一种霍尔效应开关电路

技术领域

本发明实施例涉及传感器技术领域，尤其涉及一种霍尔效应开关电路。

背景技术

霍尔效应开关是一种基于霍尔效应原理运作的开关设备，其主要功能是用于检测磁场强度的变化，从而通过改变电流的流向来开启或关闭电子设备。霍尔效应开关内部一般包含一个霍尔元件，当磁场改变时，这个元件会产生一个横向电压，即霍尔电压。通过监测这个电压的变化，霍尔效应开关可以精确地控制电子设备的开启和关闭。因此，霍尔效应开关在各种需要精确控制的电子设备中都有广泛应用。例如，汽车行业、工业自动化、消费电子产品等领域都有霍尔效应开关的身影。在新能源汽车行业中，霍尔效应开关用于电池管理、马达控制等方面。在消费电子产品中，霍尔效应开关可用于手机、电脑等设备的磁场感应。预计未来几年，随着这些行业的持续发展，霍尔效应开关的市场需求将会继续增长。

现有的霍尔效应开关电路通常由一个霍尔元件、一个前置电压放大器和一个比较器组成。霍尔元件是在磁场中产生霍尔电压的主要部分，其将感应到的磁场强度转化为电压信号。此信号经过前置电压放大器的放大，可以显著提高霍尔开关的灵敏度和准确性。然后，这个放大后的电压信号会被送入比较器电路。比较器电路的工作原理是将输入的霍尔电压与设定的基准电压进行比较，然后输出一个对应的二进制信号，实现了开关的功能。

而现有的霍尔效应开关电路通常存在如下缺陷。首先，由于霍尔传感元件基于硅制造，可能会产生严重的失配，进而导致较大的失调电压，影响开关的精度。为解决这一问题，通常会引入相应的失调消除技术，如电流旋转技术，其中四相旋转电流技术应用最为广泛。然而，该技术需要对每一个相位进行信号采样，并单独转换和处理每个相位的信号，这容易导致采样过程中的噪声混叠，需要在电路后端增加额外的低通滤波器以消除噪声。特别是当混叠噪声与信号同频时，去除噪声变得尤为困难。这不仅增加了电路设计的复杂性，而且难以实现良好的低噪声性能。其次，传感器的灵敏度会因温度变化而出现漂移，影响整个系统的温度特性。另外，作为与传感器输出信号比较的基准电压，也存在温度系数，当其温度系数与传感器灵敏度以及失调电压的温度系数不同时，将导致更严重的温度漂移。

由于这些因素，设计高稳定性、高精度的霍尔效应开关变得相对复杂。通常，为了达到所需的性能，需要增加额外的温度传感器和补偿电路，但这无疑大大提高了设计难度和芯片成本。

发明内容

基于现有技术的上述情况，本发明实施例的目的在于提供一种霍尔效应开关电路，能够显著提升改善现有霍尔效应开关电路的温度漂移性能，灵敏度精度，以及噪声性能。

为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种霍尔效应开关电路，所述电路包括霍尔传感器单元、前端放大单元、至少一个基准信号产生单元、积分单元和比较单元；

所述霍尔传感器单元根据目标磁场强度的变化，输出霍尔电压；

所述前端放大单元连接至霍尔传感器单元的输出端，对所输出的霍尔电压进行放大；

所述基准信号产生单元根据所采用的霍尔传感器单元生成对应的基准信号；

所述积分单元连接至前端放大单元和基准信号产生单元的输出端，用于对放大的霍尔电压和基准信号在预定周期内的差值进行积分运算，并在一个完整的电流旋转周期结束时对差值积分的结果进行采样；

所述比较单元连接至积分单元的输出端，将霍尔电压和基准信号相减后的积分结果进行比较，并输出开关信号。

进一步的，所述基准信号产生单元包括连接至电源端的第一电阻网络和连接至接地端的第二电阻网络，所述第一电阻网络和第二电阻网络均为R-2R电阻网络；

所述第一电阻网络的各可控电阻臂均包括并联连接的第一开关和第二开关，各可控电阻臂通过各第一开关连接至积分单元，通过各第二开关相互连接；

所述第二电阻网络的各可控电阻臂均包括并联连接的第三开关和第四开关，各可控电阻臂通过各第三开关连接至积分单元，通过各第四开关相互连接；

所述第一电阻网络的各可控电阻臂和第二电阻网络的各可控电阻臂分别通过各第二开关和第四开关相互连接。

进一步的，所述基准信号产生单元输出的基准信号REF

其中，V

进一步的，所述霍尔传感器单元包括霍尔元件和偏置电压产生电路；

所述偏置电压产生电路连接至电源端，所述偏置电压产生电路包括偏置电阻，利用偏置电压V

进一步的，所述积分单元包括第一积分电容和第二积分电容，以及分别与第一积分电容和第二积分电容并联连接的第一重置开关和第二重置开关。

进一步的，所述电路还包括采样输出单元；所述采样输出单元连接至积分单元的输出端，所述积分单元通过采样输出单元连接至比较单元。

进一步的，所述采样输出单元包括第一采样电容、第二采样电容、第一采样开关和第二采样开关；

所述第一采样电容和第二采样电容的输出端分别通过第一采样开关和第二采样开关连接至偏置电压V

其中，所述第一采样开关和第二采样开关的控制信号与第一重置开关和第二重置开关的控制信号互补。

综上所述，本发明实施例提供了一种霍尔效应开关电路，所述电路包括霍尔传感器单元、前端放大单元、至少一个基准信号产生单元、积分单元和比较单元；所述霍尔传感器单元根据目标磁场强度的变化，输出霍尔电压；所述前端放大单元连接至霍尔传感器单元的输出端，对所输出的霍尔电压进行放大；所述基准产生单元根据所采用的霍尔传感器单元生成对应的基准信号；所述积分单元连接至前端放大单元和基准信号产生单元的输出端，用于对放大的霍尔电压和基准信号在预定周期内的差值进行积分累积，并在旋转电流周期结束时对差值积分的结果进行采样；所述比较单元连接至积分单元的输出端，将所采样的霍尔电压和基准信号相减后的积分结果进行比较，并输出开关信号。本发明实施例提供的技术方案，通过采用R-2R电阻网络构成基准产生单元，可以有效地实现对霍尔传感器开关的工作点(B

