CN101762796A - 磁场检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁场检测器，包括霍尔盘，霍尔盘检测到磁场产生的感应电压通过第一级调制器送到运算放大器CPA1中，CPA1将放大后的感应电压通过第二级调制器和低通滤波器LF1消除CPA1的失调电压影响，并通过低通滤波器LF1中的开关电容电路得到需要比较的电压，最后输入到比较器COMP1中和温度及电压自补偿电路的输出电压进行比较得到最终的输出。本发明不仅增加电路的可靠性，而且降低了电路的复杂程度，减少成本。

Description

磁场检测器
技术领域
本发明涉及半导体集成电路领域，尤其涉及一种磁场检测器。
背景技术
在现代工业中，用到开关型磁场检测器和线性磁场检测器的领域越来越多。主要是汽车电子和消费电子领域，各种应用场合对磁场检测器的精度和可靠性有着不同的要求。
在现有技术中，磁场检测器存在以下不足：第一，由于用于检测磁场强度的关键器件霍耳盘的电阻会受温度和电压的影响，从而会使整个***的误差加大。第二，高端线性磁场检测器会在芯片内集成很复杂的多阶温度补偿电路来消除整个***的温度误差，复杂的电路设计会导致芯片的成本大幅上升，从而只能应用在比较昂贵的平台上，限制了应用的范围。第三：电路结构比较简单的开关型磁场检测器出于芯片成本的考虑则很少进行补偿，使得大部分的开关型磁场检测器只能用在要求不高的一些低档平台上。
并且，如图8所示，已有技术中霍尔盘和失调电压补偿电路以及第一级调制器的电路比较复杂。
线性磁场检测器价格偏高，普通的开关型磁场检测器性能不尽如人意，使得很多需要使用磁场检测器的工业制品很难抉择，影响了磁场检测器向更多的工业领域的扩展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种磁场检测器，能够减少霍尔盘的受温度和电压的影响，降低整个***的误差，同时也可以消除***的温度误差。
为解决上述技术问题，本发明磁场检测器的技术方案是，包括霍尔盘，霍尔盘检测到磁场产生的感应电压通过第一级调制器送到运算放大器CPA1中，CPA1将放大后的感应电压通过第二级调制器和低通滤波器LF1消除CPA1的失调电压影响，并通过低通滤波器LF1中的开关电容电路得到需要比较的电压，最后输入到比较器COMP1中和温度及电压自补偿电路的输出电压进行比较得到最终的输出。
作为本发明的进一步改进是，所述的霍尔盘连接有失调电压补偿电路。
作为本发明另一种进一步改进是，所述的温度及电压自补偿电路由分压电阻梯组成，在VDD与GND之间依次包括R10、R20、R30、R40，其中R10和R40为与霍尔盘相同注入浓度的N阱电阻，R20和R30为多晶硅电阻，并且电阻R10和R40在版图上靠近霍耳盘，从而使得在进行离子注入时和霍耳盘的注入浓度相同，并获得和霍耳盘完全一样的温度和电压特性。
本发明的温度和电压自补偿电路的输出可以随着温度和电压的变化而变化，从而消除了霍尔盘HP1的电阻随温度和电压变化的影响，并且利用增加电容对运算放大器CPA1改进相位补偿，增加了CPA1的稳定性，另外，通过将第二级调制器和低通滤波器LF1合并成一组开关电容电压，从而在消除运算放大器CPA1的失调电压的同时得到COMP1的输入，并且，本发明通过用控制霍耳盘失调电压补偿电路的时钟来控制第一级调制器来使得第一级调制器可以和霍耳盘失调电压补偿电路合并，降低了电路的复杂程度，减少成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：
图1为本发明磁场检测器结构示意图；
图2为本发明中霍尔盘结构示意图；(原来写的是端点连接示意图)
