CN101672658A - 具有锁存行为的比较器电路及由其得到的数字输出传感器 - Google Patents
具有锁存行为的比较器电路及由其得到的数字输出传感器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN101672658A CN101672658A CN200910205739A CN200910205739A CN101672658A CN 101672658 A CN101672658 A CN 101672658A CN 200910205739 A CN200910205739 A CN 200910205739A CN 200910205739 A CN200910205739 A CN 200910205739A CN 101672658 A CN101672658 A CN 101672658A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- coupled
- current mirror
- output
- input transistors
- current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000003750 conditioning effect Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 20
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 20
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 20
- 238000006880 cross-coupling reaction Methods 0.000 claims description 13
- 230000007850 degeneration Effects 0.000 claims description 9
- 230000005355 Hall effect Effects 0.000 claims description 8
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 claims description 6
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 13
- 230000002829 reductive effect Effects 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 101000637813 Homo sapiens Solute carrier family 40 member 1 Proteins 0.000 description 4
- 102100032008 Solute carrier family 40 member 1 Human genes 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 2
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002860 competitive effect Effects 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 230000000670 limiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000004518 low pressure chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001259 photo etching Methods 0.000 description 1
- 230000000452 restraining effect Effects 0.000 description 1
- 230000002441 reversible effect Effects 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K19/00—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits
- H03K19/02—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components
- H03K19/18—Logic circuits, i.e. having at least two inputs acting on one output; Inverting circuits using specified components using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
- G01R15/207—Constructional details independent of the type of device used
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Computing Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Amplifiers (AREA)
Abstract
本发明涉及具有锁存行为的比较器电路及由其得到的数字输出传感器。数字输出传感器包括含有至少一个感测元件的感测结构。感测结构输出差动感测信号。集成电路包括含有用于调节感测信号的信号调节电路的衬底。信号调节电路包括耦合以接收感测信号并提供第一和第二差动输出的差动放大器,和具有耦合以接收来自差动放大器的输出的输入晶体管的比较器。比较器也包括以交叉耦合配置耦合于输入晶体管来提供滞后的第一和第二电流镜负载。输出驱动器耦合以接收差动驱动电流。输出级包括至少一个输出晶体管,该输出晶体管耦合于为传感器提供数字输出的输出驱动器。电压调节器耦合以接收电源电压并输出至少一个调节电源电压。
Description
技术领域
本发明的实施例涉及数字输出传感器,更特别地涉及基于集成电路的数字输出传感器。
背景技术
传感器用于感测多种不同的量。例如,被感测的量或参数可以是磁场、电流、温度、压力或位置。通常使用的感测结构包括用于感测压力的定位在柔软膜片上或以柔软膜片形成的压电元件、基于霍尔效应的导电或半导电元件、用于感测磁场的磁致电阻或可变磁阻结构。
霍尔传感器是一种形式的磁场传感器,尤其当实现为集成(单片)传感器时其可以低成本制造。当带有电流的导体或半导电霍尔元件置于磁场中时,将在垂直于电流和磁场方向产生电压。这一原理称为霍尔效应。
霍尔元件通常由导电或半导电材料薄片构成,其输出连接垂直于电流流动的方向。当受到磁场时,霍尔元件以与磁通密度成比例的输出电压做出响应。输出电压通常非常小(在几个μV的量级上)并且因而需要电子装置提供增益以获得有用的信号电平。当霍尔元件与关联的信号处理传感器电子装置相组合时,它形成霍尔效应传感器。集成的霍尔效应传感器包括含有霍尔元件和信号调节电子装置的集成电路芯片(例如硅)。
