一種磁靈敏度溫度補償電路和可編程線性霍爾傳感器芯片的制作方法

本發明涉及霍爾傳感器領域，具體地，涉及一種磁靈敏度溫度補償電路和可編程線性霍爾傳感器芯片。

背景技術：

在霍爾薄片兩端通以偏置電流I，并在薄片的垂直方向施加磁感應強度為B的磁場，則在垂直于電流和磁場的方向上，將產生電勢差，該電勢差被稱為霍爾電壓V_Hall

$V_{Hall}=k\frac{IB}{d}$

I為流過霍爾薄片的偏置電流；

B為垂直霍爾薄片的磁場大小；

d為霍爾薄片的厚度；

k為霍爾系數，它與霍爾薄片的幾何形狀，材料有關。

在線性霍爾傳感芯片中，霍爾薄片感應環境磁場強度，產生霍爾電壓，然后經過放大處理，輸出與磁場強度成正比例的電壓信號。當環境溫度發生變化時，霍爾薄片的電阻阻值會隨著溫度發生變化。當霍爾薄片的工作電壓固定時，電阻的變化會影響流過它的偏置電流I，從而影響到霍爾感應電壓V_Hall的大小。當溫度升高時，霍爾薄片的電阻變大，偏置電流I降低，線性霍爾傳感器芯片的輸出信號幅度會降低，靈敏度降低。

因此，對于固定工作電壓方式的霍爾薄片來說，需要有一種方法來補償霍爾薄片偏置電流隨溫度變化帶來的影響，以確保溫度發生變化時，磁靈敏度能保持不變。

技術實現要素：

本發明克服了現有技術的不足，提供一種磁靈敏度溫度補償電路和可編程線性霍爾傳感器芯片，通過對霍爾薄片的靈敏度進行溫度補償，確保芯片的靈敏度不隨溫度發生變化。

本發明解決上述問題所采用的技術方案是：一種磁靈敏度溫度補償電路，包括霍爾薄片和差分放大器，霍爾薄片感應磁場信號并將其轉化為霍爾電壓信號并輸出到差分放大器的輸入端，其特征在于，所述差分放大器為增益可調節的差分放大器，差分放大器上的尾電流源Ibias與絕對溫度成正比，差分放大器上的負載電阻R1和R2均采用與霍爾薄片相同形狀和材料的負載電阻。

本發明通過采用與霍爾薄片相同形狀和材質的電阻作為電阻負載，以及與絕對溫度成正比的尾電流源Ibias來實現對霍爾薄片靈敏度溫度漂移的補償，確保線性霍爾傳感器芯片在工作中，遇到環境溫度變化時，內部的霍爾薄片對磁場強度的感應靈敏度不會隨著溫度的增加而降低，實現對霍爾薄片的靈敏度進行溫度補償，確保芯片的靈敏度不隨溫度發生變化。

優選的，所述尾電流源Ibias為能夠對霍爾電壓的放大倍數進行編程控制的尾電流源Ibias。由于差分放大器的gm與尾電流源的大小成正比例關系，因此通過對尾電流源Ibias的電流大小進行編程控制，從而實現對差分放大器的放大倍數的編程控制，從而實現對整個線性霍爾傳感芯片的增益進行編程控制。

優選的，所述尾電流源Ibias包括與絕對溫度成正比的電流源IPTAT和NMOS電流鏡NM0，電流源IPTAT給NMOS電流鏡NM0提供電流，NMOS電流鏡NM0鏡像該電流源IPTAT給晶體管NM1至NM4，NMOS晶體管SN1至SN4實現對晶體管NM1至NM4的開關，數字信號bit1至bit4分別控制NMOS晶體管SN1到SN4的導通與關斷。