附图说明

图1是本发明实施例提供的霍尔效应开关电路的电路结构示意图；

图2是霍尔传感器单元的电路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的霍尔效应开关电路中各节点输出波形图；

图4是本发明实施例提供的霍尔效应开关电路输出信号的频率响应图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

需要说明的是，除非另外定义，本发明一个或多个实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明一个或多个实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。本发明的实施例，提供了一种霍尔效应开关电路，图1中示出了该霍尔效应开关电路的电路结构示意图，如图1所示，所述电路包括霍尔传感器单元10、前端放大单元20、至少一个基准信号产生单元30、积分单元、采样输出单元和比较单元。其中2f

霍尔传感器单元10设置于目标磁场中，用于根据目标磁场强度的变化，输出霍尔电压。图2中示出了霍尔传感器单元10的电路结构示意图，如图2所示，霍尔传感器单元10包括霍尔元件101和偏置电流产生电路，霍尔元件101的两个端子V

前端放大单元20连接至霍尔传感器单元10的输出端，对所输出的霍尔电压进行放大。本发明实施例中，该前端放大单元20采用低噪声前端放大器，用于对霍尔电压进行初步的信号放大。放大后的信号累积在后端的积分单元上，用于之后的信号处理。

基准产生单元30根据所采用的霍尔传感器单元生成对应的基准信号。如图1所示，基准产生单元30包括连接至电源端VDD的第一电阻网络和连接至接地端GND的第二电阻网络，所述第一电阻网络和第二电阻网络均为R-2R电阻网络。第一电阻网络的各可控电阻臂均包括并联连接的第一开关S3011和第二开关S3012，各可控电阻臂通过各第一开关S3011连接至积分单元，通过各第二开关S3012相互连接；第二电阻网络的各可控电阻臂均包括并联连接的第三开关S3013和第四开关S3014，各可控电阻臂通过各第三开关S3013连接至积分单元，通过各第四开关S3014相互连接。第一电阻网络的各可控电阻臂和第二电阻网络的各可控电阻臂分别通过各第二开关S3012和第四开关S3014相互连接。所述第一电阻网络和第二电阻网络的可控电阻臂的数量可以根据所需要的工作点调节精度和调节范围进行调整。第一电阻网络和第二电阻网络以电源端VDD作为供电电源，网络中的每个电阻的开关状态都由数字控制的寄存器开关组控制，因此，霍尔元件的工作点(B

其中，C

以应用于单极型霍尔开关为例，当该单极型霍尔开关尚未触发时，R-2R电阻网络中的寄存器会控制网络生成一个与工作点(B

此外，该R-2R电阻网络中的电阻R的温度系数与偏置电阻R

本发明通过积分单元引入了伪连续时间逻辑，以在提升系统的噪声性能的同时降低电路的复杂程度。由于基于硅工艺的霍尔传感器失调比较严重，影响测试结果，所以必须采用相应的技术来消除失调。目前主要的消除失调的技术为电流旋转技术。该技术通过将传感器的失调电压调制到高频来起到消除失调的作用。为了解决传统的基于旋转电流技术的霍尔传感器读出电路的采样噪声混叠问题，本发明实施例引入了伪连续时间采样电路，通过在前端放大单元20和采样输出电路之间引入一个积分电路来实现高效的噪声消除。在该方法中，放大后的霍尔电压信号通过积分过程实现了天然的低通滤波，积分单元将放大后的霍尔电压信号累积起来，并在完整的旋转电流周期之后进行一次完整的采样。这个积分过程使得高频噪声在信号频率范围内被滤除，从而消除了由于后续采样过程导致的高频噪声混叠的问题。通过引入积分单元，有效地将高频噪声混叠的影响降到最低。图3描述了在这个过程中电路各个节点的波形，如图3所示，以四相旋转电流技术的霍尔传感器为例，由于四相旋转电流技术，放大后的霍尔电压信号V

在采样的同时，积分单元的第一重置开关S

比较单元连接至积分单元的输出端，将霍尔电压和基准信号相减后的积分值进行比较，并输出开关信号。在比较单元中，当积分后的剩余信号大于0时，说明被测的磁场信号强于基准信号；而当相减后的剩余信号小于0时，则说明被测的磁场信号弱于基准信号。例如：前端放大单元20输出的霍尔电压为V

综上所述，本发明实施例涉及一种霍尔效应开关电路，所述电路包括霍尔传感器单元、前端放大单元、至少一个基准产生单元、积分单元和比较单元；所述霍尔传感器单元根据目标磁场强度的变化，输出霍尔电压；所述前端放大单元连接至霍尔传感器单元的输出端，对所输出的霍尔电压进行放大；所述基准产生单元根据所采用的霍尔传感器单元生成对应的基准信号；所述积分单元连接至前端放大单元和基准信号产生单元的输出端，用于对放大的霍尔电压和基准信号的差值在预定周期内进行积分累积；所述比较单元连接至积分单元的输出端，将霍尔电压和基准信号相减后的积分值进行比较，并输出开关信号。本发明实施例提供的技术方案，通过采用R-2R电阻网络构成基准产生单元，可以有效地实现对霍尔传感器开关的工作点(B

应当理解的是，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明一个或多个实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。