磁传感器集成电路中的动态正交偏移消除技术解析

抽象的

该技术文章介绍了单片式磁传感器集成电路（IC），其操作，并说明了其如何使用一种称为动态正交偏移消除的技术。偏置电压及其温度漂移和产品扩散通常会降低磁性霍尔传感器IC的零电平稳定性和再现性，可以使用单个霍尔板和用于周期性排列电源和输出触点对的开关装置来降低偏置电压及其温度漂移和产品扩散。本工作描述了具有±0.1 T满量程的基于斩波器的5 V单片式线性霍尔传感器IC，其中该动态板偏移消除技术已与具有成本效益的信号调节器一起使用。该器件使用2 µm常规BiCMOS工艺和尺寸为1.5×1.5 mm的最终芯片进行了集成，图3显示了在使用3针塑料封装进行包装后，残留偏移量与生产差异以及温度引起的漂移比当前使用的多板DC正交抵消方法小了五到十倍。该设备不需要外部组件，并且输出不含HF残留物。

介绍

整体式磁传感器IC通常使用Si霍尔元件，该元件易于与放大或处理产生的较低电压所需的放大器或信号调节器电路集成在一起。霍尔效应，其特性和应用已在文献中广泛讨论。可以在Baltes和Popovic的著作中找到许多参考文献的出色回顾。

最简单的霍尔元件使用一块正方形板，例如采用双极或BiCMOS工艺制成的Epi-pocket，带有两对正交取向的触点，如图1所示。当在一对触点（例如，a，c）上施加电源电压Vs时，垂直于极板的磁通密度B会在另一对触点b，d上产生电压VH，从而：

其中Sv是每单位电源电压的霍尔元件灵敏度。VH⁄B×Vs给出的灵敏度，其中T（特斯拉； 1 T = 1×104高斯）是磁通密度（感应）的米·千克·秒（mks）单位，大约是一个常数参数，仅取决于硅层的迁移率以及板和接触的几何形状。Sv的典型值在0.04至0.08之间，这意味着，对于典型的5V电源和最小磁通密度1 mT，输出电压为200至400 µV。

图1基本霍尔板

在所有直流应用中，能够通过此类极板精确测量的最小磁通密度取决于B = 0时极板输出触点上出现的偏移电压Vop。从电气角度来看，极板会因电阻而显示出不可避免的失衡梯度，几何不对称，压阻效应等，产生不可忽略的失调电压。由于极板偏移Vop相对较大，因此对于5V电源，其偏移范围可能在0.5至5mV之间，并且取决于温度，电源电压和应力。已经努力消除或最小化其影响。

偏移抵消不能通过像在放大器中使用的那样的开关技术来执行，因为除了切断磁场外，没有可以将Vop与VH隔离的可用状态，这当然是不可行的。

注意，从直流的角度来看，霍尔板可以看作是分布式电阻惠斯通电桥。当前大多数商用霍尔传感器IC通过使用两个或更多个适当互连的板来消除偏移，其中电流方向从一个板到另一个板旋转了90°。如果不平衡源保持不变并固定在实心空间中，则任何一对板的偏移量将相等，但极性相反，从而实现所需的消除效果。另一方面，多板装置的有用信号保持等于单板的信号。

替代地，已经提出了在通过周期性的供应和输出接触排列来产生正交状态的同时仅使用一块板。尽管这种动态失调消除技术在霍尔开关板之后需要更复杂的信号调节器，但与多板传感器IC相比，它具有减少残留失调及其生产范围的优势。在最后一种情况下，由于物理上不同的印版之间的印版偏移不匹配，零电平偏差会降低。这些失配主要是由与温度有关的塑料封装内置应力产生的。

这项工作描述了使用动态失调对消技术的5V BiCMOS单片线性霍尔传感器IC，其中，由具有成本效益的信号调节器来执行恢复有用信号和消除失调所需的各种功能。

首选BiCMOS技术是因为它具有简单，高增益，开环放大器，低失调，精确的温度编程电路以及低成本的高输出电流源能力。

编辑：hfy