由Alberto Bilotti，生活高级成员，IEEE，Gerardo Monreal，和Ravi Vig
抽象的-磁霍尔传感器集成电路的零电平稳定性和再现性通常会受到偏置电压、温度漂移和生产扩散的影响，使用单个霍尔板和开关手段对电源和输出接触对进行周期性排列可以降低偏置电压、温度漂移和生产扩散。本工作描述了一种基于斩波器的5 v单片线性霍尔传感器集成电路，其满量程为±0.1 T，其中采用了动态板偏移抵消技术和成本效益高的信号调节器。设备综合使用2 -µm传统BiCMOS过程和最终的芯片,测量1.5×1.5毫米,显示,在3塑料包装,包装后的残余抵消生产传播和温度引起的漂移小五到十倍比当前使用的多平台直流正交取消的方法。该装置不需要外部组件，输出不含HF残留物。
索引词-Bicmos模拟集成电路，斩波器，霍尔设备/效果，微传感器，单片集成电路。
I.介绍
单片磁传感器集成电路通常使用硅霍尔元件，与放大或处理产生的相对较低电压所需的放大器或信号调节电路集成。霍尔效应及其特性、应用等在文献[1]−[3]中得到了广泛的研究。雷竞技最新网址在巴尔特斯和波波维奇的著作中可以找到许多参考文献。
最简单的霍尔元件使用例如在双极或双孔工艺中制成的方形板，与两对正交的面向触点，如图1所示。电源电压时V.S.是否适用于一对接触器，例如一种那C，磁通密度B.普通到板产生电压V.H在另一对B，D，这样
在哪里S.V.是每单位电源电压的霍尔元素灵敏度。由此给出的灵敏度V.H⁄B×VS.[T.-1]，其中t（tesla; 1 t = 1×104.高斯）是磁通密度（诱导）的仪表千克第二（MKS）单元，近似是恒定参数，仅取决于Si层移动性和板和接触几何形状。典型值S.V.0.04和0.08 T的范围-1，这意味着，对于典型的5V供电和最小磁通密度为1 mt，输出电压为200至400μV。
图1.基本霍尔板。
在所有直流应用中，能雷竞技最新网址够通过这种板精确测量的最小磁通密度取决于偏移电压V.op.出现在板块输出触点B.＝ 0.从电的角度来看，由于电阻梯度、几何不对称[4]、压阻效应[5]、[6]等原因，极板将不可避免地出现不平衡，产生不可忽略的偏置电压。作为印版偏移V.op.电压相对较大——在5v电源下，电压范围从0.5到5mv，并且与温度、电源电压和应力有关——人们已努力消除或尽量减少其影响。
偏移取消不能通过放大器中使用的切换技术来执行，因为没有可用的状态V.op.可以从中孤立V.H除切断的磁场，这当然是一个非存活提案。
注意到，从直流角度来看，霍尔板可以被视为分布式电阻惠斯通桥，大多数本商业霍尔传感器IC通过使用两个或更多个适当互连的板取消偏移，其中电流方向旋转90°。一个板到另一个板[7]。如果不平衡源仍然不变并且固定在实心空间中，则任何一对板的偏移将相等，而不是相反的极性，实现所需的取消。另一方面，多板布置的有用信号仍然等于单板的信号。
或者，已经提出了在通过周期性供应和输出接触置换通过周期性发电和输出接触置换产生正交状态的同时使用一块板[8]，[9]。虽然这一点动态补偿取消在霍尔开关板之后，技术需要更复杂的信号调节器，它具有降低与多板传感器IC相比的残余偏移及其生产扩展的优点。在最后一个情况下，由于物理不同的板之间的板偏移不匹配，零电平偏差是劣化的，这些不匹配主要由塑料封装温度依赖的内置应力产生。
这项工作描述了使用动态偏移消除技术的5-V BICMOS单片线性霍尔传感器IC，其中恢复有用信号所需的各种功能和取消偏移的各种功能由经济高效的信号调节器执行。
甲BiCMOS技术是优选的，以便具有低的偏移，精确的温度编程电路，以及一种低成本高输出电流源能力简单的高增益的开环放大器。
II。开关霍尔板
最简单的动态偏移消除技术使用单个方形板，具有四个触点，其中通过将电源电压和供应调节器连接到一对触点或另一对的电源电压和供应调节器来产生正交状态，如图2所示。每个状态，我们将从现在拨打电话0°状态或者90°状态中，通过所述互补时钟定义CLK.1和CLK.分别为1_Bar。