模拟传感器提供与(感测的)磁场输入的幅度成比例的模拟输出电压。常规的数字输出霍尔传感器利用施密特触发器或其他滞后(hysteresis)产生电路以将基本的模拟输出传感器转换为数字输出传感器。数字传感器的输出为两个二进制电平中的一个,1或0(开或关)。施密特触发器或其他等效的滞后产生电路可操作地将耦合到霍尔元件的放大器的模拟输出转换为二进制输出电平,1或0(开或关)并且在感测的二进制状态之间提供合理的噪声容限。
电源电压抑制和温度补偿对于例如集成霍尔传感器的传感器来说是重要的性能特性。例如,数字输出霍尔传感器需要这些特性来在电源电压和温度的操作范围内控制在定义二进制输出状态的磁转变点上的改变量。
获得电源电压抑制的通常技术是包括电压调节器来为霍尔元件和信号处理电路提供稳定的偏置。还希望的是由电压调节器提供的调节电压(regulatedvoltage)对温度而言几乎恒定,以便为温度补偿提供参考。在利用精确片上电压调节中的折衷办法为更大的管芯尺寸/成本和附加的电源电流。主要通过商业霍尔市场定价,由现代表面安装封装施加的规格和管芯尺寸限制的驱动,存在对于以较低功率运行并还能提供有竞争力的磁性规格的小的管芯尺寸的需要。
发明内容
提供该发明内容以符合美国联邦法规第37篇第1.73条(37C.F.R.§1.73),给出本发明的内容以简要介绍本发明的特性和主旨。应当理解的是它不被用作解释或限制权利要求书的范围或意义。
本发明的实施例描述了新的比较器电路和由其得到的数字输出传感器,所述比较器电路可操作接收差动输入信号并提供差动输出信号。这里描述的比较器电路利用内部正反馈来提供感测的二进制信号电平之间的滞后关系,由此避免了常规设计中对一对施密特触发器的需要或者对比较器之前的放大器级的反馈环路的需要。根据本发明实施例的比较器也提供了新的温度补偿和电源电压抑制电路。这些方面降低了功率需求并减小了管芯尺寸,从而降低了传感器的成本。根据本发明实施例的比较器可以实现为包括两个完全相同的半电路(并由此具有完全对称)的平衡电路。
根据本发明实施例的数字输出传感器包括含有至少一个感测元件的感测结构。感测结构输出差动感测信号。集成电路包括含有用于调节感测信号的信号调节电路的衬底。对于完全单片传感器的实施例,感测结构也可以在相同衬底上。
信号调节电路包括耦合以接收感测信号并提供第一和第二差动输出的差动放大器,以及比较器,该比较器具有耦合以接收来自差动放大器的输出的输入晶体管。比较器包括耦合于第一和第二电流镜负载的第一和第二输入晶体管,第一和第二电流镜负载交叉耦合以获得高增益,其中,电流镜负载以交叉耦合配置向输入晶体管的发射极提供差动反馈电流。第一和第二输入晶体管发射极耦合于第一和第二电阻器,其中,来自电流镜负载的反馈电流产生偏移电压(offset voltage),该偏移电压必须被比较器的输入信号克服以便使比较器切换状态。当比较器切换时,电流镜负载的状态反转(例如,一个饱和以及一个关闭)从而使得反馈电流,进而偏移电压,从输入级的一侧切换到另一侧,从而提供导致感测的二进制状态之间的噪声容限的滞后。第一和第二电流镜负载也提供差动驱动电流。耦合输出驱动器以接收差动驱动电流。输出级包括至少一个耦合到输出驱动器以为传感器提供数字输出的输出晶体管。耦合电压调节器以接收电源电压(VS)并输出至少一个调节电源电压(VREG),其中调节电源电压耦合至感测结构、差动放大器和比较器。
附图说明
图1是根据本发明实施例的包括数字输出传感器的集成电路的方框图。
图2是根据本发明另一个实施例的实施一个示例性数字输出传感器实施例的电路原理图。
图3是根据本发明实施例的图2中所示电压调节器的电路原理图。
图4是根据本发明实施例的实现为图2中所示热电压(VT)参考电流调节器的电流调节器的电路原理图。
图5是根据本发明实施例的耦合于在图2中以霍尔元件示出的传感器元件的差动放大器的电路原理图。
图6是根据本发明实施例的、在图2中以外延-电阻器-参考电流调节器示出的具有滞后的比较器连同其相关的电流调节器的电路原理图。
图7是根据本发明实施例的在图2中示出为连接到开路集电极NPN输出晶体管的输出驱动器的电路原理图。
具体实施方式
本发明参照附图进行说明,其中,同样的参考数字在所有附图中用于指示相似或等效的元件。附图并非按比例绘制并且它们仅用于说明本发明。以下参照用于说明的示例应用来描述本发明的几个方面。应当理解的是,提出许多的特定细节、关系、和方法来提供对本发明的充分理解。然而,相关领域中的普通技术人员将会容易地认识到,本发明可以在没有一个或多个特定细节或采用其他方法的情况下实施。在其他情况中,公知的结构或操作没有详细示出以避免模糊本发明。本发明不受所说明的动作或事件顺序限制,因为一些动作可以以不同的顺序出现和/或与其他动作或事件同时发生。而且,实施根据本发明的方法并非需要所有说明的动作或事件。
本发明的实施例描述的新的比较器电路,其具有接收差动输入并提供差动驱动电流的电流镜负载,以及由此得到的数字输出传感器。实现为霍尔效应传感器,本发明的实施例以基于对于滞后功能具有内部反馈的比较器电路的传感器,代替传统的施密特触发器和基于级间反馈的数字输出传感器。根据本发明实施例的比较器电路提供了紧凑的、完全差动的设计,该设计具有锁存行为、温度补偿和用于数字输出传感器的输出驱动器接口,可由一般具有减小了复杂度并因此减小了管芯尺寸的电路实现。根据本发明实施例的传感器通过以下描述的新的偏置配置,提供高水平的电源电压抑制和高水平的温度稳定性。信号处理电子装置的其他部分有助于提供紧凑的传感器设计,例如以下描述的电压调节器设计。
参照图1,示出根据本发明实施例的包括数字输出传感器110的集成电路100的方框图。在以下参照图2描述的原理图中示出用于实施数字输出传感器110的一个特定实施例。以下所有对晶体管级电路的引用通常都参照图2。
IC 100包括衬底101,一般采用传统的集成电路加工方法(光刻、蚀刻、离子注入、扩散、沉积(例如LPCVD))在衬底上形成包括用于调节感测信号的信号调节电路的数字输出传感器110,。衬底101可以包括硅衬底(硅芯片)。传感器110包括含有至少一个感测元件105的感测结构。虽然所示的感测元件105在衬底101上形成,但是在本发明的其他实施例中,感测结构可以在芯片外形成。
感测结构可以包括单个元件或桥式或其他平衡输出传感器类型。一个实施例包括柔软膜片,多个压阻元件在该膜片之内或耦合于该膜片。本发明的其他示例性实施例包括一个或多个霍尔元件,或一个或多个磁阻元件。
感测结构可操作地输出差动感测信号106,107。信号调节电路包括耦合以接收差动感测信号106,107并提供第一和第二差动输出116和117的差动放大器115。示出的第二电流调节器150(用作电流宿(current sink))耦合于差动放大器115。
具有输入晶体管(参见图2中的Q27和Q28)的具有滞后的比较器120耦合以接收由差动放大器115提供的电压输出116和117。示出的第一电流调节器155耦合于比较器120。如下描述,第一电流调节器155可以实现为外延-电阻器-参考电流调节器。