優選的，所述差分放大器包括運放輸入NPN晶體管對管Q1和Q2、尾電流源Ibias、用于提供差分放大器的增益放大系數的電流鏡、用于提供串連連接負載電阻R1和R2兩端到地電源直流通路的電流沉以及串聯連接的負載電阻R1和R2，其中尾電流源Ibias的輸出電流流入NPN晶體管對管Q1和Q2的源極，尾電流源Ibias的一端接地，串聯連接的負載電阻R1和R2兩端還連接信號輸出端OUT1和OUT2，電流鏡包括晶體管M1至M8，電流沉包括晶體管M9至M12。

優選的，所述負載電阻R1和R2的公共節點的電壓通過一個電壓跟隨器輸出保持為1/2電源電壓。只有當公共節點的電壓保持在該值，才能更好的保證線性霍爾傳感器芯片的輸出信號擺幅。

優選的，一種具有磁靈敏度溫度補償電路的線性霍爾傳感器芯片，還包括連接在差分放大器信號輸出端OUT1和OUT2的斬波失調消除電路和放大器，放大器連接在斬波失調消除電路的信號輸出端，經過放大器放大后的霍爾電壓信號經過緩沖輸出級上的輸出口OUT輸出。

綜上，本發明的有益效果是：

1、本發明通過采用與霍爾薄片相同形狀和材質的電阻作為電阻負載，以及與絕對溫度成正比的尾電流源Ibias來實現對霍爾薄片靈敏度溫度漂移的補償，確保線性霍爾傳感器芯片在工作中，遇到環境溫度變化時，內部的霍爾薄片對磁場強度的感應靈敏度不會隨著溫度的增加而降低，實現對霍爾薄片的靈敏度進行溫度補償，確保芯片的靈敏度不隨溫度發生變化。

2、本發明通過對尾電流源Ibias的電流大小進行編程控制，從而實現對差分放大器的放大倍數的編程控制，從而實現對整個線性霍爾傳感芯片的增益進行編程控制。

3、擁有該霍爾薄片的霍爾傳感器芯片不受溫度的影響，組成的霍爾傳感器靈敏度大大提高。

附圖說明

圖1是磁靈敏度溫度補償電路；

圖2是線性霍爾傳感器芯片原理框圖；

圖3為本發明偏置電流源Ibias的一種電路結構示例。

具體實施方式

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于此。

實施例1：

如圖1-3所示，本發明包括一種磁靈敏度溫度補償電路，包括霍爾薄片Hall Plate和差分放大器，霍爾薄片感應磁場信號并將其轉化為霍爾電壓信號并輸出到差分放大器的輸入端，其特征在于，所述差分放大器為增益可調節的差分放大器，差分放大器上的尾電流源Ibias與絕對溫度成正比，差分放大器上的負載電阻R1和R2均采用與霍爾薄片相同形狀和材料的負載電阻。

如圖1中電路所示，差分放大器包括運放輸入NPN晶體管對管Q1和Q2、尾電流源Ibias、用于提供差分放大器的增益放大系數的電流鏡、用于提供串連連接負載電阻R1和R2兩端到地電源直流通路的電流沉以及串聯連接的負載電阻R1和R2，電流沉包括晶體管M9至M12，其中尾電流源Ibias的輸出電流流入NPN晶體管對管Q1和Q2的源極，尾電流源Ibias的一端接地，串聯連接的負載電阻R1和R2兩端還連接信號輸出端OUT1和OUT2，電流鏡包括晶體管M1至M8，鏡像比例為m，m即為差分放大器的增益放大系數，當電流鏡確定以后，鏡像比例m就確定。霍爾薄片和電流鏡一端均連接VDD電源，霍爾薄片另一端接地。圖1中的Vb1、Vb2和Vb3表示相應晶體管柵極的偏置電壓。

