方向。
為允許霍爾元件被用作一個(gè)斷續(xù)開關(guān)，使補(bǔ)償電壓uj被交替開關(guān)，開關(guān)動(dòng)作由比較器K各自的狀態(tài)而產(chǎn)生。為了這個(gè)目的，比較器K的輸出連接到控制器st?？刂破鱯t又決定著電子轉(zhuǎn)換開關(guān)s的相應(yīng)位置。根據(jù)后者的位置，補(bǔ)償電流j被通過檢測(cè)輸入2或4輸送到霍爾元件h。這個(gè)補(bǔ)償電流j通過檢測(cè)端2或4與接地端3之間的霍爾元件等效電阻rh產(chǎn)生補(bǔ)償電壓uj。
對(duì)測(cè)量磁場(chǎng)的量而言，磁滯開關(guān)裝置hs是不必要的。比較器K由一個(gè)高阻抗淺線性傳感裝置來代替，這個(gè)裝置檢測(cè)霍爾電壓uh，并且可以在低阻抗的輸出端K得到一個(gè)相應(yīng)的電壓值。
補(bǔ)償電流j的疊加不必在霍爾元件h上直接發(fā)生，但可能受去耦疊加裝置f的影響，這個(gè)附電路的細(xì)節(jié)如圖1所示。去耦網(wǎng)絡(luò)由兩個(gè)并聯(lián)的晶體管組成，其增益利用等值的輔助電阻ra、ra′調(diào)整到相同值。連接到控制器端子2′，4′的是比較器K，在這里，補(bǔ)償電流j被注入?；鶚O2，4和集電極2′，4′都被連接在霍爾元件h和電子轉(zhuǎn)換開關(guān)s的類似的各端。上述去耦疊加裝置f僅是示范的。其它具體實(shí)例，包括使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管的具體裝置，都能夠由本領(lǐng)域技術(shù)人員實(shí)現(xiàn)。補(bǔ)償電流j或它的一部分，也可以對(duì)稱地疊加在霍爾電壓uh上，而不需要磁滯開關(guān)裝置hs。
這里清楚地指出，這些實(shí)施例適合由用雙極型管和場(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)或者二者混合的技術(shù)單片集成。各自電路參數(shù)的匹配和各自電路組件最適合的設(shè)計(jì)都是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。
霍爾元件的工作電流，也就是供應(yīng)電流iv和補(bǔ)償電流j，都產(chǎn)生于集成在芯片表面Ob上的電源供應(yīng)裝置。這使工作電流能熱地工藝技術(shù)上地耦合到霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域和其相應(yīng)的工作溫度T的產(chǎn)生偏差上。為了這個(gè)目的，電源供應(yīng)裝置包括了一個(gè)具有第一溫度函數(shù)的用于第一輔助電流i1的第1電流源q1，以及具有第2溫度函數(shù)的用于第2輔助電流i2的第2第流源q2。第1和第2電流源q1和q2包括至少1個(gè)第1電阻r1和1個(gè)第2電阻r2，第1、第2電流源的半導(dǎo)體區(qū)域在技術(shù)工藝上與霍爾元件h的半導(dǎo)體區(qū)域是相同的。例如，第1電流源q1包括一個(gè)帶有1個(gè)晶體管對(duì)t1、t2的帶隙電路，這個(gè)晶體管對(duì)的發(fā)射區(qū)比率有這樣的值A(chǔ)，例如A＝14決定第1輔助電流i1的第1電阻r1由一個(gè)24千歐姆的電阻與一個(gè)207千歐姆的電阻串聯(lián)構(gòu)成。
眾所周知，帶隙電路的工作事實(shí)上主要是晶體管對(duì)t1、t2的等發(fā)射電流是由調(diào)整電路調(diào)整到這樣一個(gè)值，即基極-發(fā)射極電壓差，該差值是由發(fā)射區(qū)系數(shù)A引起的，它與包含在電壓比較中的r1的電阻的電壓降相等值。這個(gè)電壓比較是由第一控制器g1完成的，這個(gè)放大器的輸入被連接到第1晶體管t1的發(fā)射極和第1電阻r1的電壓分配器的抽頭上。
