專利名稱：霍爾開(kāi)關(guān)電路及其遲滯比較器電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種霍爾開(kāi)關(guān)電路及其遲滯比較器電路，特別涉及一種帶溫度補(bǔ)償?shù)幕魻栭_(kāi)關(guān)電路及其遲滯比較器電路。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，霍爾開(kāi)關(guān)集成電路已逐漸取代傳統(tǒng)接觸式開(kāi)關(guān)，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中?；魻栭_(kāi)關(guān)集成電路屬于霍爾傳感器電路的一種，它利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)，感測(cè)外部環(huán)境中磁場(chǎng)的變化，輸出數(shù)字信號(hào)，即0、1電平。
半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)如圖1所示。把半導(dǎo)體霍爾片放在均勻磁場(chǎng)B中，在兩電流電極間加上穩(wěn)定電壓V，霍爾片兩敏感電極間會(huì)產(chǎn)生霍爾電壓VH。
霍爾電壓為VH=μnWlBVf(lW)]]>其中，l、W分別是霍爾片的長(zhǎng)、寬， 是幾何形狀修正因子，μn是n型半導(dǎo)體材料的電子遷移率。
霍爾片的乘積靈敏度為SH=VHBV=μnWlf(lW)]]>即，在單位工作電壓和單位磁感應(yīng)強(qiáng)度下，霍爾片輸出端開(kāi)路時(shí)的霍爾電壓。
霍爾片乘積靈敏度對(duì)溫度的相對(duì)變化率為1SH∂SH∂T=1μn∂μn∂T]]>由于半導(dǎo)體材料的載流子遷移率隨溫度上升而下將，所以霍爾片的乘積靈敏度也隨溫度升高而降低。
因此，在利用半導(dǎo)體材料的霍爾效應(yīng)，制造能感測(cè)外界磁場(chǎng)變化的高性能霍爾傳感器電路時(shí)，為保證傳感器的溫度穩(wěn)定性，需對(duì)霍爾片乘積靈敏度的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償。
根據(jù)上述特性，中國(guó)專利93109166.7公開(kāi)了一種霍爾器件溫度補(bǔ)償電路，它采用了齊納二極管作為補(bǔ)償器件，其輸出的溫度補(bǔ)償電流通過(guò)跟隨放大器送到霍爾元件的電流控制端；由于齊納二極管的溫度系數(shù)可覆蓋各類霍爾器件的溫度系數(shù)，且符號(hào)相反，故可通過(guò)調(diào)節(jié)電位器來(lái)得到不同的補(bǔ)償電流，使補(bǔ)償達(dá)到最佳效果。該發(fā)明可對(duì)應(yīng)用于檢測(cè)、控制和測(cè)量領(lǐng)域中的霍爾器件溫度漂移進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，使之更加準(zhǔn)確可靠。
此外，中國(guó)專利99237327.1公開(kāi)了一種用于霍爾直測(cè)式電流傳感器的傳感元件—霍爾組件。它包括有霍爾片，霍爾片上設(shè)有輸出端和激勵(lì)端，在霍爾片的激勵(lì)端串接二極管，二極管和霍爾片封裝成一體。該實(shí)用新型采用二極管對(duì)霍爾片進(jìn)行溫度漂移補(bǔ)償，具有工作性能穩(wěn)定，時(shí)間特性好，檢測(cè)精度高以及制作工藝簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。
上述2個(gè)專利都采用二極管對(duì)霍爾片進(jìn)行溫度漂移補(bǔ)償，補(bǔ)償效果較差。
霍爾開(kāi)關(guān)集成電路一般由穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器、遲滯比較器、輸出電路構(gòu)成。圖2A和圖2B分別是霍爾開(kāi)關(guān)集成電路單OC輸出示意圖和霍爾開(kāi)關(guān)集成電路互補(bǔ)OC輸出示意圖。