图2.（a）在动态偏移消除技术中，流过板的电流从0°到90°方向周期性地切换到90°方向，反之亦然。（b）时钟，霍尔电压和板偏移波形。
假设B.= 0和霍尔板的理想惠斯通桥模型，出现在输出触点处的电压是板式偏移V.op.（0°）和V.op.（90°）幅度相等但具有相反的极性。这可以以非常简单的方式验证，如下所示。假设发生不平衡，例如由于应力图案，使得触点之间的区域一种和B.示出了电阻率比所述板（虚线电阻图2）的其余部分更小，而且这种情况改变状态时不会改变吗。然后，在每个状态下开发的偏移具有相同的幅度但相反的极性，因为在等效桥网络的相邻分支中发生相同的不平衡（Hi终端比0°状态下的LO端子更积极，但更负90°状态）。
为了B.≠0，当电源和输出连接旋转时在同一个方向，V.H保持极性不变，制作V.H不变。这个特征V.H源自对称霍尔板的防反射透视性。
因此，出现一种简单的方式来区分从有用信号的偏移并通过适当的信号调节进一步取消偏移。虽然在图2中，V.Hquasi-constant和V.op.的交变方波，波形可以被如果需要的话通过互换输出触点互换一种和C在90°状态。
作为理想的完美取消绝不是可能的，实践中有一个残余板偏移V.op.（r）定义为
其中绝对值优选用于强调在进一步的信号处理期间发生的极性逆转。根据制造过程，霍尔板几何形状和晶体取向，以及残余晶片和封装应力，V.op.（r）50至500μV之间的范围为5V供电。
与传统的多板方法相比，单板中的单板或在MOS沟道“[10]中的正交消除的DC测量数据在ePI板[9]中或在MOS沟道”[10]中显示出明显的改进。减少V.op.（r）使用围绕圆形板的周边的四对触点在板中进行这些测量，如“纺丝”霍尔米特[9]中。在这种情况下，多路复用添加用于改进取消的所有可能的偏移将需要每个周期的八个切换状态。
为了简化目的和减少芯片区域，ePI板的最简单方法具有两对触点和每个循环的两个阶段，如图2所示。为我们的整体传感器IC选择了2。
最大允许的板开关频率取决于每个换向转换后的板电压稳定时间。注意，例如，在从0°的转换后到达90°状态，电压V.一种在接触点一种在图2中必须从V.S.来V.S./ 2，和V.C必须从零增加到V.S./ 2（电压在D.和B.必须腐烂和增加到V.S.， 分别）。这需要重新排列存储在ePI - 副逆转偏置的结中的电荷，因此，一定时间用于电压沉降到最终值V.S./ 2，在此之后，霍尔输出电压将是有效的，并准备被处理，如图3所示。
图3. 0°态到90°状态厅板切换瞬态V.一种和V.C是联系人的电压一种和C在图2中。
切换测量，霍尔板内置正方形外延层上，这是2Ω-cm的，5.5微米厚的，与对角线相对的面对触点之间3kΩ的电阻，显示该霍尔电压会有效后才≈600纳秒已经过去从板的换向转换。考虑到组件的容差和事实，即额外的样品脉冲必须包括在每个阶段中，200kHz的最大板开关频率被发现。只要开关频率保持低于该极限时，开关频率不是用于系统操作至关重要，简化，因此，时钟电路的实现。
即使会有残留电压由于过大的沉降时间，这个电压将两种状态中保持不变，就像真正的偏移做，因此会被抵消。这还没有进一步的开发，因为它需要一个非常精确和更昂贵CLK.发电机。
图4示出了在单片传感器IC中使用的实际开关板装置，其中通过MOS晶体管实现了接触置换所需的四个单极双掷（SPDT）开关。板接触互连遵循图2的基本方案。除了在90°状态下输出端子的交换之外。通过这种安排，在每个状态的变化下，V.H改变极性和V.op.仍然是准恒定，以这样的方式V.OA.，放大器A1的直流输入参考偏置，将变得与V.op.，霍尔板和输入放大器的偏置将同时被信号调节器处理和取消。
图4.切换霍尔板。当。。。的时候CLK1信号很高，电流之间的流动一种和C（0°状态），并且当clk_bar.是高，电流之间流动吗B.和D.（90°）。
因此,A1的抵消是免费取消的，避免通过其他技术（如autozero，信号调理（SC）等所需的额外硬件。