這個(gè)第1控制放大器g1的輸出被耦合到控制電流組的控制輸入上，這個(gè)控制電流組通過不同的變換比產(chǎn)生了一個(gè)第1電流變換器b1。根據(jù)上面給出的電阻值，帶隙電路bg提供給每一個(gè)晶體管t1，t2517微安的發(fā)射極電流，-這就是第1輔助電流i1。
如圖1表示的帶隙電路的實(shí)施例只是一個(gè)例子，而且這個(gè)例子由于使用了場(chǎng)效應(yīng)管技術(shù)而有很合適的優(yōu)點(diǎn)晶體管對(duì)t1，t2由基片晶體管組成，這種晶體管可以非常容易地用CMOS工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
帶隙電路bg的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，它附加地提供了一個(gè)溫度穩(wěn)定的帶隙電壓Vr，這個(gè)電壓是作為第2電流源q2的參考電壓。在最簡(jiǎn)單的情況下，第2電流源q2僅僅包括一個(gè)第2電阻r2，這個(gè)電阻在工藝技術(shù)上與霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域的電阻相同，以及還有一個(gè)比較第2電阻兩端電壓與帶隙電壓Vr的第2控制放大器g2。通過第2電阻r2的電流，即第2電流i2由由第2控制電流組，第2電流變換器b2調(diào)整的，直到第2電阻r2兩端電壓與帶隙電壓相等。于是，第2電流源q2起著電壓-電流變換器ui的作用。
第1輔助電流i1的溫度函數(shù)是由帶隙電路bg根據(jù)下式?jīng)Q定的(11)i1(T)＝i1(T0)×(T/T0)/(1+a×△T)由于溫度穩(wěn)定帶隙電壓Vr的原因，第2輔助電流i2的溫度函數(shù)是(12)i2(T)＝i2(T0)/(1+a×△T)如電壓-電流變換器Ui的參考電壓Vr不是與溫度無關(guān)而取決于溫度系數(shù)b(＝第2系數(shù))，這個(gè)溫度函數(shù)將不得不作為一個(gè)附加因子1+b×△T，合并到條件等式(12)中去。即(13)i2(T)＝i2(T0)×(1+b×△T)/(1+a×△T)例如，參考電壓Vr與工藝技術(shù)有關(guān)的溫度函數(shù)，可以通過從一個(gè)或更多的基極-發(fā)射極路徑的溫度函數(shù)中得出來實(shí)現(xiàn)。這可以在一個(gè)合適的附加帶隙電路中實(shí)現(xiàn)。
為說明圖1中的實(shí)施例，下面給出一個(gè)具體示范值。溫度穩(wěn)定帶隙電壓Vr為1.2V，電阻r2為39千歐姆，第2輔助電流i2為21微安。利用CMOS技術(shù)，從n-well的表面電阻率r′即可推出霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域的溫度系數(shù)a為+6220ppm，這里相應(yīng)地給出了第1、第2輔助電流i1、i2的溫度系數(shù)在參考溫度T0為333開爾文度時(shí)為-2887ppm和-6220ppm。
