一種應(yīng)用于霍爾傳感器的旋轉(zhuǎn)電流電路的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于霍爾傳感器的旋轉(zhuǎn)電流電路，屬于電學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器，霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的結(jié)構(gòu)牢固，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。通過(guò)它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應(yīng)力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉(zhuǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)速以及工作狀態(tài)發(fā)生變化的時(shí)間等，轉(zhuǎn)變成電量來(lái)進(jìn)行檢測(cè)和控制。
[0003]然而基于硅工藝的霍爾傳感器的磁場(chǎng)靈敏度低，失調(diào)很嚴(yán)重，必須采用相應(yīng)的技術(shù)來(lái)消除失調(diào)，通常采用二相旋轉(zhuǎn)電流法。但由于旋轉(zhuǎn)電流電路MOS開(kāi)關(guān)的非理想性，存在導(dǎo)通電阻，導(dǎo)致共模電壓偏離正常的工作點(diǎn)；又由于寄生電容的影響效應(yīng)，導(dǎo)致在該周期本應(yīng)關(guān)斷的器件，仍有信號(hào)輸出，影響了旋轉(zhuǎn)電流電路的正常工作。
[0004]傳統(tǒng)的霍爾傳感器二相旋轉(zhuǎn)電流電路如圖1所示，在進(jìn)行每一相旋轉(zhuǎn)電流時(shí)，4個(gè)MOSFET管導(dǎo)通，另外4個(gè)MOSFET管開(kāi)關(guān)截止，因此可以用如圖2所示的電路來(lái)說(shuō)明。圖2中霍爾器件可以等效為一個(gè)惠斯通電橋，四個(gè)橋臂電阻來(lái)模擬霍爾器件的電阻特性，可以用三個(gè)相等電阻R和一個(gè)不等電阻(R+AR)來(lái)模擬霍爾器件的內(nèi)部失調(diào)，而用兩個(gè)電壓源(VH+, VH-)等效兩個(gè)輸出端產(chǎn)生的霍爾電壓。在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通周期，由于MOSFET開(kāi)關(guān)的非理想性，存在導(dǎo)通電阻(Ronl, Ronr, Ront, Ronb)。由于決定MOSFET導(dǎo)通電阻的柵源電壓并不一致，導(dǎo)致MOSFET開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻相差較大，使得輸出的共模電壓并非在Vdd/2附近(Vdd為電源電壓)。此外又由于MOS管存在寄生電容效應(yīng)，導(dǎo)致該相旋轉(zhuǎn)電流本應(yīng)關(guān)斷的MOSFET仍有信號(hào)輸出，從而對(duì)其他工作的旋轉(zhuǎn)電流電路的輸出產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重影響了后續(xù)的失調(diào)信號(hào)消除和霍爾信號(hào)的放大。而本發(fā)明能夠很好地解決上面的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明目的在于針對(duì)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電流電路中MOSFET開(kāi)關(guān)失配和寄生電容問(wèn)題，提出了一種應(yīng)用于霍爾傳感器的旋轉(zhuǎn)電流電路，該電路能夠消除旋轉(zhuǎn)電流電路中MOSFET開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻和寄生電容干擾，解決了實(shí)際應(yīng)用中MOSFET開(kāi)關(guān)的非理想性因素和穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)電流電路的共模輸出電壓的問(wèn)題。