理想放大器A1的输入电压变为
避免有辱人格V.op.（r）通过电源电压在每个阶段有效地施加到板之间最终mismatchings，晶体管M1到M4被适当尺寸，以保持低于100 mV的其上的电压降。
考虑到总偏移V.op.+V.OA.必须通过A1的变形放大，动态范围注意需要最小化V.OA.，因此建议使用低偏置差分双极输入级。在这种情况下，基极输入电流一世B.流过MOS开关M5至M8可以产生残余偏移V.oi.（r）通过等式2给出的附加。假设δ一世B.“一世B.，直接计算给出
在哪里
由于A1使用传统的基本电流取消电路，V.oi.（r）小于2μV，因此可以完全忽略相比V.op.（r）。
III。信号调理
图。图5是完整的线性霍尔设备的简化框图，其中先前描述的开关厅板由块SWP表示。请注意，对于零偏移和B.= 0，输出放大器A2具有其静态输出电压，V.Qoi.，定义传感器零电平，atV.S./ 2.信号调节器作为准切换放大器操作，其中第一对交叉耦合开关内置在开关霍尔板中，并且第二对开关加上传统的低通（LP）滤波器被替换按照样本和保持（S / H）和添加函数，如下所述。
图5.霍尔设备框图。
差分差分放大器A1放大G.1信号的倍数V.一世包括准DC偏移电压加上由所述产生的交变有用霍尔信号切换霍尔板。在传统的斩波器放大器，有用信号被回收并通过放大器后附加开关的偏移取消，再次反转合成信号的极性，并且通过进一步LP滤波。
在本申请中，如低磁通密度水平，V.op./V.H比可以达到高的值，需要降低残留AC纹波昂贵的多极LP滤波器。例如，对于在最坏的情况下确保了20％的最大峰 - 峰值的纹波V.op.= 10 mV和V.H= 0.25 mV，方形偏移电压的基本组件必须衰减52 dB。当在150 kHz的时钟频率下运行带宽34 kHz时，需要四极LP滤波器。此外，有用信号可以由DC分量损坏，由在每个板切换处发生的大脉冲产生，其可以通过LP滤波器。
该问题通过使用规避，在A1，两个S / H电路S1和S2的输出，这是由窄脉冲计时CLK2.（0°）和CLK2.(分别为90°)。这发生在0°和90°状态，一旦板极换向瞬变消失所需的延迟经过[11]。
假设理想的S / H的功能，在S / H的输出的偏移电压是DC信号，并且也没有必要再进一步过滤出否则高偏移的AC纹波，放松输出LP滤波要求。另外，通过当信号为无杂散脉冲的采样的信号的同步采样改善了信号恢复处理的精度，特别是在低的水平。
就输出噪声而言，这主要是由于霍尔板电阻的热噪声。与传统的斩波器相比，由于HF噪声分量的较高“折返”进入基带，本方法中的S / H功能在低频下在低频下产生更高的噪声功率谱密度。
召回等式3A和3B，假设理想的S / H功能，并注意到S / H输入是A1的互补输出，S / H输出V.一种和V.B.忽略共模(CM)信号，直流电压由
将这两种直流电压相加，通过反相双输入和运放A2，增益G2=−R.2/R.1，然后插入静止输出电压V.QO.，产生，忽略A2偏移贡献，输出
或者
在哪里V.Qoi.=V.裁判=V.S./ 2是理想的静态输出电压V.op.（r）= 0和V.QO.实际静态输出电压。请注意放大½G1×G2不希望的残余偏移是有用信号的一半。
除了V.op.（r），有保持未取消并且将转移的其他组件V.QO.从其理想值，例如由于反馈放大器，电阻网络和S / H不匹配等偏移等。随着总偏移的总偏移可以通过任何晶片修整技术在一个温度下零化，随温度的失调漂移和其生产传播，特别是由于包装引起的应力，仍然是最关键的传感器IC问题。
为了减少S / H缺陷的影响，例如充电馈通，下垂，非线性等，最终整体传感器IC使用包括四个S / H电路S1至S4的全差分S / H配置和求和反馈差输出放大器，如图5中的虚线所示。以这种方式，信号沿整个系统差别处理。
图6.第一放大器A1。
图7所示。S / H电路配置。
IV。单片实施