在一个实施例中,比较器120包括含有第一电流镜负载(Q19,Q21)的内部反馈电路,第一电流镜负载耦合于第一输入晶体管Q27的集电极,第一电流镜负载交叉耦合于第二电流镜负载(Q20,Q22),第二电流镜负载耦合于第二输入晶体管Q28的集电极。该交叉耦合布置获得了高增益。在该特定实施例中,通过将第一和第二电流镜负载的输出分别耦合到第二和第一输入晶体管发射极(交叉耦合配置),以及第一输入晶体管Q27的发射极耦合于第一发射极电阻器R7,第二输入晶体管Q28的发射极耦合于第二发射极电阻器R8,第一和第二发射极电阻器一起在连接节点耦合于第一电流调节器155,来提供滞后。第一和第二电流镜负载提供如121和122所示的差动驱动电流。
输出驱动器125耦合以接收差动驱动电流121和122。输出级包括至少一个输出晶体管130,图1中示为开路集电极NPN晶体管130,耦合以从输出驱动器125接收基极驱动来为传感器110提供数字输出135。
电压调节器140接收电源电压VS并输出至少一个调节电源电压,示出为第一电源电压VREG和第二电源电压VR。VR与VREG相比可处于较高电平。如图1中所示,示出的VREG耦合于感测结构105和差动放大器115,而示出的VR耦合于比较器120。示出的VS耦合于输出驱动器125。电压调节器140也包括电压参考电路,该电路可以包括为第二电流调节器150提供启动电流的启动电路。
图2是根据本发明另一个实施例的实施一个示例性数字输出传感器200实施例的电路原理图。图1中所示的包括电压调节器140、第二电流调节器150、耦合至传感器元件105(以霍尔元件示出)的差动放大器115、比较器120、第一电流调节器155、输出驱动器125、和输出晶体管130的框,都在图2中做了标识。以下更加详细地描述图2中所示的各个框的操作。
图3是根据本发明实施例的图2中所示电压调节器140的电路原理图。示出的电压调节器140输出电压VR和VREG,其中VR大约比VREG高一个正向偏置二极管电压(VBE)(Q5的VBE)。通过仅向需要较高电源电压的电路提供较高电源电压(由此减少了整体的功率消耗),该双电源电平特征有助于在低电源电压和低温度下操作。一旦通电,电流流过电阻器R3和R12流向Q2和Q3,其与R1一起构成VBE参考电流源。在Q2中流动的调节电流也流过Q1,Q1示出为横向PNP,横向PNP作为具有双输出的电流镜连接。来自Q1的第一镜像电流流过包括Q7,Q8,Q9和R11的电压参考。Q7和Q8也构成分流器(currentdivider),源送(source)以ISU示出的小的启动电流至图2中示为VT参考电流源的第二电流调节器150。来自Q1的第二镜像电流向Q5和Q6提供电流。Q6在Q5的基极端为VR提供分流调节(shunt regulation)。Q5为VREG提供串联旁路调节(series pass regulation)。Q4示出为二极管连接的晶体管,当VS相对于电源电压参考(GND)为负时,阻止潜在有害的电流。R10在VS和GND两端的静电放电(ESD)事件期间限制潜在有害的电流通过Q2。
图4是根据本发明实施例的第二电流调节器150的电路原理图,其实现为图2中所示的VT参考电流调节器150。一旦通电,来自电压调节器电路140的启动电流(ISU)被供给Q12的集电极/基极和Q13和Q17的基极,然后来自Q13的集电极电流向作为电流镜连接的Q10和Q11提供偏置,从而完成正反馈环,通常被称为自偏置。Q12和Q17是镜像连接,从而使得Q17从差动放大器115灌入(sink)如IREG1所示的调节偏置电流。该偏置技术提供VT参考电流,在一个实施例中该参考电流大约为VT*ln3/R2,其中,VT=k*T/q;k是玻尔兹曼常数,T是温度以及q是电子电荷的大小。
图5是根据本发明实施例的耦合于在图2中以霍尔传感器示出的传感器元件105的差动放大器115的电路原理图。来自实现为VT参考电流调节器150的第二电流调节器150的以IREG1所示的VT参考电流耦合于Q15和Q16的发射极。Q15和Q16的集电极分别耦合于负载电阻器R4和R5。Q15和Q16是配对的,像电阻器R4和R5一样。差动输出VA和VB示出为分别来自Q15和Q16的集电极。Q18提供偏置电平偏移。差动放大器115的小信号电压增益(AV)可以表示为AV≈gm*R4,R4=R5。AV因而与R4成正比并且与R2成反比,AV≈ln3*R4/(2*R2),并且该函数相关可用于提供以下所述的温度补偿。
图6是根据本发明实施例的图2中示出的具有滞后的比较器120连同电流调节器155的电路原理图。如上所述,比较器120包括耦合以从差动放大器115接收差动输出116(VA)和117(VB)的第一和第二输入晶体管Q27和Q28。比较器120包括含有第一电流镜负载(Q19,Q21)的内部反馈电路,第一电流镜负载耦合于第一输入晶体管Q27的集电极,第一电流镜负载交叉耦合于第二电流镜负载(Q22,Q20),第二电流镜负载耦合于第二输入晶体管Q28的集电极。发射极负反馈电阻器R7和R8示出为分别耦合于Q27和Q28的发射极。电流镜负载(Q19,Q21)和(Q20,Q22)交叉耦合于发射极负反馈电阻器R7和R8来为比较器120提供滞后电压(ΔV),以下更加详细地进行说明。第一电流镜负载的Q19提供第一差动输出电流IO1,而第二电流镜负载(Q20,Q22)的Q20提供另一差动输出电流IO2。
比较器120可视为提供差动输入和输出(全差分)的平衡电路,并且示为实现为两个同样的半电路(由此具有完全的对称性)。比较器120显示为具有同样的第一和第二半电路,第一半电路包括所述第一输入晶体管Q27、第一电流镜负载(Q19,Q21)和第一发射极负反馈电阻器(emitter degeneration resistor)R7,而第二半电路包括第二输入晶体管Q28、第二电流镜负载(Q20,Q22)和第二发射极负反馈电阻器R8。
电流镜负载交叉耦合于发射极负反馈电阻器R7和R8以在比较器120的切换点提供滞后电压(ΔV),滞后电压定义为在Q27和Q28的发射极测量的差动电压(ΔV=VQ27E-VQ28E)。在感测元件105是霍尔传感器的情况下,VH是霍尔元件两端的偏置电压,ΔV≈(VH/N)*(R7/R6),其中N的值依赖于Q27和Q28的集电极电流与流入发射极电阻器R7和R8的镜像反馈电流的比率,并且还依赖于第一电流调节器155的输入和输出电流的比率。R6在这里称为匹配电阻器,以下清楚地给出理由。第一电流调节器155包括匹配电阻器R6、及晶体管Q23和Q24。匹配电阻器R6向作为电流镜连接的晶体管Q23和Q24传送输入电流,并且可以被缩放(scaled)以设定在Q24的集电极中流动的输出电流与流过R6的输入电流的比率。第一电流调节器155的输出电流也是比较器120的偏置电流。匹配电阻器R6耦合于VREG以便R6两端的电压大约与显示为霍尔元件105的感测元件105两端的电压相等。该布置减小了磁性作用并且解除了对VREG的敏感性,因为来自滞后电压(ΔV)和霍尔元件105的感测信号(106,107)都与VREG成比例。
来自电压调节器140的调节电压VR显示为耦合至电流镜负载晶体管(Q19,Q21和Q22,Q20)的发射极。这些电流镜负载晶体管示为实现为多集电极横向PNP,其中第一和第二电流镜负载提供差动驱动电流121(IO1)和122(IO2)。