图3为本发明中霍尔盘与时钟信号连接示意图；
图4为本发明中运算放大器结构示意图；
图5为温度及电压自补偿电路图；
图6为本发明中调制器和低通滤波器电路图；
图7为本发明中各个控制信号的时序图；
图8为已有技术中霍尔盘、失调电压补偿电路及第一级调制器电路图；
图9为本发明用控制失调电压补偿电路时钟控制第一级调制器电路图。
图中附图标记为失调电压补偿电路模块为1，霍尔盘模块为2，第一级调制器为3，运算放大器CPA1为4，第二级调制器为5，低通滤波器为6，比较器COMP1为7，温度及电压补充电路为8。
具体实施方式
如图1所示，本发明的磁场检测器包括以下部分：
包括霍尔盘2，还包括与霍尔盘2相连接的失调电压补偿电路1，霍尔盘2检测到磁场产生感应电压通过第一级调制器3送到运算放大器CPA1中，CPA1将放大后的感应电压通过第二级调制器5和低通滤波器LF1消除CPA1的失调电压影响，并通过低通滤波器LF1中的开关电容电路得到需要比较的电压，最后输入到比较器COMP1中和温度及电压自补偿电路8的输出电压进行比较得到最终的输出。
如图2所示，在本发明中，霍尔盘是一种特殊注入浓度的N阱，并且霍尔盘的四端两两交替。并且，如图3所示，所述的霍尔盘的HPA端通过时钟控制信号CK1接VDD、通过时钟控制信号CK2接VIN，霍尔盘的HPB端通过时钟控制信号CK2接VDD、通过时钟控制信号CK1接VIP，霍尔盘的HPC端通过时钟控制信号CK1接GND、通过时钟控制信号CK2接VIP，霍尔盘的HPD端通过时钟控制信号CK2接GND、通过时钟控制信号CK1接VIN，时钟控制信号CK1和CK2的相位相反。
时钟控制信号CK1和CK2的相位相反。在CK1时刻，HP1的HPA端和HPC端加VDD和GND，此时HPB端和HPD端感应出霍耳电压，在CK2时刻，HP1的HPB端和HPD端加VDD和GND，此时HPC端和HPA端感应出霍耳电压，通过这种四端两两交替输出的方式可以将HP1由于工艺偏差造成的失调电压降到最小。
本发明中还针对运算放大器CPA1采用了改进的相位补偿方法，如图4所示，运算放大器CPA1包括两个相同的运算放大器AMP1和AMP2分别对AINP和AINN进行放大，运算放大器AMP1的输入端接AINP，输出端为VOP，电阻R2两端接在运算放大器AMP1的输出端VOP与反馈端之间，电容C1与电阻R2并联接在运算放大器AMP1输出端VOP与反馈端之间，电阻R1一端与运算放大器AMP1的反馈端相连接，另一端与电阻R1’相连接，电阻R2’与电阻R1’的另一端相连接，运算放大器AMP2的输入端接AINN，输出端为VON，电阻R2’在其反馈端与输出端VON之间，电容C2与电阻R2’相连接，并联在运算放大器AMP2的反馈端与输出端之间。
并且，在本发明中，C1＝C2＝1pF，CPA1的增益为(R2+R1)/R1。采用两个一样的运算放大器AMP1和AMP2分别对VINP和VINN进行放大，C1和C2就是改进后加入的补偿电容，通常运算放大器的补偿电容会加在运算放大器第二级的输入和输出之间，但是由于运算放大器工作时第二级输入输出电压差较大时会对补偿电容充电，所以过大的补偿电容会导致充放电时间过长使运算放大器速度降低。而且两个运算放大器在工作的时候互为另一个运算放大器的负载使得运算放大器的相位裕度下降导致电路振荡，本发明在每个运算放大器的输出端和反馈输入端加上一个1pF的电容，不仅改善了运算放大器的相位裕度而且由于电容两端电压差很小所以不存在充放电的问题，也就不会影响运算放大器的速度。