作為磁控開(kāi)關(guān)，霍爾開(kāi)關(guān)集成電路一般都具有一定的磁噪聲容限，即輸出狀態(tài)在隨外界磁場(chǎng)線性變化而切換時(shí)，具有一定的磁遲滯窗口。但是，遲滯窗口寬度太大，卻會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)無(wú)法正常切換。
霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的磁-電傳輸特性如圖3A和3B所示。圖3A是霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的開(kāi)關(guān)型輸出特性曲線示意圖，圖3B是霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的鎖定型輸出特性曲線示意圖。
磁遲滯窗口寬度為Bhy=VhyAVSHVref]]>其中，Vhy是遲滯比較器的電遲滯窗口寬度，AV是差分放大器的電壓增益，SH是霍爾片的乘積靈敏度，Vref是穩(wěn)壓器的輸出電壓。
磁遲滯窗口寬度對(duì)溫度的相對(duì)變化率為1Bhy∂Bhy∂T=1Vhy∂Vhy∂T-1AV∂AV∂T-1SH∂SH∂T-1Vref∂Vref∂T]]>由于霍爾片的乘積靈敏度隨溫度升高而降低，導(dǎo)致霍爾開(kāi)關(guān)的工作點(diǎn)Bop、釋放點(diǎn)Brp漂移，遲滯窗口寬度Bhy變大，影響開(kāi)關(guān)的性能。
臺(tái)灣半導(dǎo)體制造公司如Anachip的ATC177，其遲滯比較器電路如圖4所示，Q3a、Q4a組成基極-集電極耦合遲滯電路，Q5a、Q6a用于將遲滯電路的狀態(tài)輸出。
其差分放大器、遲滯比較器電路如圖5所示，其中偏置恒流源I1a、I2a、I3a、I4a由同一組電流鏡構(gòu)成。
由于差分放大器、遲滯比較器采用同一組偏置電流鏡供電，導(dǎo)致差分放大器電壓增益對(duì)溫度的相對(duì)變化率和遲滯比較器電遲滯窗口寬度對(duì)溫度的相對(duì)變化率，兩者相近。
而其穩(wěn)壓器采用具有溫度補(bǔ)償特性的帶隙基準(zhǔn)電路結(jié)構(gòu)，輸出電壓對(duì)溫度的相對(duì)變化率較小。
因此，此電路需仔細(xì)調(diào)整差分放大器、遲滯比較器的各元器件參數(shù)，才能保證整個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)的磁遲滯窗口寬度在溫度升高時(shí)不變或略微變小。
國(guó)外半導(dǎo)體制造公司如Honeywell的SS443A，其差分放大器、遲滯比較器采用不同的恒流源提供偏置，其中遲滯比較器的偏置恒流源電路如圖6所示。
當(dāng)溫度上升時(shí)，基區(qū)電阻R2阻值增加，橫向PNP管Q1b發(fā)射結(jié)壓降減小，使得橫向PNP管Q2b、NPN管Q3b、Q4b集電極電流減小，從而遲滯比較器的電遲滯窗口寬度減小。
而其差分放大器的偏置恒流源，輸出電流對(duì)溫度的相對(duì)變化率較小，使得差分放大器電壓增益對(duì)溫度的相對(duì)變化率較小。
由于遲滯比較器的電遲滯窗口寬度隨溫度升高而變小，補(bǔ)償了霍爾片乘積靈敏度的下降，從而使得整個(gè)霍爾開(kāi)關(guān)的磁遲滯窗口寬度在溫度升高時(shí)僅略微變小。
但是，該電路結(jié)構(gòu)所用元器件較多，特別是用到兩個(gè)橫向PNP管，在版圖上需占用較大的面積。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種帶溫度補(bǔ)償?shù)幕魻栭_(kāi)關(guān)電路。