图7是根据本发明实施例的显示为连接到开路集电极NPN输出晶体管130的输出驱动器125的电路原理图。驱动器125从比较器120接收电流IO1和IO2。输出晶体管130(显示为Q33)的工作由源送(source)入Q29基极的IO2控制,其随后操作Q30以向Q33的基极提供需要的驱动电流。流过R9的驱动电流产生由Q31感测的电压降,通过限制可用于Q29基极的IO2的量,Q31调节驱动电流。R9的正温度系数与Q31的基极-发射极电压的负温度系数一起作用,在低温下产生较高的驱动电流来补偿在低温下Q33电流增益的减小。Q33的断开由将电流源送入Q25和Q26的IO1控制,Q25和Q26连接作为电流镜。Q26断开Q29,并且随后断开Q33的驱动电流。退出Q25和Q26的发射极的电流将电流源送入Q32的基极,Q32提供Q33的快速断开。电阻器R13和R14分别确保Q30和Q32的充分断开。
数字磁性传感器通常希望具有磁切换点和滞后,所述滞后在传感器的工作温度范围内具有最小的改变。根据本发明的一个实施例,来自例如霍尔元件105的感测元件105的感测信号电压、差动放大器115的电压增益和比较器120的滞后电压的温度相关性可以以提供相关性抵消的方式组合。在这里与基于带有n型外延层的双极技术、包括硅基集成电路的实施例相关地描述由这种组合产生的传感器磁参数的温度补偿。
图2中所示的传感器电路200的磁滞(ΔB)与比较器120的滞后电压成比例,以上表述为ΔV≈(VH/N)*(R7/R6)。ΔB与霍尔元件105的磁响应度(RH)和差动放大器115的电压增益(AV)都成反比,给出ΔB≈ΔV/(RH*AV),其中RH为伏特/特斯拉国际单位制。RH可以描述为RH≈VH*μH*G/λ,其中:VH是霍尔单元偏置电压,μH是包括霍尔散射因数的霍尔迁移率以及G/λ比代表依赖于特定霍尔元件几何形状的无量纲常数。差动放大器增益的部分温度补偿根据跨导(gm)显而易见,表达为gm≈IREG1/(2*VT),IREG1≈VT*ln3/R2或gm≈ln3/(2*R2),其中VT抵消掉,仅留下分母中的温度系数R2。
如上所述,差动放大器的小信号电压增益(AV)可以表达为AV≈gm*R4,R4=R5。AV因而与R4成正比并且与R2成反比;AV≈ln3*R4/(2*R2)。展开对于磁滞的上面的等式,给出ΔB≈(VH/N)*(R7/R6)/((VH*μH*G/λ)*(ln3*R4/(2*R2)),由此:VH抵消掉,R4和R7的温度系数基于由从相同扩散层制造而提供的紧密匹配而抵消掉,并且如果匹配电阻器R6也由相同的外延层制造,由于构成霍尔元件的n型外延(epi)层的体电导率的缘故,匹配电阻器R6的温度系数将抵消掉在霍尔迁移率(μH)中固有的温度系数。除了R2的温度系数和霍尔迁移率散射参数,所有温度系数显示为在ΔB的表达式中直接抵消掉。然而,可以进一步改进温度系数的抵消。例如,R2可以从特定扩散p型层制造,从而p型层电导率的负温度系数在宽的温度范围内将几乎抵消掉霍尔迁移率散射因数的正温度系数。在这种布置中,对传感器电路200的ΔB的温度补偿变得几近理想。
根据本发明实施例的比较器对需要处理差动输入以提供具有滞后的数字输出的各种数字输出应用来说是有用的。根据本发明实施例的实现为霍尔传感器的传感器通常实现具有50高斯操作和释放(operate and release)的锁存性能,不需要电阻器微调来实现磁锁存性能,并且通常在分别为3到24伏和-40到150℃的电压和温度范围内操作。根据本发明实施例的传感器通常如上所述是反向电池保护的并且将通常适合低成本封装,例如SOT-23W封装。
本发明的实施例可以被集成到多种工艺流程来形成多种装置和相关产品。除例如位置和电流传感器的磁场传感器之外,示例性装置和产品包括温度、和压力传感器。
半导体衬底可以包括在其中的各种元件和/或在其上的层。这些可以包括阻挡层、其他电介质层、器件结构、有源元件和无源元件,包括源区、漏区、基极、发射极、集电极、导线、导电通孔等。而且,虽然本发明一般采用双极晶体管进行了描述,但是本发明的实施例可以利用包括CMOS、BiCMOS和MEMS的多种其他工艺。
虽然以上描述了本发明的各种实施例,但是应当理解的是,它们仅仅作为例子而呈现,并且不作为限制。根据这里的公开,在不偏离本发明的精神或范围的情况下,可以对公开的实施例进行众多改变。因此,本发明的宽度和范围不应被上述任何实施例所限制。相反,本发明的范围应当根据以下权利要求书和其等同物来限定。
虽然本发明就一个或多个实施方式进行了说明和描述,但是本领域其他技术人员在阅读和理解了本说明书及其附图之后将会想到等价的变换和修改。而且,虽然本发明的特定特征已经就多个实施方式中的仅仅一个进行了公开,但是如对于任何给定的或特定的应用来说是希望的和有利的那样,该特征可以与其他实施方式的一个或多个其他特征相结合。
这里使用的术语仅仅是为了描述特定实施例的目的,并且不意图限制本发明。这里使用的单数形式“一”、和“该”意指也包括复数形式,除非上下文另外清楚地指明。而且,就术语“包括”、“包含”、“有”、“具有”、“带有”、或它们的变形在详细的说明书和/或权利要求中的使用来说,这些术语意指以与术语“包含”类似的方式而包括。
除非另外限定,这里使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属的该领域普通技术人员通常的理解相同的意义。进一步要理解的是,例如那些在通常使用的字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关领域的上下文中的意思相一致的意思并且不会被以理想意义或过度正式的意义来解释,除非这里特别地这样定义。
提供本公开的摘要以符合美国联邦法规第37篇第1.72(b)条(37C.F.R.§1.72(b)),摘要允许读者快速确定技术公开的本质。应当理解的是,它将不被用于解释或限制以下权利要求书的范围或意义。
Claims (11)
1、一种数字输出传感器(110),包括:
包括至少一个感测元件的感测结构(105),所述感测结构输出差动感测信号(106,107),和
包括含有用于调节所述感测信号的信号调节电路的衬底(101)的集成电路(100),所述信号调节电路包括:
耦合以接收所述感测信号并提供第一和第二差动输出(116,117)的差动放大器(115);
具有耦合以接收来自所述差动放大器(115)的输出的输入晶体管(Q27,Q28)的比较器(120),所述比较器(120)包括以交叉耦合配置耦合于所述输入晶体管来提供滞后的第一和第二电流镜负载,所述第一和第二电流镜负载(Q19/Q21和Q22/Q20)提供差动驱动电流;
耦合以接收所述差动驱动电流(121,122)的输出驱动器(125);
包括至少一个输出晶体管的输出级(130),该输出晶体管耦合于为所述传感器提供数字输出的所述输出驱动器(125),和
耦合以接收电源电压(VS)并输出至少一个调节电源电压(VREG)的电压调节器(140),所述调节电源电压耦合于所述感测结构(105)、所述差动放大器(115)和所述比较器(120)。
2、根据权利要求1所述的数字输出传感器(110),其中,所述输入晶体管包括第一和第二输入晶体管(Q27,Q28),所述第一电流镜负载(Q19/Q21)耦合于所述第一输入晶体管(Q27)的集电极,并且所述第二电流镜负载(Q22/Q20)耦合于所述第二输入晶体管(Q28)的集电极。