圖1的實(shí)施例是在這樣一個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，即霍爾電壓uh(T)是與溫度無關(guān)的，根據(jù)公式(2)，要求供應(yīng)電壓iv(T)也是與溫度無關(guān)的。第1和第2電流變換器b1和b2分別傳輸?shù)?和第2分量電流i11、i12，…和i21，i22，相對(duì)于第1、第2輔助電流i1和i2其具有固定的變換比C11，C12…和C21C22，…，通過這種布置，即可實(shí)現(xiàn)所顯示的實(shí)施例。通過在加法減法裝置中加/減第1、第2分量電流，具有所期望的溫度函數(shù)的工作電流ui和j便產(chǎn)生了，這些都是通過加權(quán)因子C11，C12…產(chǎn)生的固定的分量電流比而調(diào)整確定的。加法/減法裝置是由節(jié)點(diǎn)K1，K2，…形成的，各自的分量電流被提供到這些節(jié)點(diǎn)。
為了電流相加，來自兩個(gè)電流變換器b1，b2的兩個(gè)分量電流被直接供應(yīng)到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)，對(duì)于電流相減，一個(gè)分量電流的流動(dòng)方向通過電流鏡P在這個(gè)電流輸入相關(guān)節(jié)點(diǎn)之前被反向。在電流相加過程中，正確標(biāo)符號(hào)的ppm值針對(duì)參考溫度相加，而在電流相減過程中，由于分量電流依靠電流鏡P改變方向。ppm值在相加之前符號(hào)已相反。
在這種方式下，與溫度無關(guān)的供應(yīng)電源iv可以由兩個(gè)分量電流構(gòu)成，形成的電流必需通過一個(gè)合適的變換比而被高倍放大，這是因?yàn)榛魻栐墓?yīng)電流是7毫安。因此，可以在圖1的實(shí)施例中采用不同的方法通過控制放大器r產(chǎn)生供應(yīng)電流，這個(gè)控制放大器調(diào)整供應(yīng)電流iv，直到霍爾h的檢測(cè)輸入2處的電壓等于參考電壓UV。這個(gè)控制是依靠一個(gè)第3控制器q3完成的，這個(gè)第3控制器的輸出是被耦合到P-溝道晶體管的柵極，這個(gè)柵極被連接到供應(yīng)電壓VDD到霍爾元件供應(yīng)端之間的電流控制元件上。參考電壓UV是由一個(gè)第3電阻r3形成的，這個(gè)電阻在工藝技術(shù)上與霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域是等效的，并被提供一個(gè)來自第1節(jié)點(diǎn)K1的與溫度無關(guān)的電流iv的因?yàn)閕11＝45微安，并且i21＝21微安，所以這個(gè)實(shí)施例中iv1＝24微安。加權(quán)因子C11，C27……是通過各自分量電流i11，i21，…的大小而確定的。
由于兩個(gè)電流源q1，q2的特定的耦合，第2電流變換器b2的輸出電流具有根據(jù)公式(7)的補(bǔ)償電流j(T)的溫度函數(shù)。因此，補(bǔ)償電流j就帶有來自電流鏡P的輸出的加權(quán)因子C23，電流鏡P的輸入由第2電流變換器b2的第2輔助電流i2提供。這里假設(shè)輸入到電流鏡的電流是21微安，并且加權(quán)因子C23對(duì)應(yīng)于0.74微安的電流。這樣，供應(yīng)電流iv大約比補(bǔ)償電流j大10000倍。
圖1的實(shí)施例表明來自通過第2節(jié)點(diǎn)K2的電流鏡P的點(diǎn)線，如果有必要，通過節(jié)點(diǎn)K2帶有加權(quán)因子C22的恒定的補(bǔ)償電流被注入霍爾元件h的檢測(cè)輸入2，這里產(chǎn)生了霍爾電壓uh的不平衡漂移。
來自帶有加權(quán)因子C24的第1、第2電流變換器b1，b2的虛線將說明在其它的ppm值，補(bǔ)償電流j可通過第3節(jié)點(diǎn)K3由不同加權(quán)的分量電流形成。