本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種霍爾開(kāi)關(guān)電路，包括穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器、遲滯比較器和輸出電路，其中遲滯比較器電路包括晶體管Q3、晶體管Q4、晶體管Q5、晶體管Q6和電阻R3、電阻R4，其中，晶體管Q3的基極和晶體管Q5的基極相連，晶體管Q4的基極和晶體管Q6的基極相連，晶體管Q3的集電極與晶體管Q4的基極和晶體管Q6的基極相連，晶體管Q4的集電極與晶體管Q3的基極和晶體管Q5的基極相連，晶體管Q3的集電極、晶體管Q4的集電極與參考電壓之間分別連接電阻R3與電阻R4，參考電壓與晶體管Q1的集電極之間連有電阻R1，晶體管Q1的發(fā)射極與地相連，晶體管Q1的基極與晶體管Q2的發(fā)射極相連，晶體管Q2的基極與晶體管Q1的集電極相連，晶體管Q2的集電極與晶體管Q3的發(fā)射極、晶體管Q4的發(fā)射極、晶體管Q5的發(fā)射極、晶體管Q6的發(fā)射極相連，晶體管Q2的發(fā)射極與地之間連接有電阻R2。
其中，晶體管Q3的集電極和晶體管Q4的集電極作為輸入端，與所述差分放大器的輸出端相連。晶體管Q5的集電極和晶體管Q6的集電極作為輸出端，與所述輸出電路的輸入端相連。晶體管Q1、晶體管Q2、晶體管Q3、晶體管Q4、晶體管Q5和晶體管Q6都是NPN型晶體管。
本實(shí)用新型要解決的另一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是提供一種應(yīng)用于霍爾開(kāi)關(guān)電路的遲滯比較器電路。
本實(shí)用新型是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種應(yīng)用于霍爾開(kāi)關(guān)電路的遲滯比較器電路，包括晶體管Q3、晶體管Q4、晶體管Q5、晶體管Q6和電阻R3、電阻R4，其中，晶體管Q3的基極和晶體管Q5的基極相連，晶體管Q4的基極和晶體管Q6的基極相連，晶體管Q3的集電極與晶體管Q4的基極和晶體管Q6的基極相連，晶體管Q4的集電極與晶體管Q3的基極和晶體管Q5的基極相連，晶體管Q3的集電極、晶體管Q4的集電極與參考電壓之間分別連接電阻R3與電阻R4，晶體管Q3的集電極和晶體管Q4的集電極作為輸入端，晶體管Q5的集電極和晶體管Q6的集電極作為輸出端，參考電壓與晶體管Q1的集電極之間連有電阻R1，晶體管Q1的發(fā)射極與地相連，晶體管Q1的基極與晶體管Q2的發(fā)射極相連，晶體管Q2的基極與晶體管Q1的集電極相連，晶體管Q2的集電極與晶體管Q3的發(fā)射極、晶體管Q4的發(fā)射極、晶體管Q5的發(fā)射極、晶體管Q6的發(fā)射極相連，晶體管Q2的發(fā)射極與地之間連接有電阻R2。
其中，晶體管Q1、晶體管Q2、晶體管Q3、晶體管Q4、晶體管Q5和晶體管Q6都是NPN型晶體管。
本實(shí)用新型通過(guò)增加溫度補(bǔ)償電路，對(duì)霍爾片乘積靈敏度的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，使得霍爾開(kāi)關(guān)的磁遲滯窗口寬度在溫度升高時(shí)不變或略微變小，從而保證開(kāi)關(guān)性能。本實(shí)用新型中的溫度補(bǔ)償電路負(fù)溫度系數(shù)大，足以完全補(bǔ)償由于溫度升高而引起的霍爾片靈敏度下降，同時(shí)該溫度補(bǔ)償電路僅用縱向NPN管和基區(qū)電阻構(gòu)成，版圖面積小。


圖1是霍爾片示意圖；圖2A是霍爾開(kāi)關(guān)集成電路單OC輸出示意圖；圖2B是霍爾開(kāi)關(guān)集成電路互補(bǔ)OC輸出示意圖；圖3A是霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的開(kāi)關(guān)型輸出特性曲線示意圖；圖3B是霍爾開(kāi)關(guān)集成電路的鎖定型輸出特性曲線示意圖；圖4是Anachip霍爾電路遲滯比較器電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是Anachip霍爾電路差分放大器和遲滯比較器電路結(jié)構(gòu)示意圖；