使用动态偏移消除和先前描述的基本电路的±0.1 T全级线性霍尔设备在单片IC中使用2μmBICMOS工艺实现。电源电压为5 V±10％，没有使用内部电压调节器，因为在线性传感器IC的许多应用中，特别是在汽车环境中，灵敏度应优选地与电源电压成比例。雷竞技最新网址该比例特征允许将传感器IC级联直接输出到来自同一电源的A-DD转换器。该装置不使用外部部件，包装在3针塑料封装中，在-40°C至150°C温度范围内。
为了降低生产扩散的磁敏度，增益G1通过调整IEE.(图6)采用4位二进制加权融合链路网络。同样，影响静态输出电压的总电路残余偏移量也被另一个熔断器链路网络剔除。这两种调整都是在一个参考温度下在晶圆级进行的。
该芯片尺寸为1.5 × 1.5 mm，如图8所示。Hall Epi板位于芯片几何中心，尺寸为160 × 160µm。三个时钟信号CLK1那CLK2.（0°），和CLK2.（90°）源自主振荡器，并在片上生成。
图8所示。霍尔传感器IC芯片的显微照片。模具尺寸为1.5 × 1.5 mm。
由于低电平模拟和5V数字信号共享相同的芯片，因此采取了布局预防措施以使数字馈通最小化为敏感区域，从而最大限度地减少任何残留输出数字噪声。
V.实验结果
表I提供了最终包装霍尔设备的测量典型特性T.一种= 25°C。
表我
| V.供应 | 5 V. |
| 一世供应 | 7马 |
| 一世出去（最大限度） | 2马 |
| 灵敏度 | 25 v / t |
| 满量程 | ±100米 |
| 静止的输出电压 | 2.5 V. |
| 等效磁抵消 | 0.5米 |
| 线性 | 99.9％ |
| 输出噪声* | 1 MVRMS. |
| 带宽 | 30 kHz. |
* V.供应引线与0.1μF电容器分离。
图9显示了测量的霍尔器件传递函数V.出去=ƒ（b）。作为最适合理想直线的近似测量的线性度，达到99.9％。
图9.测量的传递函数V.出去=ƒ（b）在25°C时。
图。10和11显示性能V.QO.，总灵敏度S.，作为温度范围内的温度范围为-40°C至150°C的功能。
图10.典型的静态输出电压随温度变化。
图11.典型的温度敏感性变化。
可以通过测量之间的差异来导出总输出残差偏移V.QO.和V.裁判（参见图5）在晶片级。在25℃下显示的偏移的测量范围为5至20毫伏，即从0.2至0.8毫乇。的2.5-V晶片修整值V.QO.在25℃下，包装后几乎没有变化。这V.QO.在25°C的参考值中偏离其他温度，如图2所示。如图10所示，表示偏移电压的温度诱导漂移。全温度范围的典型总漂移是≈7mV，相当于磁场≈0.3mt。初步生产数据显示，静态输出电压仅为±10 mV的3σ。当使用多板静态偏移消除技术时，这些偏差主要由包装引起的应力引起的，可以大得多，可以更大，降低传感器IC零参考稳定性。
图。图12示出了具有电源电压的灵敏度变化。
图12.具有电源电压的典型敏感性变化。
图13给出了HALL器件输出B.= 0，使用时基与时钟频率同步的示波器照片。它表明，由于片上的S / H过滤动作，CLK.频率残留物可忽略不计，并且输出处的主HF组件仅是由于霍尔板电阻产生的随机噪声而产生的。因此，不需要外部LP过滤器。如果需要，可以通过输出处的额外外部LP滤波进一步减少输出噪声，同时减少系统带宽。
图13.系统输出噪声，用0.1μF去耦电容测量V.供应带领。垂直灵敏度2 mV / div。水平灵敏度1μs/ div。TimeBase与CLK频率同步。
最后，图。图14示出了针对正弦磁通密度的传感器IC输出电压。
图14.用于400Hz正弦磁通密度的输出波形。垂直灵敏度50 mV / div。水平灵敏度0.5 ms / div。磁通密度幅度：8吨。
VI。结论
所描述的±0.1 T单片霍尔线性传感器IC使用两对触点和两个切换状态似乎是一种有吸引力的成本效益，可通过温度和偏移再现性来减少传感器IC偏移漂移。由于偏移本身在一个参考温度下在晶片水平处简单地修剪，因此具有温度的偏移漂移和其再现性，特别是在塑料包装设备中成为影响传感器IC零稳定性的最重要的问题。在这方面，本装置在塑料封装之后，显示出零级稳定性，其与常用的多板DC方法非常有利地进行比较。