最后，一個(gè)點(diǎn)劃線說明第1電流變換器b1的進(jìn)一步輸出，第1電流變換器的加權(quán)因子C13與第4節(jié)點(diǎn)K4相連接，該節(jié)點(diǎn)也被提供來自電流鏡P的加權(quán)因子C22。這個(gè)點(diǎn)劃線將示意地說明，通過確定加權(quán)因子的最佳值，既使非線性影響也可以在電流的加/減中加以考慮，就為高級(jí)別的影響提供了進(jìn)一步的補(bǔ)償能力。除了在參考溫度T0的斜率以外，在整個(gè)溫度范圍中的分量電流的特性曲線都可以被考慮進(jìn)去，結(jié)果平均來說，補(bǔ)償?shù)玫礁纳?。由?yōu)選確定的加權(quán)因子不同于僅僅考慮參考溫度T0的加權(quán)因子。但方程(6)中的條件不能打破。
在圖2和圖3的實(shí)施例中，在電源供應(yīng)裝置和磁滯開關(guān)裝置區(qū)域處所示的功能單元是與圖1中所示的那些有部分的相同。因此，這些功能單元由相同的標(biāo)號(hào)指明，并且不再描述。不象圖1的那樣，圖2中霍爾元件h直接與電源供應(yīng)電壓VDD相連接，結(jié)果供應(yīng)電流iv僅受霍爾元件的歐姆電阻R限制。這就在預(yù)定的供應(yīng)電壓VDD下提供了最大的磁場(chǎng)靈敏度。
補(bǔ)償電流j(T)的條件根據(jù)公式(9)得出。重要的是溫度和材料特性因子1+a×△T的平方成為公式(9)的一部分。在圖2的實(shí)施例中，這是在乘法器m中通過乘以第1和第2電流分量ik1ik2實(shí)現(xiàn)的。第1電流分量ik1是從第2輔助電流i2中得出的。輔助電流i2的溫度函數(shù)由公式(12)給出。第2電流分量ik2必須與電源供應(yīng)電壓VDD和有關(guān)霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域表層電阻率r1的倒數(shù)成比例。第2電流分量ik2的附條件公式因此為(14)ik2(T，VDD)＝ik2(T0)×(VDD/VDD0/(1+a×△T))第2電流分量ik2是通過第3電流源q3形成的，這個(gè)電流源包括一個(gè)電流調(diào)節(jié)電阻r4，這個(gè)電阻的半導(dǎo)體區(qū)域在技術(shù)工藝上與霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域是相同的。通過這個(gè)電阻r4，供應(yīng)電壓VDD或者它的成比例的一部分將下降，這樣，一個(gè)預(yù)先期望的函數(shù)得到了。因?yàn)殡娮鑢4和PNP電流鏡的基極-發(fā)射極路徑的串聯(lián)的緣故，圖3所示的第3電流源僅僅近似地滿足了這個(gè)要求。這個(gè)更精確但更昂貴的電路是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟悉的，大部分情況下，它們都被作成控制級(jí)。
乘法器m的輸出送出具有根據(jù)公式(9)的所期望的溫度函數(shù)的補(bǔ)償電流j。
當(dāng)制作實(shí)現(xiàn)乘法器m時(shí)，必須區(qū)別使用雙極型管技術(shù)工藝或者場(chǎng)效應(yīng)管獨(dú)術(shù)，特別是CMOS技術(shù)制造。用雙極型管技術(shù)時(shí)，基極-發(fā)射極電壓與發(fā)射極或集電極電流是指數(shù)函數(shù)關(guān)系，當(dāng)用場(chǎng)效應(yīng)晶體管技術(shù)時(shí)，其柵-源電壓和漏電流之間是平方律的關(guān)系。用這兩種方法乘法器m的參考電流輸入br仍然由第3電流分量ik3供應(yīng)，這個(gè)電流分量ik3一定是與溫度無關(guān)的。通過兩個(gè)分量電流加權(quán)的加/減，這個(gè)第3分量電流ik3通過如圖2中所示的第5節(jié)點(diǎn)K5產(chǎn)生。這個(gè)與溫度無關(guān)的電流，就是圖1的實(shí)例中的與溫度無關(guān)的電流ik1。更詳細(xì)的解釋就不必要了。