圖6是Honeywell霍爾電路溫度補(bǔ)償恒流源電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是本實(shí)用新型霍爾電路溫度補(bǔ)償恒流源電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是本實(shí)用新型霍爾電路遲滯比較器電路結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是本實(shí)用新型的霍爾電路差分放大器和遲滯比較器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
由于霍爾片的乘積靈敏度隨溫度升高而降低，將導(dǎo)致霍爾開(kāi)關(guān)的磁遲滯窗口寬度變大，影響開(kāi)關(guān)的性能。需在霍爾信號(hào)處理電路中對(duì)霍爾片乘積靈敏度的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，使得霍爾開(kāi)關(guān)的磁遲滯窗口寬度在溫度升高時(shí)不變或略微變小，從而保證開(kāi)關(guān)性能。
在本實(shí)用新型中，公開(kāi)了一種具溫度補(bǔ)償功能的遲滯比較器電路。遲滯比較器的偏置恒流源如圖7所示。
當(dāng)溫度上升時(shí)，基區(qū)電阻R2阻值增加，NPN管Q1發(fā)射結(jié)壓降減小，使得NPN管Q2集電極電流減小，從而遲滯比較器的電遲滯窗口寬度減小。
此恒流源的輸出電流為Io=VBE1R2]]>此恒流源輸出電流對(duì)溫度的相對(duì)變化率為1Io∂Io∂T=1VBE1∂VBE1∂T-1R2∂R2∂T]]>遲滯比較器電路如圖8所示。在參考電壓與晶體管Q1的集電極之間連有電阻R1，晶體管Q1的發(fā)射極與地相連，晶體管Q1的基極與晶體管Q2的發(fā)射極相連，晶體管Q2的基極與晶體管Q1的集電極相連，晶體管Q2的集電極與晶體管Q3的發(fā)射極、晶體管Q4的發(fā)射極、晶體管Q5的發(fā)射極、晶體管Q6的發(fā)射極相連，晶體管Q2的發(fā)射極與地之間連接有電阻R2。其中，晶體管Q1、晶體管Q2、晶體管Q3、晶體管Q4、晶體管Q5和晶體管Q6都是NPN型晶體管。
Q3、Q4組成基極-集電極耦合遲滯電路，Q5、Q6用于將遲滯電路的狀態(tài)輸出。
由于電阻R3、R4的上端直截接基準(zhǔn)電壓，恒流源輸出電流值能夠保證輸出端電位保持在1.7V左右，NPN管Q2可以工作在正常的放大區(qū)，不會(huì)進(jìn)入飽和，所以此恒流源可以正常地工作，從而遲滯比較器電路可以正常地工作。
差分放大器、遲滯比較器電路如圖9所示。
差分放大器的電壓增益為AV=I2R32VT]]>遲滯比較器的電遲滯窗口寬度為Vhy=Ae3Ae3+Ae5I1R3]]>磁遲滯窗口寬度為Bhy=2Ae3VTI1(Ae3+Ae5)I2SHVref]]>磁遲滯窗口寬度對(duì)溫度的相對(duì)變化率為1Bhy∂Bhy∂T=1VT∂VT∂T+1I1∂I1∂T-1I2∂I2∂T-1SH∂SH∂T-1Vref∂Vref∂T]]>由于穩(wěn)壓器輸出電壓隨溫度的變化可以忽略，偏置恒流源I2輸出電流隨溫度的變化也可以忽略，上式可變?yōu)?
1Bhy∂Bhy∂T≈1VT∂VT∂T+1I1∂I1∂T-1SH∂SH∂T]]>再將偏置恒流源I1輸出電流對(duì)溫度的相對(duì)變化率代入上式可得1Bhy∂Bhy∂T≈1VT∂VT∂T+1VBE1∂VBE1∂T-1R2∂R2∂T-1SH∂SH∂T]]>顯然，要使上式等于或小于零是容易實(shí)現(xiàn)的。
本實(shí)用新型通過(guò)增加溫度補(bǔ)償電路，對(duì)霍爾片乘積靈敏度的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，使得霍爾開(kāi)關(guān)的磁遲滯窗口寬度在溫度升高時(shí)不變或略微變小，從而保證開(kāi)關(guān)性能。本實(shí)用新型的溫度補(bǔ)償電路負(fù)溫度系數(shù)大，足以完全補(bǔ)償由于溫度升高而引起的霍爾片靈敏度下降，同時(shí)該溫度補(bǔ)償電路僅用縱向NPN管和基區(qū)電阻構(gòu)成，版圖面積小。
