阅读说明：本技术 一种霍尔传感器温度漂移补偿电路 (Hall sensor temperature drift compensation circuit ) 是由 蒋磊 徐跃 宋福明 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种霍尔传感器温度漂移补偿电路,当霍尔传感器的工作环境温度发生变化时,对霍尔传感器的温度漂移进行实时的补偿,通过增大或减小霍尔器件的偏置电流来增大或减小霍尔电压,从而实现对霍尔传感器温度漂移的补偿。仿真结果表明,经补偿过后霍尔传感器在-40℃～120℃温度范围内的温漂系数为45ppm/℃。(The invention discloses a temperature drift compensation circuit of a Hall sensor, which is used for compensating the temperature drift of the Hall sensor in real time when the temperature of the working environment of the Hall sensor changes, and increasing or decreasing the Hall voltage by increasing or decreasing the bias current of a Hall device, thereby realizing the compensation of the temperature drift of the Hall sensor. Simulation results show that the temperature drift coefficient of the compensated Hall sensor is 45 ppm/DEG C within the temperature range of-40-120 ℃.)

一种霍尔传感器温度漂移补偿电路

技术领域

本发明提出了一种霍尔传感器温度漂移补偿电路，属于磁传感器技术领域。

背景技术

霍尔传感器是一种利用霍尔效应制成的传感器，它将磁场信号转化为相应的电信号。作为全世界需求量第三的传感器产品，霍尔传感器被广泛的应用在工业控制系统、汽车以及智能仪器仪表等领域。由于霍尔传感器在传感器领域的重要作用和巨大的市场需求，美、英、日、法等发达国家都在大力发展霍尔传感器技术，竞争霍尔传感器技术的制高点。

霍尔传感器中的霍尔器件采用半导体材料制成，当外界环境温度发生变化时，其迁移率和杂质浓度发生变化，这使得霍尔器件的灵敏度发生变化，严重影响了霍尔传感器的线性度，限制霍尔传感器在高精度测量场合中的应用。此外，器件的老化以及封装过程中产生的应力也会影响霍尔传感器的灵敏度。测试结果表明，霍尔器件灵敏度随温度的变化是非线性的，传统的一阶温度漂移补偿无法满足霍尔传感器高精度的要求。为了提高霍尔传感器的测量精度，必须采取二阶温度漂移补偿电路对霍尔传感器进行温度漂移补偿。

中国专利CN201910456718，公开了一种双霍尔元件结构的霍尔电流传感器电路，但其仅仅使用模拟电路对霍尔传感器进行简单的一阶温度漂移补偿，与本发明提出的电路差异较大。本发明采用模拟电路与数字电路相结合的方法，对霍尔传感器进行二阶温度漂移补偿，电路集成度高、补偿效果好、补偿范围大，不仅可以补偿由于温度变化导致的灵敏度漂移，还可以补偿由于封装应力和器件老化引起的灵敏度的漂移。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种霍尔传感器温度漂移补偿电路，对霍尔传感器的温度漂移进行二阶温度补偿，大幅度降低其温度漂移，提高其测量精度。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种霍尔传感器温度漂移补偿电路，用于对霍尔传感器的温度漂移进行补偿，包括两个校准霍尔器件、两个集成线圈、失调电压消除电路一、失调电压消除电路二、减法器、比较器、数字校准电路、数模转换器以及电压转电流电路。两个校准霍尔器件记为校准霍尔器件一、校准霍尔器件二，两个集成线圈分别记为集成线圈一、集成线圈二，集成线圈一集成在校准霍尔器件一的上方，集成线圈二集成在校准霍尔器件二的上方，校准霍尔器件一的端口B接偏置电流源I_bias的输出端口，端口D接地，端口A和端口C接失调电压消除电路一的输入端口。校准霍尔器件二的端口B接偏置电流源I_bias的输出端口，端口D接地，端口A和端口C接失调电压消除电路二的输入端口。所述减法器包括电阻一R₁、电阻二R₂、电阻三R₃、电阻三R₄和放大器一，其中，电阻一R₁的输入端口接失调电压消除电路一的输出端口，电阻一R₁输出端口接放大器一的反相输入端口并与电阻二R₂的输入端口相接，电阻二R₂的输出端口接放大器一的输出端口。电阻三R₃的输入端口接失调电压消除电路二的输出端口，电阻三R₃输出端口接放大器一的正相输入端口并与电阻四R₄的一个端口相接，电阻四R₄的另一个端口接地，减法器的输出端口接比较器的反相输入端口。减法器将失调电压消除电路一和失调电压消除电路二的输出信号相减，此时由外部磁场产生的两个大小相同、极性相同的霍尔电压信号被移除，输出两倍的霍尔基准电压信号。比较器的正相输入端口接25℃时的霍尔基准电压参考值V_ref。比较器的输出端口接数字校准电路的输入端口。数字校准电路的输出端口接数模转换器的输入端口。数模转换器的输出端口接电压转电流电路的输入端口。电压转电流电路的输出端口一与校准霍尔器件一的偏置电流源I_bias的输出端口共同接入校准霍尔器件一的端口B，电压转电流电路的输出端口二与校准霍尔器件二的偏置电流源I_bias的输出端口共同接入校准霍尔器件二的端口B，电压转电流电路的输出端口三与工作霍尔器件的偏置电流源I_bias的输出端口共同接入工作霍尔器件的端口B。

对两个完全相同的集成线圈一、集成线圈二分别通入两个大小相同、极性相反的电流，两个大小相同、极性相反的电流产生两个大小相同、极性相反的基准磁场，两个大小相同、极性相反的基准磁场分别在两个校准霍尔器件中产生两个大小相同、极性相反的霍尔基准电压，同时两个校准霍尔器件分别产生由外部磁场产生的两个大小相同、极性相同的霍尔电压。

优选的：所述校准霍尔器件一、校准霍尔器件二、工作霍尔器件的结构相同。

优选的：所述集成线圈是利用CMOS制造过程中的金属互连线制成。

优选的：所述比较器是反向比较器，其反相输入端口接减法器的输出端口，正相输入端口接25℃时的霍尔基准电压参考值V_ref，当此时温度下的霍尔基准电压值大于霍尔基准电压参考值V_ref时，比较器输出“0”。当此时温度下的霍尔基准电压值小于霍尔基准电压参考值V_ref时，比较器输出“1”。

优选的：所述数字校准电路包括12个D触发器、与门以及或非门，分别记为第i个D触发器、第i个与门、第i个或非门，i＝1，2，3，…，12，第i个D触发器的端口CK接时钟输入信号一CLK1，第i个D触发器的端口RN接时钟输入信号二CLK2。第1个D触发器的端口D接时钟输入信号三CLK3，第1个D触发器端口Q接第2个D触发器的端口D。第j个D触发器的端口Q接第j+1个D触发器的端口D，j＝2，3，4，…，11。第i个与门的一个输入端口接时钟输入信号四CLK4，第i个与门的另一个输入端口分别与第i个D触发器的端口Q相接。第i个或非门一个输入端口接时钟输入信号五CLK5，第i个或非门的另一个输入端口分别与第i个与门的输出端口相接。第i个或非门的输出端口接数模转换器输入端口的第i位。数字校准电路实现的逻辑功能为：首先数字校准电路输出清零，即此时数字校准电路输出的数字值为“0”。然后数字校准电路输出的第一位置“1”，其余位置“0”，该数字输出值通过数模转换器转化为电压，进一步通过电压转电流电路转化为补偿电流，该补偿电流的注入使得霍尔基准电压增大，此时的霍尔基准电压值与霍尔基准电压参考值V_ref相比较，若此时的霍尔基准电压值比霍尔基准电压参考值V_ref大，则比较器输出“0”，数字校准电路输出的第一位置“0”，若此时的霍尔基准电压值比霍尔基准电压参考值V_ref小，则比较器输出“1”，数字校准电路输出的第一位的“1”保留。第一位比较完成后，数字校准电路将其输出的第二位置“1”，然后重复上述步骤，直到比较完最后一位为止。在补偿过程中，校准霍尔器件输出的霍尔基准电压值逐渐逼近霍尔基准电压参考值V_ref，补偿电流同时注入到没有集成线圈即探测磁场的工作霍尔器件的偏置端口中，使其灵敏度与偏置电流的乘积在温度发生变化时保持不变，即使其输出的霍尔电压在温度发生变化时保持不变。