例如用CMOS技術(shù)制成的乘法器m在“IEEE固態(tài)電路雜志”1987年6月3日第SC-22卷第357至365頁，一篇題為“基于飽和MOS晶體管的平方定律特性模擬CMOS電路的一類”的文章中被描述過。再例如一個(gè)用雙相型管技術(shù)制作的乘法器在U.Tietze和Ch.Schenk所著的“高級(jí)電子電路”一書(Springer-Verlag 1978年版)的1.8.2章的36到37頁上的“具有對(duì)數(shù)功能網(wǎng)絡(luò)的乘法器”一文中也描述過。在該文給出的例子中的圖1.39中示意利用參考電壓U2對(duì)兩個(gè)模擬電壓值Ux和Uy相乘。通過忽略輸入電阻R1、R2、R2′，電路用一個(gè)簡(jiǎn)單的方式為輸入電流轉(zhuǎn)換。更進(jìn)一步地，電流輸出一定由利用電壓、電流轉(zhuǎn)換器由電壓輸出U0而形成的。
圖3所示的實(shí)施例與圖2的實(shí)施例的不同之處僅僅在于霍爾元件h的供應(yīng)端1不是連接未調(diào)整的電源供應(yīng)電壓VDD，而連接溫度穩(wěn)定霍爾元件供應(yīng)電壓V?；魻栐╇婋妷菏怯蓸?biāo)準(zhǔn)電壓源Vg產(chǎn)生的，而標(biāo)準(zhǔn)電壓源Vg可以構(gòu)成上述舉例的圖2或圖3中的電源供應(yīng)裝置的一部分。最好的解決辦法是帶隙電路Vg，這個(gè)帶隙電路已經(jīng)產(chǎn)生了溫度穩(wěn)定輸出電壓Vr。這個(gè)電壓僅需要用常規(guī)電路方法升高到霍爾元件電源供應(yīng)電壓值，這個(gè)電壓還會(huì)由適合的控制電路進(jìn)行。
在圖1所示的實(shí)施例中，第1，第2電流源q1，q2用這樣一個(gè)方法耦合到一起，這個(gè)方法就是第2輔助電流i2在第2電阻r2上產(chǎn)生一個(gè)與溫度無關(guān)的電壓降。因?yàn)榛魻栐谋韺与娮杪屎偷?電阻r2在技術(shù)工藝上是相同的，第2電流組b2的升高電流通過霍爾元件h的歐姆電阻產(chǎn)生了一個(gè)電壓降，這個(gè)電壓降也是與溫度無關(guān)的。這一實(shí)現(xiàn)過程在圖3所示的實(shí)施例中得以簡(jiǎn)略說明，這里的霍爾元件供應(yīng)端1是從電流變換器b2那里接過來的。
由于溫度穩(wěn)定霍爾元件供應(yīng)電壓V的緣故，電路在乘法器m的區(qū)域得到簡(jiǎn)化，因?yàn)榈?電流分量ik2沒有必要，只需形成第1電流分量ik1，這個(gè)電流分量然后被平方。饋入?yún)⒖茧娏鬏斎隻r的第3電流分量ik2保持不變。第1電流分量ik1的平方是利用平方器mq完成的，這個(gè)平方器是通過上述的乘法器m構(gòu)成的，于是，第1電流分量ik1被送入兩個(gè)乘法輸入端。
電流分量ik1，ik2的平方或相乘，導(dǎo)致在形成的電流j中的平方因子1/(1+a×△T)2。如果a×△T遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1，平方項(xiàng)可近似地由因子1/(1+2×a×△T)代替。然而，具有這樣溫度函數(shù)的電流可由圖1所示的兩個(gè)分量電流的加權(quán)加/減產(chǎn)生。省去了對(duì)相對(duì)復(fù)雜的電流乘積或平方的需要。參見圖3，通過第6節(jié)點(diǎn)K6和虛線電流連接到第1和第2電流變換器b1，b2來實(shí)現(xiàn)。第6節(jié)點(diǎn)的輸出就產(chǎn)生了所需的補(bǔ)償電流。
權(quán)利要求