3、根据权利要求1所述的数字输出传感器(110),其中,所述比较器(120)进一步包括第一电流调节器(155),所述第一电流调节器包括耦合于所述调节电源电压(VS)的匹配电阻器(R6)和耦合于所述匹配电阻器(R6)的电流镜(Q23,Q24),其中,所述电流镜(Q23,Q24)耦合以为所述比较器(120)提供偏置电流,
其中,所述匹配电阻器(R6)两端的电压大约与所述感测结构(105)两端的电压相等。
4、根据权利要求3所述的数字输出传感器(110),其中,所述第一电流调节器(155)提供温度系数,该温度系数相对于由所述感测结构(105)提供的所述差动感测信号(106,107)的温度系数来说在所述数字输出传感器(110)的磁滞传递函数中具有倒数关系,和
所述调节电源电压(VREG)的系数对于由所述感测结构(105)提供的所述差动感测信号(106,107)的所述调节电源电压的系数来说在所述传递函数中具有倒数关系。
5、根据权利要求2所述的数字输出传感器(110),其中,所述第一电流镜负载(Q19/Q21)交叉耦合至所述第二输入晶体管(Q28)的发射极并且所述第二电流镜负载(Q20/Q22)交叉耦合至所述第一输入晶体管(Q27)的发射极。
6、根据权利要求1所述的数字输出传感器,进一步包括在所述第一电流镜负载(Q19/Q21)和所述第二电流镜负载(Q20/Q22)之间的交叉耦合。
7、一种集成数字输出霍尔效应传感器(110),包括:
包括硅衬底(101)的集成电路(100);
在所述衬底(101)中或所述衬底(101)上包括至少一个霍尔元件的感测结构(105),所述感测结构输出差动输出感测信号(106,107),和
用于调节所述感测信号的信号调节电路,所述信号调节电路包括:
耦合以接收所述感测信号(106,107)并提供第一和第二差动输出(116,117)的差动放大器(115),所述差动放大器(115)耦合于VT参考电流调节器(150);
具有包括耦合以接收来自所述差动放大器(115)的输出的第一和第二输入晶体管(Q27,Q28)的输入晶体管的比较器(120),所述比较器包括以交叉耦合配置耦合于所述输入晶体管来提供滞后的第一和第二电流镜负载(Q19/Q21和Q22/Q20),所述第一和第二电流镜负载(Q19/Q1和Q22/Q20)提供差动驱动电流(121,122),其中,所述第一电流镜负载(Q19/Q21)耦合于所述第一输入晶体管(Q27)的集电极,并且所述第二电流镜负载(Q22/Q20)耦合于所述第二输入晶体管(Q28)的集电极;
耦合以为所述比较器(120)提供偏置电流的电阻器参考电流调节器(155),该电阻器参考电流调节器提供温度系数,该温度系数对于耦合至所述比较器(120)的所述差动感测信号(106,107)的温度系数来说在所述数字输出传感器(110)的磁滞传递函数中具有倒数关系,所述电阻器参考电流调节器(155)也提供所述调节电源电压的系数,该系数对于所述差动感测信号(106,107)的所述调节电源电压(VS)的系数来说在所述传递函数中具有倒数关系;
耦合以接收所述差动驱动电流(121,122)的输出驱动器(125);
耦合于所述输出驱动器(125)以为所述传感器(110)提供数字输出的输出级(130),其中,所述输出级是开路集电极(135)输出级,其接收来自所述输出驱动器(125)的电流调节基极驱动,和
用于接收电源电压(VS)并输出至少一个调节电源电压(VREG)的电压调节器(140),所述调节电源电压耦合于所述感测结构(105)、所述差动放大器(115)和所述比较器(120),其中,所述电压调节器(140)包括产生启动电流(ISU)的启动电路(Q7,Q8),其中,所述启动电流耦合于所述VT参考电流调节器(150)。
8、根据权利要求7所述的霍尔效应传感器(110),其中,所述交叉耦合配置包括所述第一电流镜负载(Q19/Q21)交叉耦合至所述第二输入晶体管(Q28)的发射极以及所述第二电流镜负载(Q22/Q20)交叉耦合至所述第一输入晶体管(Q27)的发射极,进一步包括在所述第一和所述第二输入晶体管(Q27,Q28)的所述发射极和所述电阻器参考电流调节器(155)之间耦合的第一和第二电阻器。
9、根据权利要求7所述的霍尔效应传感器(110),进一步包括在所述第一电流镜负载(Q19/Q21)和所述第二电流镜负载(Q22/Q20)之间的交叉耦合。
10、一种比较器(120),包括:
包括耦合以接收差动输出(VA,VB)的第一和第二输入晶体管(Q27,Q28)的输入晶体管,和
以交叉耦合配置耦合于所述输入晶体管(Q27,Q28)来提供滞后的第一(Q19/Q21)和第二电流镜负载(Q19/Q21),Q22/Q20),所述第一和第二电流镜负载(Q19/Q21),Q22/Q20)提供差动驱动电流(IO1,IO2),其中,所述第一电流镜负载(Q19/Q21)耦合于所述第一输入晶体管(Q27)的集电极,并且所述第二电流镜负载(Q22/Q20)耦合于所述第二输入晶体管(Q28)的集电极。
11、根据权利要求10所述的比较器,进一步包括分别耦合于所述第一和第二输入晶体管(Q27,Q28)的发射极的第一和第二发射极负反馈电阻器(R7,R8),所述交叉耦合包括所述第一电流镜负载(Q19/Q21)耦合于所述第二发射极负反馈电阻器(R8)和所述第二电流镜负载(Q22/Q20)耦合于所述第一发射极负反馈电阻器(R7)以提供所述滞后。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US12/196,979 | 2008-08-22 | ||
US12/196,979 US8098062B2 (en) | 2008-08-22 | 2008-08-22 | Comparator circuit having latching behavior and digital output sensors therefrom |
US12/196979 | 2008-08-22 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN101672658A true CN101672658A (zh) | 2010-03-17 |
CN101672658B CN101672658B (zh) | 2014-04-02 |
Family
ID=41695750
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN200910205739.5A Active CN101672658B (zh) | 2008-08-22 | 2009-08-21 | 具有锁存行为的比较器电路及由其得到的数字输出传感器 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US8098062B2 (zh) |
CN (1) | CN101672658B (zh) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103115587A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-05-22 | 济南海能仪器股份有限公司 | 旋转编码器的记数装置 |