我們知道差分放大器的增益如下：

Av＝m*gm*R_L

其中gm是差分放大器輸入NPN晶體管對管Q1和Q2的跨導，R_L是負載電阻R1和R2的阻值。

因為本方案中的差分放大器采用與絕對溫度成正比(PTAT)的尾電流源Ibias，因此放大器的跨導gm不隨溫度變化。

差分放大器的輸出電壓：

$Vout=V_{Hall}*Av=k\frac{IB}{d}*m*gm*R_L=k\frac{V_{DD}*B}{d*R_{HALL}}*m*gm*R_L$

其中的V_Hall霍爾電壓V_Hall，I為流過霍爾薄片的偏置電流；B為垂直霍爾薄片的磁場大小；d為霍爾薄片的厚度；k為霍爾系數，它與霍爾薄片的幾何形狀，材料有關；m為鏡像比例；V_DD為霍爾薄片電壓；R_HALL為霍爾薄片電阻。由于R1和R2采用和霍爾薄片相同的形狀和材料，它們的阻值與霍爾薄片的阻值R_HALL相同。因此，預防大級的差分放大器的輸出電壓：

$Vout=k\frac{V_{DD}*B}{d}*m*gm$

從上式可知，該差分輸出電壓Vout與溫度無關，與gm大小成正比，而放大器的跨導gm不隨溫度變化。

本發明通過采用與霍爾薄片相同形狀和材質的電阻作為電阻負載，以及與絕對溫度成正比的尾電流源Ibias來實現對霍爾薄片靈敏度溫度漂移的補償，確保線性霍爾傳感器芯片在工作中，遇到環境溫度變化時，內部的霍爾薄片對磁場強度的感應靈敏度不會隨著溫度的增加而降低，實現對霍爾薄片的靈敏度進行溫度補償，確保芯片的靈敏度不隨溫度發生變化。

實施例2：

本實施例在實施例1的基礎上優選如下：尾電流源Ibias為能夠對霍爾電壓的放大倍數進行編程控制的尾電流源Ibias。

如圖3所示，為尾電流源Ibias的一種實現方式，尾電流源Ibias還有其它不同的實現方式，該示例為4bit的編程精度，實際精度可根據具體應用需要進行調整。尾電流源Ibias包括與絕對溫度成正比的電流源IPTAT和NMOS電流鏡NM0，電流源IPTAT一端和NMOS電流鏡NM0源極連接，電流源IPTAT另一端接電源VDD，NMOS電流鏡的漏極接地，NM0鏡像該電流源IPTAT給晶體管NM1至NM4，NMOS晶體管SN1至SN4實現對晶體管NM1至NM4的開關，數字信號bit1至bit4分別控制NMOS晶體管SN1到SN4的導通與關斷。輸出電流Iout流入差分放大器的輸入對管Q1和Q2的源極。晶體管NM1至NM4的漏極均接地。

由于差分放大器的gm與尾電流源的大小成正比例關系，因此通過對尾電流源的電流大小進行編程控制，從而實現對差分放大器的放大倍數的編程控制，從而實現對整個線性霍爾傳感芯片的增益進行編程控制。本方案通過數字信號bit1至bit4分別控制SN1到SN4的導通與關斷，實現對尾電流源的大小進行精確編程控制，從而實現對差分放大器的放大倍數的編程控制，從而實現對整個線性霍爾傳感芯片的增益進行編程控制。

實施例3：

本實施例在上述實施例的基礎上優選如下：負載電阻R1和R2的公共節點的電壓通過一個電壓跟隨器輸出保持為1/2電源電壓。只有當公共節點的電壓保持在該值，才能更好的保證線性霍爾傳感器芯片的輸出信號擺幅。

實施例4：

如圖2所示，本發明包括上述任意實施例所述的具有磁靈敏度溫度補償電路的線性霍爾傳感器芯片，還包括連接在差分放大器信號輸出端OUT1和OUT2的斬波失調消除電路和放大器，放大器連接在斬波失調消除電路的信號輸出端，經過放大器放大后的霍爾電壓信號經過緩沖輸出級上的輸出口OUT輸出。其中的斬波失調消除電路和放大器采用現有常用的電路均能夠實現，霍爾薄片采集到的霍爾電壓通過差分放大器、斬波失調消除電路和放大器處理后得到的霍爾電壓信號不易受外界干擾，特別是不受溫度的影響，組成的霍爾傳感器靈敏度大大提高。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明做任何形式上的限制，凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化，均落入本發明的保護范圍之內。