1.用單片集成電路技術(shù)實(shí)現(xiàn)的包括用于提供工作電流的集成電源供應(yīng)電路裝置的有補(bǔ)償?shù)幕魻杺鞲衅?。其特征在?-電源供應(yīng)裝置包括一個(gè)用于具有第1溫度函數(shù)的第1輔助電流(i1)的第1電源源(q1)和用于具有第2溫度函數(shù)的第2輔助電流(i2)的第2電流源(q2)；--第1、第2電流源(q1，q2)分別包括一個(gè)第1電阻(r1)和第2電阻(r2)，其半導(dǎo)體區(qū)域在技術(shù)工藝上與霍爾元件(h)的半導(dǎo)體區(qū)域相同；--第1電流變換器(b1)和第2電流變換器(b2)分別傳輸?shù)?分量電流(i11，i12…)和第2分量電流(i21，i22…)，其相對(duì)于第1和第2輔助電流(i1，i2)分別具有預(yù)定的傳輸比(c11，c12…；c21，c22…)；以及--加法/減法裝置通過第1、第2分量電流的加/減產(chǎn)生具有所需溫度函數(shù)的工作電流(iv，j)。
2.權(quán)利要求1中的霍爾傳感器，其特征是，檢測(cè)霍爾電壓(uh)的元件(k)被集成在芯片的表面(Ob)。
3.權(quán)利要求2中的霍爾傳感器，其特征在于-工作電流包含一個(gè)供電電流(iv)和一個(gè)補(bǔ)償電流(j);-疊加裝置(hs)利用補(bǔ)償電流(j)把補(bǔ)償電壓(uj)疊加在霍爾電壓(uh)上;-當(dāng)補(bǔ)償電流(j)被注入在技術(shù)工藝上與霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域相同的、至少一個(gè)輔助電阻(ra，ra′)時(shí)，疊加或者在霍爾元件(h)上直接發(fā)生，或者與霍爾元件分離;-補(bǔ)償電源(j)的溫度函數(shù)是通過分電源比而確定的，它與供應(yīng)電流(iv)的溫度函數(shù)有下列關(guān)系△iv(T)/△j(T)＝1+a×△T這里a＝霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域的表層電阻率的溫度系數(shù)＝第一系數(shù)T＝絕對(duì)溫度T0＝參考溫度△T＝T-T0＝參考溫度差
4.權(quán)利要求3的霍爾傳感器，其特征在于-檢測(cè)元件是一個(gè)有兩個(gè)狀態(tài)的比較器(K);-疊加裝置包括一個(gè)磁滯開關(guān)，這個(gè)磁滯開關(guān)通過相應(yīng)的開關(guān)位置決定磁滯電壓(uj)的方向;-磁滯開關(guān)裝置的控制輸入(hs)被連接到比較器(K)的輸出上。
5.權(quán)利要求4的霍爾傳感器，其特征在于-第一電流源(q1)包括一個(gè)帶隙電路(bg)，這個(gè)電路利用具有發(fā)射區(qū)比率A的晶體管對(duì)(t1，t2)和第1電阻(r1)產(chǎn)生具有下列溫度函數(shù)的第1輔助電流(i1)i1(T)＝i1(T0)×(T/T0)/(1+a×△T)-第2電流源(q2)包括第2電阻(r2)，這個(gè)電阻兩端顯示出一個(gè)不同于第1電阻(r1)兩端電壓溫度函數(shù)的電壓(Vr);-第2輔助電流(i2)的溫度函數(shù)是通過如下所示的一個(gè)第2系數(shù)(b)(＝第2電阻(r2)兩端電壓(Vr)的溫度系數(shù))和第一系數(shù)(a)來確定的;i2(T)＝i2(T0)×(1+b×△T)/(1+a×△T)并且-第1和第2電流變換器是一個(gè)第一被控制的電流組(bank)(b1)和第2控制電流組(b2)，這些電流組的輸出傳輸以預(yù)定傳輸比(C11，C12…;C22，…)(＝加權(quán)因子)的分量電流(i11，i12…;i21，i22…)。