同時(shí)，該電路還能夠應(yīng)用于集成2D霍爾傳感器電路，并能夠消除X軸和Y軸霍爾器件在旋轉(zhuǎn)電流時(shí)的相互串?dāng)_，提高了霍爾傳感器的精度，線性度和可靠度。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是:一種應(yīng)用于霍爾傳感器的旋轉(zhuǎn)電流電路，該電路是由9個(gè)N溝道MOS管，即:M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9和一個(gè)運(yùn)算放大器A構(gòu)成；M0S管Ml和M2的漏極接偏置電源，MOS管Ml的源極接霍爾器件的上端口 T和MOS管M4的源極，MOS管M2的源極接霍爾器件的右端口 R和MOS管M3的源極；M0S管M3和M4的漏極接電路的輸出端口 Vout和MOS管M9的漏極；M0S管M5和M6的源極接運(yùn)算放大器的輸出端，MOS管M5的漏極接霍爾器件的下端口 B和MOS管M8的漏極，MOS管M6的漏極接霍爾器件的左端口 L和MOS管M7的漏極；M0S管M7和M8的源極接運(yùn)算放大器A的反相輸入端，運(yùn)算放大器A的同相輸入端接VDD/2偏置電壓；M0S管M9的漏極接電路的輸出端Vout, M9的源極接VDD/2偏置電壓；M0S管Ml、M3、M5和M7管的柵極接時(shí)鐘信號(hào)CLK1, MOS管M2、M4、M6和M8管的柵極接時(shí)鐘信號(hào)CLK2，MOS管M9的柵極接CLK3。
[0007]本發(fā)明所述電路當(dāng)旋轉(zhuǎn)電流電路進(jìn)行第一相旋轉(zhuǎn)電流時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)CLK1為高電平，MOS管M1、M3、M5、M7導(dǎo)通，MOS管M2、M4、M6、M8截止，偏置電流由霍爾器的上端口 T流至下端口 B，再通過(guò)MOS管M5連接至運(yùn)算放大器A的輸出端，形成一個(gè)閉環(huán)回路；霍爾器件的左端口 L通過(guò)MOS管M7連接運(yùn)放A的反相輸入端，運(yùn)算放大器的同相輸入端連接Vdd/2偏置電壓；霍爾器件的右端口 R通過(guò)MOS管M3連接至旋轉(zhuǎn)電流電路的輸出端Vout ；
[0008]當(dāng)旋轉(zhuǎn)電流電路進(jìn)行第二相旋轉(zhuǎn)電流時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)CLK2為高電平，MOS管M2、M4、M6、M8導(dǎo)通，MOS管M1、M3、M5、M7關(guān)斷，偏置電流由霍爾器件的右端口 R流至左端口 L，再通過(guò)MOS管M6連接至運(yùn)算放大器A的輸出端，形成一個(gè)閉環(huán)回路；霍爾器件的下端口 B通過(guò)MOS管M8連接至運(yùn)算放大器的反相輸入端，霍爾器件的上端口 T通過(guò)MOS管M4連接至旋轉(zhuǎn)電流電路的輸出端Vout ;在進(jìn)行電流旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益較大，具有虛短路和虛斷特性，當(dāng)運(yùn)算放大器的反相輸入端接Vdd/2偏置電壓，則霍爾器件的一個(gè)端口電壓為Vdd/2偏置電壓，霍爾器件另一個(gè)端口的輸出共模電壓能鉗制在VDD/2，使該電路輸出端的共模電壓不受開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻的影響；
[0009]當(dāng)不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)電流時(shí)，時(shí)鐘CLK3為高電平，旋轉(zhuǎn)電流電路中MOS管Ml—M8開(kāi)關(guān)均關(guān)斷，MOS管M9閉合，通過(guò)MOS管M9將旋轉(zhuǎn)電流電路輸出信號(hào)共模電壓鉗制在VDD/2，能避免該電路不工作時(shí)產(chǎn)生干擾信號(hào)輸出到后級(jí)的放大電路。
[0010]本發(fā)明所述電路的2D霍爾傳感器中包含X軸和Y軸兩個(gè)相同的電流旋轉(zhuǎn)電路，X軸旋轉(zhuǎn)電流電路中的9個(gè)NMOS管受信號(hào)CLKlx、CLK2x, CLK3x控制，Y軸旋轉(zhuǎn)電流電路中的9個(gè)NMOS管受信號(hào)CLKly、CLK2y、CLK3y所控制。
[0011]本發(fā)明穩(wěn)定了旋轉(zhuǎn)電流電路的共模輸出電壓。本發(fā)明在傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)電流電路增加了一個(gè)運(yùn)算放大器，利用運(yùn)算放大器虛短路和虛斷特性，使旋轉(zhuǎn)電流電路的共模輸出電壓穩(wěn)定VDD/2，消除了 MOS管導(dǎo)通電阻不一致而導(dǎo)致共模輸出電壓變化的問(wèn)題，使后級(jí)放大電路的工作點(diǎn)穩(wěn)定，保證了后級(jí)電路對(duì)霍爾信號(hào)的放大以及對(duì)失調(diào)信號(hào)的消除，提高了整個(gè)霍爾傳感器的性能。
[0012]本發(fā)明應(yīng)用范圍廣，不僅能夠應(yīng)用在2D霍爾傳感器二相旋轉(zhuǎn)電流法中，亦可拓展到四相旋轉(zhuǎn)電流法中，在3D霍爾傳感器同樣可以應(yīng)用。
[0013]本發(fā)明消除了旋轉(zhuǎn)電流電路電容寄生效應(yīng)的影響。在霍爾傳感器中存在多個(gè)旋轉(zhuǎn)電流電路(比如:2D和3D霍爾傳感器)，它們的輸出都要輸入到后級(jí)的放大電路，本發(fā)明提出的旋轉(zhuǎn)電流電路可消除旋轉(zhuǎn)電流電路不工作時(shí)產(chǎn)生的寄生干擾信號(hào)，保證多個(gè)旋轉(zhuǎn)電流電路之間信號(hào)相互不影響，提高了整個(gè)霍爾傳感器的可靠性。
[0014]有益效果:
[0015]1、本發(fā)明穩(wěn)定了旋轉(zhuǎn)電流電路的共模輸出電壓，保證了后級(jí)電路對(duì)霍爾信號(hào)的放大以及對(duì)失調(diào)信號(hào)的消除，提高了整個(gè)霍爾傳感器的性能。
[0016]2、本發(fā)明消除了旋轉(zhuǎn)電流電路電容寄生效應(yīng)的影響，保證了多個(gè)旋轉(zhuǎn)電流電路之間信號(hào)相互不影響，提高了整個(gè)霍爾傳感器的可靠性。
[0017]3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能廣泛應(yīng)用于霍爾傳感器進(jìn)行霍爾信號(hào)的電流旋轉(zhuǎn)，以消除霍爾失調(diào)。。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為傳統(tǒng)霍爾傳感器旋轉(zhuǎn)電流電路圖。
[0019]圖2為傳統(tǒng)霍爾傳感器旋轉(zhuǎn)電流電路的等效電路圖。
[0020]圖3為本發(fā)明提出的霍爾傳感器旋轉(zhuǎn)電流電路的原理示意圖。
[0021]圖4為本發(fā)明提出的霍爾傳感器旋轉(zhuǎn)電流電路的時(shí)序控制圖。
[0022]圖5為本發(fā)明提出的霍爾傳感器旋轉(zhuǎn)電流電路圖。
[0023]圖6為本發(fā)明提出的2D霍爾傳感器旋轉(zhuǎn)電流電路圖。
[0024]圖7為本發(fā)明提出的2D霍爾傳感器旋轉(zhuǎn)電流電路的時(shí)序控制圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合說(shuō)明書(shū)附圖對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造做進(jìn)一步說(shuō)明。