另外，本发明还通过温度和电压补偿电路补偿霍尔盘电阻的温度和电压特性。一般，当磁场强度大于工作点(operating point，简称BOP)时，芯片的输出就会由高电平变成低电平，当磁场强度小于释放值BRP(releasepoint，简称BRP)时，磁场强度就会从低电平变成高电平。如图5所示，温度和电压自补偿电路就是一个采用不同类型电阻组成的分压电阻梯，由于霍尔盘HP1是一个特殊注入浓度的N阱，所以霍尔盘HP1的电阻会随随温度和VDD的变化而变化，当温度从-40度到125度时，霍尔盘HP1的电阻也会有-30％到50％的变化。例如当温度为-40度时，霍尔盘HP1的电阻变小，感应电压增大，此时如果VL-VC和VC-VH的值不变的话，磁场强度在还没有达到BOP和BRP时检测器的输出就会发生翻转。同理当高温时，磁场强度要大于BOP和小于BRP时检测器的输出才会翻转，这样就造成了BOP和BRP两个值不够精确。在图5中，R10和R40为N阱电阻，R20和R30为多晶硅电阻。本发明中将R10和R40换成和霍尔盘HP1相同注入浓度的N阱电阻，并在版图上使这两个电阻尽量靠近霍尔盘HP1，这样R10和R40的阻值也会随着温度和电压的变化有着和HP1电阻相同比例的变化，这样可以使得VL-VC和VC-VH的绝对值在低温时增大而在高温时减小，刚好抵消了HP1电阻变化导致的霍尔感应电压的变化，从而使BOP和BRP的值变得比较稳定精确。同理，HP1电阻随VDD变化而变化的影响也可以用R10和R40随VDD变化而变化来抵消。即在温度和电压变化时由于R10和R40的电阻值的变化和霍耳盘电阻值的变化比例相同，从而VL-VC和VH-VC的绝对值也产生同比例的变化，从而抵消掉了温度和电压变化产生的影响。
如图6、7所示，在本发明中，调制器和低通滤波器LF1合并为一组开关电容电路，该组开关电容电路可以同时完成CPA1失调电压的消除和提供比较器COMP1输入电压的功能。
在CPA1的输入端加了一个VOS的电压代表CPA1的失调电压电压，设CPA1的增益为A，COMP1的初始输出为低电平，在CP1为高电平的时刻，C3，C4和C5正极板上的电荷量Q3，Q4和Q5分别是：
Q3＝A(VIP-VIN+VOS)C；Q4＝0；Q5＝2(VL-VC)C
当CP2为高电平的时候，Q3，Q5不变，Q4变为A(VIP-VIN-VOS)C，此时C3，C4和C5上的总电荷量为：
Q3+Q4+Q5＝2A(VIP-VIN)C+2(VL-VC)C    式(1)
由式(1)可见，三个电容上的电荷相加后刚好就可以消除掉CPA1的失调电压。当STRB信号为高电平的时候，三个电容的正极板上的电压虽然都变成了VX，但是由于电荷守恒原理，总的电量并没有变化，可得：
(VX-VC)(C3+C4+C5)＝4(VX-VC)C＝Q3+Q4+Q5    式(2)
由式(2)和式(1)可得：
VX-VC＝[A(VIP-VIN)+(VL-VC)]/2    式(3)
比较器COMP1的工作原理就是当VX-VC＞0时，COMP1输出为高电平，当VX-VC＜0时，COMP1输出为低电平。
A(VIP-VIN)是经过CPA1放大A倍后的感应电压，由于VL-VC为负值，所以A(VIP-VIN)必须大于|VL-VC|才能使VX-VC＞0，也才能使COMP1的输出变为高，磁场检测器的输出才能由高变为低，这个时刻的磁场强度就是BOP，同理当磁场由强到弱减小时，A(VIP-VIN)要小于VC-VH这个负值后磁场检测器的输出才能由低变高，此时的磁场强度就是BRP。可以看出，开关电容电路在CP1和CP2两个时刻分别对CPA1的输出和温度及电压自补偿电路的输出进行采样，在STRB时刻进行电荷运算将CPA1的失调电压消除并且同时得到VX-VC的值。