6.權(quán)利要求5的霍爾傳感器，其特征是在電阻(r2)兩端的電壓(Vr)為一個(gè)來自帶隙電路(bg)的溫度穩(wěn)定電壓。
7.對(duì)霍爾元件(h)的生產(chǎn)引起的靈敏度和溫度函數(shù)自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，其特征在于下述步驟-霍爾元件(h)要求的工作電流(iv，j)，利用與霍爾元件(h)集成在一個(gè)芯片表面上的電源供應(yīng)裝置，與霍爾元件熱致地、工藝上地、緊密地耦合;-電源供應(yīng)裝置產(chǎn)生了一個(gè)具有第1溫度函數(shù)的第1輔助電流(i1)和一個(gè)不同于第1輔助電流的具有第2溫度函數(shù)的第2輔助電流(i2);霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域的表層電阻率(＝r′)，作為一個(gè)共同的與溫度和技術(shù)工藝有關(guān)的因子r′×(1+a×△T)，決定第1、第2輔助電流(i1，i2)的大小和溫度函數(shù);-通過利用加法/減法裝置(K1，K2…)對(duì)第1、第2輔助電流(i1，i2)均衡地加或減，霍爾元件(h)的工作電流(iv，j)會(huì)隨著由各自的輔助電流部分大小決定的工作電流的溫度函數(shù)而形成。
8.如權(quán)利要求7的方法，該方法的特征是電源供應(yīng)裝置包括電流調(diào)節(jié)電阻(r1，r2)，這兩個(gè)電阻在技術(shù)工藝上與霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域的相等。
9.如權(quán)利要求8中的方法，其特征是霍爾元件的工作電流是由一個(gè)供應(yīng)電流(iv)和一個(gè)補(bǔ)償電流(j)形成的，這兩個(gè)電流溫度函數(shù)關(guān)系如下△iv(7)/△j(T)＝1+a×△T
10.一種在權(quán)利要求8中要求的方法，其特征在于-第1輔助電流(i1)是利用一個(gè)帶隙電路(bg)產(chǎn)生的，第1輔助電流(i1)的大小是由第1電阻(r1)以及一個(gè)具有發(fā)射區(qū)比率為A的晶體管對(duì)(t1，t2)決定的，這個(gè)電阻(r1)與霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域在技術(shù)工藝上相同;-第2輔助電流(i2)是利用第2電阻(r2)形成的，這個(gè)電阻(r2)在技術(shù)工藝上與霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域是相同的，在這個(gè)電阻兩端形成一個(gè)電壓(Vr)，這個(gè)電壓的溫度函數(shù)與第1電阻(r1)兩端電壓的溫度函數(shù)不同。
11.如權(quán)利要求10的方法，其特征是第2電阻(r2)兩端的電壓是來自帶隙電路的溫度穩(wěn)定的電壓。
12.一種在權(quán)利要求9中要求的方法，其特征在于-供應(yīng)電流(iv)被調(diào)整，使得它在操作范圍中的溫度函數(shù)變?yōu)榱恪?補(bǔ)償電流(j)也被調(diào)整，從而使它在操作范圍內(nèi)溫度函數(shù)決定于公式j(luò)(T)＝j(luò)(T0)×1(1+a×△T)。
13.一種在權(quán)利要求7中要求的方法，其特征在于通過自動(dòng)補(bǔ)償，除了在第1和第2輔助電流的成比例的加或減中考慮線性部分外，也考慮溫度系數(shù)的非線性部分，通過成比例地對(duì)第1及第2輔助電流函數(shù)的非線性部分也被減少了，第1和第2輔助電流(i1，i2)的各自部分是由附加的傳輸比(C12，…)決定的，而上述必須得到預(yù)先調(diào)整。