CN103825591B (zh) * | 2014-03-13 | 2016-08-17 | 北京经纬恒润科技有限公司 | 一种开关型霍尔芯片 |
CN106257836A (zh) * | 2015-06-16 | 2016-12-28 | 飞思卡尔半导体公司 | 具有内建恒定滞后的轨到轨比较器 |
CN106292813A (zh) * | 2015-05-14 | 2017-01-04 | 快捷半导体(苏州)有限公司 | 迟滞比较器、集成电路及电压比较方法 |
Families Citing this family (29)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9823090B2 (en) | 2014-10-31 | 2017-11-21 | Allegro Microsystems, Llc | Magnetic field sensor for sensing a movement of a target object |
US8098062B2 (en) | 2008-08-22 | 2012-01-17 | Honeywell International Inc. | Comparator circuit having latching behavior and digital output sensors therefrom |
CN202586902U (zh) * | 2010-11-22 | 2012-12-05 | 快捷半导体(苏州)有限公司 | 电压比较器电路 |
US8494468B1 (en) * | 2012-01-27 | 2013-07-23 | Research In Motion Limited | Mobile wireless communications device including sensing transistor and hysteretic comparator and related methods |
CN104065367B (zh) | 2013-03-20 | 2017-11-07 | 江苏多维科技有限公司 | 一种低功耗磁电阻开关传感器 |
DE102013008598A1 (de) * | 2013-05-22 | 2014-11-27 | Krohne Messtechnik Gmbh | Messanordnung |
US10495699B2 (en) | 2013-07-19 | 2019-12-03 | Allegro Microsystems, Llc | Methods and apparatus for magnetic sensor having an integrated coil or magnet to detect a non-ferromagnetic target |
US9810519B2 (en) | 2013-07-19 | 2017-11-07 | Allegro Microsystems, Llc | Arrangements for magnetic field sensors that act as tooth detectors |
US9791521B2 (en) * | 2014-03-27 | 2017-10-17 | Texas Instruments Incorporated | Systems and methods for operating a hall-effect sensor without an applied magnetic field |
US9823092B2 (en) | 2014-10-31 | 2017-11-21 | Allegro Microsystems, Llc | Magnetic field sensor providing a movement detector |
US9719806B2 (en) | 2014-10-31 | 2017-08-01 | Allegro Microsystems, Llc | Magnetic field sensor for sensing a movement of a ferromagnetic target object |
US9720054B2 (en) * | 2014-10-31 | 2017-08-01 | Allegro Microsystems, Llc | Magnetic field sensor and electronic circuit that pass amplifier current through a magnetoresistance element |
US10841571B2 (en) | 2015-06-30 | 2020-11-17 | Magna Electronics Inc. | Vehicle camera testing system |
CN105185655B (zh) * | 2015-08-12 | 2017-08-29 | 江苏多维科技有限公司 | 一种磁电阻继电器 |
KR101817976B1 (ko) | 2015-12-30 | 2018-01-12 | 주식회사 현대케피코 | 회전체에 대한 통합 위치 감지 센서 및 방법 |
US10215799B2 (en) * | 2016-02-16 | 2019-02-26 | Magna Electronics Inc. | Diagnositc circuitry for powered sensor multiple unique faults diagnostics and resistive fault tolerant interface to microprocessor |
JP2017161475A (ja) * | 2016-03-11 | 2017-09-14 | 株式会社東芝 | 半導体装置および磁気センサ |
DE102017108654A1 (de) * | 2016-04-26 | 2017-10-26 | Johnson Electric S.A. | Magnetsensor-Integrierte-Schaltung, Motoranordnung und Gebrauchsgerät |
JP6458763B2 (ja) * | 2016-04-28 | 2019-01-30 | トヨタ自動車株式会社 | 自動車 |
US10260905B2 (en) | 2016-06-08 | 2019-04-16 | Allegro Microsystems, Llc | Arrangements for magnetic field sensors to cancel offset variations |
US10041810B2 (en) | 2016-06-08 | 2018-08-07 | Allegro Microsystems, Llc | Arrangements for magnetic field sensors that act as movement detectors |