如图9所示，在本发明中用控制失调电压补偿电路的时钟控制第一级调制器。由于第一级调制器1主要用来对HP1的输出进行采样，所以控制第一级调制器1的采样时钟CP1和CP2可以用控制失调电压补偿电路的时钟CK1和CK2来代替，从而进一步可以将失调电压补偿电路中的一组开关和第一级调制器1进行复用，在不影响后续电路时序的情况下降低了电路的复杂度。
本发明通过将温度及电压自补偿电路中的R10和R40使用N阱电阻并在版图上和霍尔盘HP1尽量靠近后，R10，R40和HP1的温度和电压特性已经基本上一致了，可以对HP1电阻随温度和电压的变化产生很好的补偿作用。另外，两级调制器和低通滤波器也能很好的消除运算放大器的CPM的电压失调。CPA1中新增的补偿电容也能使得CPA1有更好的相位裕度和稳定性。

Claims (8)

1.一种磁场检测器，其特征在于，包括霍尔盘，霍尔盘检测到磁场产生的感应电压通过第一级调制器送到运算放大器CPA1中，CPA1将放大后的感应电压通过第二级调制器和低通滤波器LF1消除CPA1的失调电压影响，并通过低通滤波器LF1中的开关电容电路得到需要比较的电压，最后输入到比较器COMP1中和温度及电压自补偿电路的输出电压进行比较得到最终的输出。
2.根据权利要求1所述的磁场检测器，其特征在于，所述的霍尔盘连接有失调电压补偿电路。
3.根据权利要求1所述的磁场检测器，其特征在于，所述的温度及电压自补偿电路由分压电阻梯组成，在VDD与GND之间依次包括R10、R20、R30、R40，其中R10和R40为与霍尔盘相同注入浓度的N阱电阻，R20和R30为多晶硅电阻，并且电阻R10和R40在版图上靠近霍耳盘，从而使得在进行离子注入时和霍耳盘的注入浓度相同，并获得和霍耳盘完全一样的温度和电压特性。
4.根据权利要求1所述的磁场检测器，其特征在于，所述的霍尔盘的四端两两交替，以HPA和HPC为一组，HPB和HPD为一组，两组进行交替。
5.根据权利要求4所述的磁场检测器，其特征在于，所述的霍尔盘的HPA端通过时钟控制信号CK1接VDD、通过时钟控制信号CK2接VIN，霍尔盘的HPB端通过时钟控制信号CK2接VDD、通过时钟控制信号CK1接VIP，霍尔盘的HPC端通过时钟控制信号CK1接GND、通过时钟控制信号CK2接VIP，霍尔盘的HPD端通过时钟控制信号CK2接GND、通过时钟控制信号CK1接VIN，时钟控制信号CK1和CK2的相位相反，在CK1为高的时刻，HPA接VDD，HPC接GND，HPB和HPD作为感应电压的输出端；在CK2为高的时刻，HPB接VDD，HPD接GND，HPA和HPC作为感应电压的输出端。
6.根据权利要求1所述的磁场检测器，其特征在于，运算放大器CPA1包括两个相同的运算放大器AMP1和AMP2分别对AINP和AINN进行放大，运算放大器AMP1的输入端接AINP，输出端为VOP，电阻R2两端接在运算放大器AMP1的输出端VOP与反馈端之间，电容C1与电阻R2并联接在运算放大器AMP1输出端VOP与反馈端之间，电阻R1一端与运算放大器AMP1的反馈端相连接，另一端与电阻R1’相连接，电阻R2’与电阻R1’的另一端相连接，运算放大器AMP2的输入端接AINN，输出端为VON，电阻R2’在其反馈端与输出端VON之间，电容C2与电阻R2’相连接，并联在运算放大器AMP2的反馈端与输出端之间。
7.根据权利要求1所述的磁场检测器，其特征在于，第二级调制器和低通滤波器LF1合并为一组开关电容电路，开关电容电路在消除CPA1失调电压的同时提供比较器COMP1的输入电压。
8.根据权利要求2所述的磁场检测器，其特征在于，用控制失调电压补偿电路的时钟控制第一级调制器。
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