相对较小的芯片尺寸证明，该技术可以是成本效益的，特别是当S / H电路执行有用信号和偏移消除时的恢复时，替换用于其他斩波器的大型LP滤波器。S / H电路还有助于忽略在板切换期间发生的大型换向瞬变，在非常低的水平下提供精确且平滑的线性传递函数。
虽然数字和低电平模拟信号共享相同的芯片，但与由于霍尔板电阻导致的随机噪声相比，输出时显影的虚假CLK噪声几乎可以忽略不计。
如文献中的建议，每个循环的较数较数的板接触对和切换阶段似乎改善了霍尔板抵消消除。当然，这种选项可能是一个有趣的挑战，需要在较高频率下操作的更精细的信号调节电路，并且显示足够小的偏移不损害由更复杂的板切换所获得的优点。
虽然目前的工作处理了线性霍尔传感器IC，但是可以使用相同的技术来实现具有“操作”和“释放”交换电平的常用数字传感器IC。在这种情况下，在本线性传感器IC中实现的零电平偏差的改进将转化为切换阈值的更好的再现性和温度稳定性。
承认
作者非常感谢与J.希格斯，K.勒和J.汤，和A.吉布斯进行广泛的试验工作，全部用快板微，LLC的有益的讨论雷竞技竞猜下载
参考
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Alberto Bilotti（S'45-A'48-SM'65-LS'91）1948年收到了阿根廷拉普拉塔大学的电气工程学位。
他与飞利浦，阿根廷七年，IBM，法国五年，美国Sprague Electric Co.，3年来。他的主要活动是分别设计了彩色电视，回忆和PBX的高级开发，以及模拟IC的设计。从1975年到1985年，他负责阿根廷的命运计算机有限公司的研发。目前，他是模拟数字IC，智能电力IC和磁传感器领域的顾问。
格雷达·蒙利利1968年出生于阿根廷的布宜诺斯艾利斯。他于1994年获得阿根廷布宜诺斯艾利斯大学的电子工程学位。
他开始在德布宜诺斯艾利斯大学的神经网络上工作。1992年，他加入了ElectrónicaBilotti，在那里他是IC设计工程师。目前，他的作品关注模拟数字IC和磁智能传感器IC。
Ravi Vig出生于印度孟买。1982年，他在新泽西州新不伦瑞克的罗格斯大学(Rutgers University)获得学士学位，1984年在新罕布什尔州汉诺威的达特茅斯学院(Dartmouth College)获得硕士学位。
他于1984年10月以来，他在Sprague Electric然后Sprague El雷竞技竞猜下载ectric然后Allegro Microsystems Inc.，作为IC设计工程师，后来作为霍尔效应集成电路产品的设计经理。他的活动包括高温霍尔传感器IC，多路复用传感器IC和自校准齿轮传感器IC。他还担任汽车产品的战略营销经理。他目前拥有Allegro Microsystems，LLC副总统的职位，业务发展雷竞技竞猜下载
稿件收到1996年7月26日;修订于1996年11月28日。这项工作得到了Allegro Microsystems，LLC，伍斯特，MA的雷竞技竞猜下载支持。
A. Bilotti和G. Monreal与阿根廷的Olivos 1636，Olivos Bilottie。
R.Vig是与Allegro 雷竞技竞猜下载Microsystems，LLC，伍斯特，马马，美国。
发布商项目标识符S 0018-9200（97）03841-9。0018-9200 / 97 $ 10.00©1997，IEEE
这里描述的产品是A3515xUA和A3516xUA，用于高温操作的比率线性霍尔效应传感器集成电路。
本文最初发表在固态电路IEEE杂志，卷。32，1997年6月6日。通过许可转载。
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