US9705482B1 (en) * | 2016-06-24 | 2017-07-11 | Peregrine Semiconductor Corporation | High voltage input buffer |
US10540756B2 (en) | 2017-01-19 | 2020-01-21 | Magna Electronics Inc. | Vehicle vision system with lens shading correction |
US10368063B2 (en) | 2017-04-17 | 2019-07-30 | Magna Electronics Inc. | Optical test device for a vehicle camera and testing method |
US10866117B2 (en) | 2018-03-01 | 2020-12-15 | Allegro Microsystems, Llc | Magnetic field influence during rotation movement of magnetic target |
US11255700B2 (en) | 2018-08-06 | 2022-02-22 | Allegro Microsystems, Llc | Magnetic field sensor |
US10823586B2 (en) | 2018-12-26 | 2020-11-03 | Allegro Microsystems, Llc | Magnetic field sensor having unequally spaced magnetic field sensing elements |
US11237020B2 (en) | 2019-11-14 | 2022-02-01 | Allegro Microsystems, Llc | Magnetic field sensor having two rows of magnetic field sensing elements for measuring an angle of rotation of a magnet |
US11280637B2 (en) | 2019-11-14 | 2022-03-22 | Allegro Microsystems, Llc | High performance magnetic angle sensor |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4634897A (en) * | 1983-09-06 | 1987-01-06 | Nec Corporation | Comparator having a hysteresis characteristic |
US4833406A (en) * | 1986-04-17 | 1989-05-23 | Household Commercial Financial Services Inc. | Temperature compensated Hall-effect sensor apparatus |
US4908527A (en) * | 1988-09-08 | 1990-03-13 | Xolox Corporation | Hall-type transducing device |
US5619137A (en) * | 1996-02-12 | 1997-04-08 | Allegro Microsystems, Inc. | Chopped low power magnetic-field detector with hysteresis memory |
CN1957239A (zh) * | 2004-03-24 | 2007-05-02 | 奇梦达股份公司 | 温度传感器方案 |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE59109002D1 (de) * | 1991-07-31 | 1998-07-09 | Micronas Intermetall Gmbh | Hallsensor mit Selbstkompensation |
US5838150A (en) * | 1996-06-26 | 1998-11-17 | Micron Technology, Inc. | Differential voltage regulator |
DE10312221A1 (de) * | 2003-03-19 | 2004-10-07 | Infineon Technologies Ag | Spannungsregler mit einstellbarer Ausgangsimpedanz |
CN2852533Y (zh) * | 2005-06-15 | 2006-12-27 | 易亨电子股份有限公司 | 磁感应切换电路及使用该电路的电子装置 |
KR100841730B1 (ko) * | 2006-11-20 | 2008-06-27 | 삼성전기주식회사 | 슈미트 트리거를 이용한 오실레이터 |
US20080238513A1 (en) * | 2007-03-29 | 2008-10-02 | Catalyst Semiconductor, Inc. | Hysteresis Circuit Without Static Quiescent Current |
US8269478B2 (en) * | 2008-06-10 | 2012-09-18 | Analog Devices, Inc. | Two-terminal voltage regulator with current-balancing current mirror |
US8098062B2 (en) * | 2008-08-22 | 2012-01-17 | Honeywell International Inc. | Comparator circuit having latching behavior and digital output sensors therefrom |
KR101522531B1 (ko) * | 2008-12-30 | 2015-05-26 | 주식회사 동부하이텍 | 히스테리시스 특성을 갖는 비교 장치 및 이를 이용한 전압 레귤레이터 |
KR20120052448A (ko) * | 2010-11-15 | 2012-05-24 | 삼성전기주식회사 | 정류회로를 이용한 홀 집적회로 |
-
2008
- 2008-08-22 US US12/196,979 patent/US8098062B2/en active Active
-
2009
- 2009-08-21 CN CN200910205739.5A patent/CN101672658B/zh active Active
-
2011