[0026]如圖3所示和圖5所示，本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)電流電路是由9個(gè)N溝道MOS管(即:M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9)和一個(gè)運(yùn)算放大器A構(gòu)成。該電路的結(jié)構(gòu)如下:MOS管Ml和M2的漏極接偏置電源，MOS管Ml的源極接霍爾器件的上端口⑴和MOS管M4的源極，MOS管M2的源極接霍爾器件的右端口(R)和MOS管M3的源極；M0S管M3和M4的漏極接電路的輸出端口(Vout)和MOS管M9的漏極；M0S管M5和M6的源極接運(yùn)算放大器的輸出端，MOS管M5的漏極接霍爾器件的下端口(B)和MOS管M8的漏極，MOS管M6的漏極接霍爾器件的左端口(L)和MOS管M7的漏極；M0S管M7和M8的源極接運(yùn)算放大器A的反相輸入端，運(yùn)算放大器A的同相輸入端接Vdd/2偏置電壓；M0S管M9的漏極接電路的輸出端(Vout)，M9的源極接VDD/2偏置電壓。MOS管M1、M3、M5和M7管的柵極接時(shí)鐘信號(hào)CLK1, MOS管M2、M4、M6和M8管的柵極接時(shí)鐘信號(hào)CLK2，MOS管M9的柵極接CLK3。時(shí)鐘CLKp CLK2, CLK3的時(shí)序圖如圖4所示。該旋轉(zhuǎn)電流電路的工作過(guò)程如下:
[0027]當(dāng)進(jìn)行第一相旋轉(zhuǎn)電流時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)CLK1為高電平，MOS管Ml、M3、M5、M7導(dǎo)通，MOS管M2、M4、M6、M8截止，偏置電流由霍爾器的上端口⑴流至下端口(B)，再通過(guò)MOS管M5連接至運(yùn)算放大器A的輸出端，形成一個(gè)閉環(huán)回路；霍爾器件的左端口(L)通過(guò)MOS管M7連接運(yùn)放A的反相輸入端，運(yùn)算放大器的同相輸入端連接VDD/2偏置電壓；霍爾器件的右端口(R)通過(guò)MOS管M3連接至旋轉(zhuǎn)電流電路的輸出端(Vout)。
[0028]當(dāng)進(jìn)行第二相旋轉(zhuǎn)電流時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)CLK2為高電平，MOS管M2、M4、M6、M8導(dǎo)通，MOS管Ml、M3、M5、M7關(guān)斷，偏置電流由霍爾器件的右端口(R)流至左端口(L)，再通過(guò)MOS管M6連接至運(yùn)算放大器A的輸出端，形成一個(gè)閉環(huán)回路；霍爾器件的下端口(B)通過(guò)MOS管M8連接至運(yùn)算放大器的反相輸入端，霍爾器件的上端口(T)通過(guò)MOS管M4連接至旋轉(zhuǎn)電流電路的輸出端(Vout)。在進(jìn)行電流旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于運(yùn)算放大器的開(kāi)環(huán)增益較大，具有虛短和虛斷特性，當(dāng)運(yùn)算放大器的同相輸入端接Vdd/2偏置電壓，則霍爾器件的一個(gè)端口電壓為VDD/2偏置電壓，霍爾器件另一個(gè)端口的輸出共模電壓也可以鉗制在VDD/2，從而使該電路輸出端的共模電壓不受開(kāi)關(guān)導(dǎo)通電阻的影響。
[0029]當(dāng)不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)電流時(shí)，時(shí)鐘CLK3為高電平，旋轉(zhuǎn)電流電路中MOS管Ml—M8開(kāi)關(guān)均關(guān)斷，MOS管M9閉合，通過(guò)MOS管M9將旋轉(zhuǎn)電流電路輸出信號(hào)共模電壓鉗制在VDD/2，而避免了該旋轉(zhuǎn)電流電路不工作時(shí)產(chǎn)生干擾信號(hào)輸出到后級(jí)的放大電路。
[0030]在2D霍爾傳感器中包含處理X軸和Y軸磁場(chǎng)的兩個(gè)圖5所示的旋轉(zhuǎn)電流電路，其電路圖如圖6所示。X軸旋轉(zhuǎn)電流電路中的9個(gè)NMOS管受信號(hào)CLKlx、CLK2x, CLK3x控制，Y軸旋轉(zhuǎn)電流電路中的9個(gè)NMOS管受信號(hào)CLKly、CLK2y、CLK3y所控制，它們的時(shí)序圖如圖7所示。2D霍爾傳感器中旋轉(zhuǎn)X軸和Y軸電流電路具體的工作步驟包括:
[0031 ] 步驟1:當(dāng)時(shí)鐘CLKlx為高電平時(shí)，X軸方向旋轉(zhuǎn)電流電路進(jìn)行第一相