优选的：数模转换器采用12位加权电容数模转换器，采用分段的方法将数模转换器分为高7位和低5位，在数模转换器上所加的基准电压值为1V。

优选的：电压转电流电路包括放大器二、电阻R和电流镜，所述电流镜包括第一个PMOS管、第二个PMOS管、第三个PMOS管、第四个PMOS管以及第五个NMOS管，放大器二的正相输入端口接数模转换器的输出端口，反相输入端口接电阻R的一个端口并与第五个NMOS管的源极相连，电阻R的另一个端口接地。第五个NMOS管的漏极与第一个PMOS管的漏极相连，第一个PMOS管和第二个、第三个、第四个PMOS管的源极相连，第一到第四个PMOS管的源极接VDD，栅极互连。第四个PMOS管的漏极与校准霍尔器件一的端口B相连，第三个PMOS管的漏极与校准霍尔器件二的端口B相连，第二个PMOS管的漏极与工作霍尔器件的端口B相连。数模转换器输出的电压值经过电压转电流电路转化为补偿电流，该补偿电流通过电流镜1:1拷贝到校准霍尔器件一、校准霍尔器件二、工作霍尔器件中。

本发明相比现有技术，相比现有的霍尔传感器温度漂移补偿电路，本发明具有以下优点：

1、本发明提出的霍尔传感器温度漂移补偿电路采用集成CMOS技术，利用制造过程中的金属互联层集成线圈产生基准磁场，该方法利于霍尔传感器温度漂移补偿电路的全面集成，其成本低且效果好。

2、本发明提出的霍尔传感器温度漂移补偿电路采用模拟电路与数字电路相结合的方法，对霍尔传感器的温度漂移进行二阶补偿，其补偿效果好，仿真结果表明，经补偿过后霍尔传感器的温漂系数低至45ppm/℃。

3、本发明提出的霍尔传感器温度漂移补偿电路温度补偿范围大，补偿范围在-40℃～120℃之间，满足工业级霍尔传感器的使用要求。

4、本发明提出的霍尔传感器温度漂移补偿电路不仅可以补偿由于温度变化导致的灵敏度漂移，还可以补偿由于封装应力和器件老化引起的灵敏度的漂移。

附图说明

图1是本发明的霍尔传感器温度漂移补偿电路图；

图2是本发明的集成线圈图；

图3是本发明的数字校准电路图；

图4是本发明的电压转电流电路图；

图5是本发明的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

一种霍尔传感器温度漂移补偿电路，如图1所示，当霍尔传感器的工作环境温度发生变化时，通过温漂补偿电路对霍尔传感器的磁场探测电路的温度漂移进行实时的补偿，通过增大或减小霍尔器件的偏置电流来增大或减小霍尔电压，从而实现对霍尔传感器温度漂移的补偿。

磁场探测电路包括工作霍尔器件、电流旋转电路、仪表放大器、相关双采样/保持器、低通滤波器和缓冲器，其中，工作霍尔器件的端口B接偏置电流源I_bias的输出端口，端口D接地，端口A和端口C接电流旋转电路的输入端口。电流旋转电路的输出端口接仪表放大器的输入端口。仪表放大器的输出端口接相关双采样/保持器的输入端口。相关双采样/保持器的输出端口接低通滤波器的输入端口。低通滤波器的输出端口接缓冲器的输入端口。缓冲器的输出端口输出霍尔电压。电流旋转电路调制霍尔信号的极性，通过仪表放大器、相关双采样/保持器对霍尔信号分别执行放大和相减操作，通过低通滤波器恢复霍尔信号，最终通过缓冲器输出经温漂补偿后的霍尔电压信号。

温漂补偿电路包括两个校准霍尔器件、两个集成线圈、失调电压消除电路一、失调电压消除电路二、减法器、比较器、数字校准电路、数模转换器以及电压转电流电路。两个校准霍尔器件记为校准霍尔器件一、校准霍尔器件二，所述校准霍尔器件一、校准霍尔器件二的结构相同，集成线圈分别集成在校准霍尔器件一和校准霍尔器件二的上方，将两个集成线圈分别记为集成线圈一、集成线圈二，则集成线圈一集成在校准霍尔器件一的上方，集成线圈二集成在校准霍尔器件二的上方，校准霍尔器件一的端口B接偏置电流源I_bias的输出端口，端口D接地，端口A和端口C接失调电压消除电路一的输入端口。校准霍尔器件二的端口B接偏置电流源I_bias的输出端口，端口D接地，端口A和端口C接失调电压消除电路二的输入端口。减法器包括电阻一R₁、电阻二R₂、电阻三R₃、电阻三R₄和放大器一，其中，电阻一R₁的输入端口接失调电压消除电路一的输出端口，电阻一R₁输出端口接放大器一的反相输入端口并与电阻二R₂的输入端口相接，电阻二R₂的输出端口接放大器一的输出端口。电阻三R₃的输入端口接失调电压消除电路二的输出端口，电阻三R₃输出端口接放大器一的正相输入端口并与电阻四R₄的一个端口相接，电阻四R₄的另一个端口接地，减法器的输出端口接比较器的反相输入端口。减法器将失调电压消除电路一和失调电压消除电路二的输出信号相减，此时由外部磁场产生的两个大小相同、极性相同的霍尔电压信号被移除，输出两倍的霍尔基准电压信号。减法器将失调电压消除电路一和失调电压消除电路二的输出信号相减，此时由外部磁场产生的两个大小相同、极性相同的霍尔电压信号被移除，输出两倍的霍尔基准电压信号。减法器的输出端口接比较器的反相输入端口，比较器的正相输入端口接25℃时的霍尔基准电压参考值V_ref。比较器的输出端口接数字校准电路的输入端口。数字校准电路的输出端口接数模转换器的输入端口。数模转换器的输出端口接电压转电流电路的输入端口。电压转电流电路的输出端口一与校准霍尔器件一的偏置电流源I_bias的输出端口共同接入校准霍尔器件一的端口B，电压转电流电路的输出端口二与校准霍尔器件二的偏置电流源I_bias的输出端口共同接入校准霍尔器件二的端口B，电压转电流电路的输出端口三与工作霍尔器件的偏置电流源I_bias的输出端口共同接入工作霍尔器件的端口B。