- 2011-12-13 US US13/324,500 patent/US8797026B2/en active Active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4634897A (en) * | 1983-09-06 | 1987-01-06 | Nec Corporation | Comparator having a hysteresis characteristic |
US4833406A (en) * | 1986-04-17 | 1989-05-23 | Household Commercial Financial Services Inc. | Temperature compensated Hall-effect sensor apparatus |
US4908527A (en) * | 1988-09-08 | 1990-03-13 | Xolox Corporation | Hall-type transducing device |
US5619137A (en) * | 1996-02-12 | 1997-04-08 | Allegro Microsystems, Inc. | Chopped low power magnetic-field detector with hysteresis memory |
CN1957239A (zh) * | 2004-03-24 | 2007-05-02 | 奇梦达股份公司 | 温度传感器方案 |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103115587A (zh) * | 2012-11-30 | 2013-05-22 | 济南海能仪器股份有限公司 | 旋转编码器的记数装置 |
CN103115587B (zh) * | 2012-11-30 | 2015-05-13 | 济南海能仪器股份有限公司 | 旋转编码器的记数装置 |
CN103825591B (zh) * | 2014-03-13 | 2016-08-17 | 北京经纬恒润科技有限公司 | 一种开关型霍尔芯片 |
CN106292813A (zh) * | 2015-05-14 | 2017-01-04 | 快捷半导体(苏州)有限公司 | 迟滞比较器、集成电路及电压比较方法 |
CN106292813B (zh) * | 2015-05-14 | 2018-11-16 | 快捷半导体(苏州)有限公司 | 迟滞比较器、集成电路及电压比较方法 |
CN106257836A (zh) * | 2015-06-16 | 2016-12-28 | 飞思卡尔半导体公司 | 具有内建恒定滞后的轨到轨比较器 |
CN106257836B (zh) * | 2015-06-16 | 2021-06-08 | 恩智浦美国有限公司 | 具有内建恒定滞后的轨到轨比较器 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US8797026B2 (en) | 2014-08-05 |
CN101672658B (zh) | 2014-04-02 |
US20100045268A1 (en) | 2010-02-25 |
US20120081181A1 (en) | 2012-04-05 |
US8098062B2 (en) | 2012-01-17 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN101672658B (zh) | 具有锁存行为的比较器电路及由其得到的数字输出传感器 | |
US20070080740A1 (en) | Reference circuit for providing a temperature independent reference voltage and current | |
KR20000075825A (ko) | 자기 센서 | |
US5094546A (en) | Ic temperature sensor with reference voltages supplied to transistor bases | |
US20100111137A1 (en) | Temperature sensing circuit using cmos switch-capacitor | |
JPH0774550A (ja) | 過熱検出回路 | |
US10816613B2 (en) | Magnetic sensor circuit | |
JP6042117B2 (ja) | 定電圧電源装置 | |
JP6270002B2 (ja) | 擬似抵抗回路及び電荷検出回路 | |
EP1718932B1 (en) | Series bridge circuit | |
JP3166678B2 (ja) | 半導体集積回路 | |
JP2001217692A (ja) | 電圧比較回路およびこれを用いた基板バイアス調整回路 | |
US6664856B2 (en) | Circuit configuration for setting the operating point of a radiofrequency transistor and amplifier circuit | |
JP4233711B2 (ja) | センサ閾値回路 | |
US6653713B2 (en) | Thin film resistor with stress compensation | |
US10078022B2 (en) | Determining mechanical stress | |
US11378598B2 (en) | Semiconductor integrated circuit device and current detection circuit | |
US6768139B2 (en) | Transistor configuration for a bandgap circuit | |
JP4029757B2 (ja) | ヒステリシス付コンパレータ | |
US20240235504A9 (en) | System for Detecting External Reference Resistor in Voltage Supply Path | |
US20240136989A1 (en) | System for Detecting External Reference Resistor in Voltage Supply Path | |
JP2019165537A (ja) | 半導体集積回路 | |
US20070229153A1 (en) | Fet Bias Circuit | |
US5631608A (en) | Driver for N-channel VFET output stage of power amplifier | |
US7102443B2 (en) | Temperature-stabilized amplifier circuit |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant |