一種應用于霍爾傳感器的旋轉電流電路的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種應用于霍爾傳感器的旋轉電流電路，屬于電學技術領域。
【背景技術】
[0002]霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器，霍爾器件具有許多優點，它們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。通過它，將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。
[0003]然而基于硅工藝的霍爾傳感器的磁場靈敏度低，失調很嚴重，必須采用相應的技術來消除失調，通常采用二相旋轉電流法。但由于旋轉電流電路MOS開關的非理想性，存在導通電阻，導致共模電壓偏離正常的工作點；又由于寄生電容的影響效應，導致在該周期本應關斷的器件，仍有信號輸出，影響了旋轉電流電路的正常工作。
[0004]傳統的霍爾傳感器二相旋轉電流電路如圖1所示，在進行每一相旋轉電流時，4個MOSFET管導通，另外4個MOSFET管開關截止，因此可以用如圖2所示的電路來說明。圖2中霍爾器件可以等效為一個惠斯通電橋，四個橋臂電阻來模擬霍爾器件的電阻特性，可以用三個相等電阻R和一個不等電阻(R+AR)來模擬霍爾器件的內部失調，而用兩個電壓源(VH+, VH-)等效兩個輸出端產生的霍爾電壓。在開關導通周期，由于MOSFET開關的非理想性，存在導通電阻(Ronl, Ronr, Ront, Ronb)。由于決定MOSFET導通電阻的柵源電壓并不一致，導致MOSFET開關的導通電阻相差較大，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，導致該相旋轉電流本應關斷的MOSFET仍有信號輸出，從而對其他工作的旋轉電流電路的輸出產生干擾，嚴重影響了后續的失調信號消除和霍爾信號的放大。而本發明能夠很好地解決上面的問題。

【發明內容】

[0005]本發明目的在于針對傳統旋轉電流電路中MOSFET開關失配和寄生電容問題，提出了一種應用于霍爾傳感器的旋轉電流電路，該電路能夠消除旋轉電流電路中MOSFET開關管導通電阻和寄生電容干擾，解決了實際應用中MOSFET開關的非理想性因素和穩定旋轉電流電路的共模輸出電壓的問題。同時，該電路還能夠應用于集成2D霍爾傳感器電路，并能夠消除X軸和Y軸霍爾器件在旋轉電流時的相互串擾，提高了霍爾傳感器的精度，線性度和可靠度。
[0006]本發明解決其技術問題所采取的技術方案是:一種應用于霍爾傳感器的旋轉電流電路，該電路是由9個N溝道MOS管，即:M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9和一個運算放大器A構成；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的源極接運算放大器A的反相輸入端，運算放大器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管的柵極接時鐘信號CLK1, MOS管M2、M4、M6和M8管的柵極接時鐘信號CLK2，MOS管M9的柵極接CLK3。
[0007]本發明所述電路當旋轉電流電路進行第一相旋轉電流時，時鐘信號CLK1為高電平，MOS管M1、M3、M5、M7導通，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MOS管M5連接至運算放大器A的輸出端，形成一個閉環回路；霍爾器件的左端口 L通過MOS管M7連接運放A的反相輸入端，運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MOS管M3連接至旋轉電流電路的輸出端Vout ；
[0008]當旋轉電流電路進行第二相旋轉電流時，時鐘信號CLK2為高電平，MOS管M2、M4、M6、M8導通，MOS管M1、M3、M5、M7關斷，偏置電流由霍爾器件的右端口 R流至左端口 L，再通過MOS管M6連接至運算放大器A的輸出端，形成一個閉環回路；霍爾器件的下端口 B通過MOS管M8連接至運算放大器的反相輸入端，霍爾器件的上端口 T通過MOS管M4連接至旋轉電流電路的輸出端Vout ;在進行電流旋轉時，由于運算放大器的開環增益較大，具有虛短路和虛斷特性，當運算放大器的反相輸入端接Vdd/2偏置電壓，則霍爾器件的一個端口電壓為Vdd/2偏置電壓，霍爾器件另一個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關導通電阻的影響；
[0009]當不進行旋轉電流時，時鐘CLK3為高電平，旋轉電流電路中MOS管Ml—M8開關均關斷，MOS管M9閉合，通過MOS管M9將旋轉電流電路輸出信號共模電壓鉗制在VDD/2，能避免該電路不工作時產生干擾信號輸出到后級的放大電路。
[0010]本發明所述電路的2D霍爾傳感器中包含X軸和Y軸兩個相同的電流旋轉電路，X軸旋轉電流電路中的9個NMOS管受信號CLKlx、CLK2x, CLK3x控制，Y軸旋轉電流電路中的9個NMOS管受信號CLKly、CLK2y、CLK3y所控制。
[0011]本發明穩定了旋轉電流電路的共模輸出電壓。本發明在傳統旋轉電流電路增加了一個運算放大器，利用運算放大器虛短路和虛斷特性，使旋轉電流電路的共模輸出電壓穩定VDD/2，消除了 MOS管導通電阻不一致而導致共模輸出電壓變化的問題，使后級放大電路的工作點穩定，保證了后級電路對霍爾信號的放大以及對失調信號的消除，提高了整個霍爾傳感器的性能。
[0012]本發明應用范圍廣，不僅能夠應用在2D霍爾傳感器二相旋轉電流法中，亦可拓展到四相旋轉電流法中，在3D霍爾傳感器同樣可以應用。
[0013]本發明消除了旋轉電流電路電容寄生效應的影響。在霍爾傳感器中存在多個旋轉電流電路(比如:2D和3D霍爾傳感器)，它們的輸出都要輸入到后級的放大電路，本發明提出的旋轉電流電路可消除旋轉電流電路不工作時產生的寄生干擾信號，保證多個旋轉電流電路之間信號相互不影響，提高了整個霍爾傳感器的可靠性。
[0014]有益效果:
[0015]1、本發明穩定了旋轉電流電路的共模輸出電壓，保證了后級電路對霍爾信號的放大以及對失調信號的消除，提高了整個霍爾傳感器的性能。
[0016]2、本發明消除了旋轉電流電路電容寄生效應的影響，保證了多個旋轉電流電路之間信號相互不影響，提高了整個霍爾傳感器的可靠性。
[0017]3、本發明結構簡單、能廣泛應用于霍爾傳感器進行霍爾信號的電流旋轉，以消除霍爾失調。。
【附圖說明】
[0018]圖1為傳統霍爾傳感器旋轉電流電路圖。
[0019]圖2為傳統霍爾傳感器旋轉電流電路的等效電路圖。
[0020]圖3為本發明提出的霍爾傳感器旋轉電流電路的原理示意圖。
[0021]圖4為本發明提出的霍爾傳感器旋轉電流電路的時序控制圖。
[0022]圖5為本發明提出的霍爾傳感器旋轉電流電路圖。
[0023]圖6為本發明提出的2D霍爾傳感器旋轉電流電路圖。
[0024]圖7為本發明提出的2D霍爾傳感器旋轉電流電路的時序控制圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結合說明書附圖對本發明創造做進一步說明。
[0026]如圖3所示和圖5所示，本發明的旋轉電流電路是由9個N溝道MOS管(即:M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9)和一個運算放大器A構成。該電路的結構如下: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的源極接運算放大器A的反相輸入端，運算放大器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管的柵極接時鐘信號CLK1, MOS管M2、M4、M6和M8管的柵極接時鐘信號CLK2，MOS管M9的柵極接CLK3。時鐘CLKp CLK2, CLK3的時序圖如圖4所示。該旋轉電流電路的工作過程如下:
[0027]當進行第一相旋轉電流時，時鐘信號CLK1為高電平，MOS管Ml、M3、M5、M7導通，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MOS管M5連接至運算放大器A的輸出端，形成一個閉環回路；霍爾器件的左端口(L)通過MOS管M7連接運放A的反相輸入端，運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MOS管M3連接至旋轉電流電路的輸出端(Vout)。
[0028]當進行第二相旋轉電流時，時鐘信號CLK2為高電平，MOS管M2、M4、M6、M8導通，MOS管Ml、M3、M5、M7關斷，偏置電流由霍爾器件的右端口(R)流至左端口(L)，再通過MOS管M6連接至運算放大器A的輸出端，形成一個閉環回路；霍爾器件的下端口(B)通過MOS管M8連接至運算放大器的反相輸入端，霍爾器件的上端口(T)通過MOS管M4連接至旋轉電流電路的輸出端(Vout)。在進行電流旋轉時，由于運算放大器的開環增益較大，具有虛短和虛斷特性，當運算放大器的同相輸入端接Vdd/2偏置電壓，則霍爾器件的一個端口電壓為VDD/2偏置電壓，霍爾器件另一個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關導通電阻的影響。
[0029]當不進行旋轉電流時，時鐘CLK3為高電平，旋轉電流電路中MOS管Ml—M8開關均關斷，MOS管M9閉合，通過MOS管M9將旋轉電流電路輸出信號共模電壓鉗制在VDD/2，而避免了該旋轉電流電路不工作時產生干擾信號輸出到后級的放大電路。
[0030]在2D霍爾傳感器中包含處理X軸和Y軸磁場的兩個圖5所示的旋轉電流電路，其電路圖如圖6所示。X軸旋轉電流電路中的9個NMOS管受信號CLKlx、CLK2x, CLK3x控制，Y軸旋轉電流電路中的9個NMOS管受信號CLKly、CLK2y、CLK3y所控制，它們的時序圖如圖7所示。2D霍爾傳感器中旋轉X軸和Y軸電流電路具體的工作步驟包括:
[0031 ] 步驟1:當時鐘CLKlx為高電平時，X軸方向旋轉電流電路進行第一相