如图2所示，集成线圈是利用CMOS制造过程中的金属互连线制成，校准霍尔器件一、校准霍尔器件二上方集成两个完全相同的集成线圈，集成线圈一共有19匝，其中，第一匝到第六匝线圈由金属二制成；第七匝到第十二匝线圈由金属三制成；第十三匝到第十九匝线圈由金属四制成。对两个完全相同的集成线圈分别通入两个大小相同、极性相反的电流，两个大小相同、极性相反的电流产生两个大小相同、极性相反的基准磁场，两个大小相同、极性相反的基准磁场分别在两个校准霍尔器件中产生两个大小相同、极性相反的霍尔基准电压，同时两个校准霍尔器件分别产生由外部磁场产生的两个大小相同、极性相同的霍尔电压。

所述比较器是反向比较器，其反相输入端口接减法器的输出端口，正相输入端口接25℃时的霍尔基准电压参考值V_ref，当此时温度下的霍尔基准电压值大于霍尔基准电压参考值V_ref时，比较器输出“0”。当此时温度下的霍尔基准电压值小于霍尔基准电压参考值V_ref时，比较器输出“1”。

如图3所示，所述数字校准电路包括12个D触发器、与门以及或非门，分别记为第i个D触发器、第i个与门、第i个或非门，i＝1，2，3，…，12，第i个D触发器的端口CK接时钟输入信号一CLK1，第i个D触发器的端口RN接时钟输入信号二CLK2。第1个D触发器的端口D接时钟输入信号三CLK3，第1个D触发器端口Q接第2个D触发器的端口D。第j个D触发器的端口Q接第j+1个D触发器的端口D，j＝2，3，4，…，11。第i个与门的一个输入端口接时钟输入信号四CLK4，第i个与门的另一个输入端口分别与第i个D触发器的端口Q相接。第i个或非门一个输入端口接时钟输入信号五CLK5，第i个或非门的另一个输入端口分别与第i个与门的输出端口相接。第i个或非门的输出端口接数模转换器输入端口的第i位。数字校准电路实现的逻辑功能为：首先数字校准电路输出清零，即此时数字校准电路输出的数字值为“0”。然后数字校准电路输出的第一位置“1”，其余位置“0”，该数字输出值通过数模转换器转化为电压，进一步通过电压转电流电路转化为补偿电流，该补偿电流的注入使得霍尔基准电压增大，此时的霍尔基准电压值与V_ref相比较，若此时的霍尔基准电压值比V_ref大，则比较器输出“0”，数字校准电路输出的第一位置“0”，若此时的霍尔基准电压值比V_ref小，则比较器输出“1”，数字校准电路输出的第一位的“1”保留。第一位比较完成后，数字校准电路将其输出的第二位置“1”，然后重复上述步骤，直到比较完最后一位为止。在补偿过程中，校准霍尔器件输出的霍尔基准电压值逐渐逼近V_ref，补偿电流同时注入到没有集成线圈即探测磁场的工作霍尔器件的偏置端口中，使其灵敏度与偏置电流的乘积在温度发生变化时保持不变，即使其输出的霍尔电压在温度发生变化时保持不变。