14.對(duì)一個(gè)包括磁滯開關(guān)裝置(hs)的霍爾元件(h)的生產(chǎn)和溫度感應(yīng)磁滯開關(guān)靈敏度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)姆椒?，該方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)-霍爾元件(h)要求的供應(yīng)電流(iv)是由霍爾元件電阻和向那里提供的供應(yīng)電壓(VDD)決定的;-霍爾元件(h)要求的補(bǔ)償電流(j)與通過熱的技術(shù)工藝上地緊密地耦合到霍爾元件上的，而這又是由集成到霍爾元件芯片表面(Ob)上電源供應(yīng)裝置實(shí)現(xiàn)的;-當(dāng)乘法器(m)的參考輸入(br)接收參考溫度(T0)上的溫度函數(shù)是零的第3電源分量(ik3)時(shí)，流入磁滯開關(guān)裝置(hs)的補(bǔ)償電流(j)依靠乘法器(m)由一個(gè)第1和一個(gè)第2電流分量(ik1，ik2)形成;-第1電流分量(ik1)是通過相互作用的第1電流源(q1)和第2電流源(q2)而形成的，因此第1電流分量(ik1)有下列函數(shù)關(guān)系ik1(T)＝ik1(T0)×1/(1+a×△T)這里a＝霍爾元件半導(dǎo)體區(qū)域的溫度函數(shù)(＝第1系數(shù))T＝絕對(duì)溫度T0＝參考溫度△T＝T-T0＝參考溫度差-第2電流分量(ik2)是通過第3電流源(q3)而形成的，因此供應(yīng)電壓(VDD)連同它的絕對(duì)值和它的溫度函數(shù)進(jìn)入第2電流分量(ik2)，如下ik2(T，VDD)＝ik2(T0)×(VDD(VDD0)/(1+a×△T)并且-第3電流分量(ik3)由第5節(jié)點(diǎn)(K5)形成，通過來自第1電流源(q1)的第1輔助電流(i1)和來自第2電流源(q2)的具有另外一個(gè)溫度函數(shù)的第2輔助電流(i2)的按比例的加或減而得到，相應(yīng)的電流部分(＝加權(quán)因子)固定，形成電流(ik3)(等于第3電流分量)顯示，至少在參考溫度(T0)下不取決于溫度。
15.權(quán)利要求14中要求的方法，其特征如下當(dāng)?shù)?電流分量(ik1)被平方和第3電流分量(ik3)被輸入到平方器(mq)的參考電流輸入(br)時(shí)，如果用于霍爾元件(h)的未校準(zhǔn)的供應(yīng)電壓(VDD)由來自校準(zhǔn)電壓源(vg)的電壓和溫度穩(wěn)定的霍爾元件供應(yīng)電壓(V)代替，那么，乘法器(m)就可以由平方器(mq)代替。
16.權(quán)利要求14或15中要求的方法，其特征是補(bǔ)償電流(j)的二次溫度函數(shù)因子1/(1+a×△T)是由第1和第2輔助電流(i1，i2)通過第6節(jié)點(diǎn)(K6)按比例的加或減所代替的，據(jù)此電流(j)(等于補(bǔ)償電流)形成了，它在參考溫度T0的溫度函數(shù)近似由因子1/(1+2×a×△T)來決定。
全文摘要
用熱合工藝技術(shù)使產(chǎn)生工作電流(iv，j)的裝置緊密地與霍爾元件(h)耦合在一起?；魻栐陟`敏度上由溫度引起的變化通過供應(yīng)電流(iv)和補(bǔ)償電流(j)限定的控制而得到補(bǔ)償。為實(shí)現(xiàn)這種控制，至少要提供兩個(gè)至少能產(chǎn)生兩個(gè)輔助電流(i
文檔編號(hào)H01L27/22GK1070070SQ9210897
公開日1993年3月17日 申請(qǐng)日期1992年7月30日 優(yōu)先權(quán)日1991年7月31日
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