權(quán)利要求1.一種霍爾開(kāi)關(guān)電路，包括穩(wěn)壓器、霍爾片、差分放大器、遲滯比較器和輸出電路，其中遲滯比較器電路包括晶體管(Q3)、晶體管(Q4)、晶體管(Q5)、晶體管(Q6)和電阻(R3)、電阻(R4)，其中，晶體管(Q3)的基極和晶體管(Q5)的基極相連，晶體管(Q4)的基極和晶體管(Q6)的基極相連，晶體管(Q3)的集電極與晶體管(Q4)的基極和晶體管(Q6)的基極相連，晶體管(Q4)的集電極與晶體管(Q3)的基極和晶體管(Q5)的基極相連，晶體管(Q3)的集電極、晶體管(Q4)的集電極與參考電壓之間分別連接電阻(R3)與電阻(R4)，其特征在于，參考電壓與晶體管(Q1)的集電極之間連有電阻(R1)，晶體管(Q1)的發(fā)射極與地相連，晶體管(Q1)的基極與晶體管(Q2)的發(fā)射極相連，晶體管(Q2)的基極與晶體管(Q1)的集電極相連，晶體管(Q2)的集電極與晶體管(Q3)的發(fā)射極、晶體管(Q4)的發(fā)射極、晶體管(Q5)的發(fā)射極、晶體管(Q6)的發(fā)射極相連，晶體管(Q2)的發(fā)射極與地之間連接有電阻(R2)。
2.如權(quán)利要求1所述的霍爾開(kāi)關(guān)電路，其特征在于，晶體管(Q3)的集電極和晶體管(Q4)的集電極作為輸入端，與所述差分放大器的輸出端相連。
3.如權(quán)利要求1所述的霍爾開(kāi)關(guān)電路，其特征在于，晶體管(Q5)的集電極和晶體管(Q6)的集電極作為輸出端，與所述輸出電路的輸入端相連。
4.如權(quán)利要求1所述的遲滯比較器電路，其特征在于，所述晶體管(Q1)、晶體管(Q2)、晶體管(Q3)、晶體管(Q4)、晶體管(Q5)和晶體管(Q6)都是NPN型晶體管。
5.一種應(yīng)用于霍爾開(kāi)關(guān)電路的遲滯比較器電路，包括晶體管(Q3)、晶體管(Q4)、晶體管(Q5)、晶體管(Q6)和電阻(R3)、電阻(R4)，其中，晶體管(Q3)的基極和晶體管(Q5)的基極相連，晶體管(Q4)的基極和晶體管(Q6)的基極相連，晶體管(Q3)的集電極與晶體管(Q4)的基極和晶體管(Q6)的基極相連，晶體管(Q4)的集電極與晶體管(Q3)的基極和晶體管(Q5)的基極相連，晶體管(Q3)的集電極、晶體管(Q4)的集電極與參考電壓之間分別連接電阻(R3)與電阻(R4)，晶體管(Q3)的集電極和晶體管(Q4)的集電極作為輸入端，晶體管(Q5)的集電極和晶體管(Q6)的集電極作為輸出端，其特征在于，參考電壓與晶體管(Q1)的集電極之間連有電阻(R1)，晶體管(Q1)的發(fā)射極與地相連，晶體管(Q1)的基極與晶體管(Q2)的發(fā)射極相連，晶體管(Q2)的基極與晶體管(Q1)的集電極相連，晶體管(Q2)的集電極與晶體管(Q3)的發(fā)射極、晶體管(Q4)的發(fā)射極、晶體管(Q5)的發(fā)射極、晶體管(Q6)的發(fā)射極相連，晶體管(Q2)的發(fā)射極與地之間連接有電阻(R2)。
6.如權(quán)利要求5所述的遲滯比較器電路，其特征在于，所述晶體管(Q1)、晶體管(Q2)、晶體管(Q3)、晶體管(Q4)、晶體管(Q5)和晶體管(Q6)都是NPN型晶體管。
專利摘要本實(shí)用新型通過(guò)增加溫度補(bǔ)償電路，對(duì)霍爾片乘積靈敏度的溫度漂移進(jìn)行補(bǔ)償，使得霍爾開(kāi)關(guān)的磁遲滯窗口寬度在溫度升高時(shí)不變或略微變小，從而保證開(kāi)關(guān)性能。本實(shí)用新型的溫度補(bǔ)償電路負(fù)溫度系數(shù)大，足以完全補(bǔ)償由于溫度升高而引起的霍爾片靈敏度下降，同時(shí)該溫度補(bǔ)償電路僅用縱向NPN管和基區(qū)電阻構(gòu)成，版圖面積小。
文檔編號(hào)H03K17/14GK2884693SQ20052010575
公開(kāi)日2007年3月28日 申請(qǐng)日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月20日
發(fā)明者盧圣晟, 王家斌 申請(qǐng)人:Bcd半導(dǎo)體制造有限公司