数模转换器采用12位加权电容数模转换器，采用分段的方法将数模转换器分为高7位和低5位，在数模转换器上所加的基准电压值为1V。

如图4所示，电压转电流电路包括放大器二、电阻R和电流镜，所述电流镜包括第一个PMOS管、第二个PMOS管、第三个PMOS管、第四个PMOS管以及第五个NMOS管，放大器二的正相输入端口接数模转换器的输出端口，反相输入端口接电阻R的一个端口并与第五个NMOS管的源极相连，电阻R的另一个端口接地。第五个NMOS管的漏极与第一个PMOS管的漏极相连，第一个PMOS管和第二个、第三个、第四个PMOS管的源极相连，第一到第四个PMOS管的源极接VDD，栅极互连。第四个PMOS管的漏极与校准霍尔器件一的端口B相连，第三个PMOS管的漏极与校准霍尔器件二的端口B相连，第二个PMOS管的漏极与工作霍尔器件的端口B相连。数模转换器输出的电压值经过电压转电流电路转化为补偿电流，该补偿电流通过电流镜1:1拷贝到三个完全相同的霍尔器件中，三个完全相同的霍尔器件指的是校准霍尔器件一、校准霍尔器件二、工作霍尔器件。

工作原理为：对温漂补偿电路中的两个完全相同的集成线圈分别通入两个大小相同、极性相反的电流，使得两个集成线圈分别产生两个大小相同、极性相反的基准磁场，两个大小相同、极性相反的基准磁场使得两个完全相同的校准霍尔器件的两端分别感应出两个大小相同、极性相反的霍尔基准电压，同时外部磁场使得两个校准霍尔器件的两端感应出两个大小相同、极性相同的霍尔电压；两个完全相同的失调电压消除电路消除两个校准霍尔器件的失调电压；减法器将两个失调电压消除电路输出的电压相减，此时由外部磁场产生的两个大小相同、极性相同的霍尔电压被移除，留下两倍的霍尔基准电压；比较器将此时的霍尔基准电压值与温度为25℃时的霍尔基准电压参考值相比较，输出比较结果“0”或“1”；数字校准电路根据比较器的输出结果，增大或减小数模转换器的数字输入量；数模转换器将数字输入量转化为电压输出；电压转电流电路将电压转换为电流，该电流作为补偿电流I_comp与偏置电流I_bias同时注入到三个完全相同的霍尔器件的偏置端口B。本发明通过增大或减少霍尔器件的偏置电流值来增大或减少输出的霍尔电压值，最终通过磁场探测电路输出经过温漂补偿后的霍尔电压，实现对霍尔传感器的温漂补偿。

仿真

本发明基于标准集成CMOS工艺对上述霍尔传感器温度漂移补偿电路进行了设计与仿真。集成线圈一共有19匝，其中，第一匝到第六匝线圈由金属二制成；第七匝到第十二匝线圈由金属三制成；第十三匝到第十九匝线圈由金属四制成。各匝线圈的线宽为1.2μm，线圈与线圈之间的间距为2.3μm，第一匝线圈距离其中心点距离为8μm。两个集成线圈分别通入两个大小相同、极性相反的10mA电流，集成线圈一产生的磁场方向垂直于霍尔器件向内，集成线圈二产生的磁场垂直方向于霍尔器件向外。数字校准电路中时钟输入信号一CLK1设置为：周期7μs，脉冲宽度3.5μs，延迟600ns；时钟输入信号二CLK2设置为：脉冲宽度200ns，延迟0s；时钟输入信号三CLK3设置为：脉冲宽度7μs，延迟500ns；时钟输入信号四CLK4设置为：周期7μs，脉冲宽度6.7μs，延迟700ns；时钟输入信号五CLK5设置为：周期7μs，脉冲宽度1.6μs，延迟5.7μs。本实施例的仿真温度范围为-40℃～120℃，每隔10℃进行一次仿真，每次的仿真时间为100μs，仿真结果如图5所示：图中横坐标为温度，纵坐标为工作霍尔器件最终输出的霍尔电压值。可以看到，当温度从-40℃到120℃变化时，霍尔电压的变化量非常微小，经过计算得到其在-40℃～120℃温度范围之间的温漂系数为45ppm/℃，这远低于目前一些报告中的温漂系数。

本发明当霍尔传感器的工作环境温度发生变化时，温漂补偿电路对霍尔电压的温度漂移进行实时的补偿，通过增大或减小霍尔器件的偏置电流来增大或减小霍尔电压，从而实现对霍尔传感器温度漂移的补偿。仿真结果表明，经补偿过后霍尔传感器在-40℃～120℃温度范围内的温漂系数为45ppm/℃。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。