专利名称：低工作电压的霍尔集成电路与其电压调节器的制作方法
技术领域：
本发明是有关于霍尔集成电路(Hall integrated circuit，霍尔IC)，且特别是有关于一种具有低工作电压以及逆向保护功能的霍尔IC与其电压调节器电路。
背景技术：
为人熟知的是，霍尔组件(Hall element)可以是霍尔传感器(Hallsensor)或是霍尔IC，其中此两者的差别是霍尔IC更提供了信号放大的功能，以致于霍尔IC的输出信号可不经过放大就被应用到某电路。霍尔IC可被使用于例如一电动机的驱动电路(motor drive circuit)中，用以侦测此电动机中转子(rotor)的磁极性(magnetic polarity)。
图1是一传统的霍尔IC的电路示意图。在图1中的霍尔IC包含电压调节器(voltage regulator)102、霍尔传感器106、放大器(amplifier)108以及前置驱动电路(pre-driver)110。放大器108接收霍尔传感器106的一输出信号，且产生一被放大的输出信号。前置驱动电路110接收来自放大器108的被放大的输出信号，且其输出端连接到一外部驱动电路(未绘出)，以提供驱动信号例如时钟信号(clock signal)到此驱动电路。此霍尔IC的低参考电位Vss也显示于图1中。在传统的设计上，霍尔传感器106、放大器108以及前置驱动电路110共享一组供应电压Vdd，而此供应电压Vdd是由电压调节器102所提供。请参照图1，电压调节器102的电源(power source)电压Vcc通常经由一个二极管(diode)104连接到电压调节器102。因为常见的问题是将电源线反接，使Vss成为高电位而Vdd成为低电位，造成霍尔IC的烧毁，所以为了逆向(reverse)保护的目的而使用二极管104。
图2是图1中霍尔传感器106与放大器108的电路示意图。图1中的霍尔传感器106的等效电路被显示于图2中的左侧，其具有四个相等的电阻R，而放大器108是一差动放大器(differential amplifier)，此差动放大器包含双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，BJT)Q1与Q2、四个电阻R1、R2、R3与R4以及电源112。请参照图2，由于跨于电源112的电压，也就是C点电位对低参考电位Vss的电压，约为0.2至0.3伏(V)，而且A点电位对C点电位的直流电压约为0.7伏，所以可知A点的直流电压约为1.0伏。同样地，B点的直流电压也是约为1.0伏。因为低参考电位Vss一般来说是0伏，由图2中霍尔传感器的等效电路可知，供应电压Vdd至少约为2.0伏。
由以上的分析可知，霍尔传感器106的最低的工作电压(operatingvoltage)约为2.0伏。再者，因为霍尔传感器106、放大器108以及前置驱动电路110共享同一供应电压Vdd，故在设计上亦需考虑供应电压Vdd的驱动能力问题，亦即能够提供霍尔传感器106、放大器108以及前置驱动电路110所需要的电流大小，所以目前市面上的霍尔IC实际的最低工作电压，亦即最低的供应电压Vdd，约为2.7至2.8伏。
发明内容
本发明的目的就是在提供一种具有低工作电压及逆向保护功能的霍尔IC，用以降低霍尔IC的最低工作电压。
本发明的另一目的是在提供一种具有低工作电压及逆向保护功能的电压调节器，作为霍尔IC的一部份，用以降低霍尔IC的最低工作电压。
根据本发明的上述目的，提出一种具有低工作电压的霍尔IC。此霍尔IC包括一霍尔传感器、一放大电路、一前置驱动电路(pre-driver)以及一电压调节器。所述的放大电路接收霍尔传感器的一输出信号，且产生一被放大的输出信号；前置驱动电路接收来自放大电路的被放大的输出信号，且其输出端连接到一驱动电路，以提供驱动信号到驱动电路；电压调节器耦接于霍尔传感器、放大电路以及前置驱动电路；电压调节器供给前置驱动电路一第一供应电压，且供给霍尔传感器与放大电路一第二供应电压。
本发明所述的电压调节器包含一第一参考电位端点、一第二参考电位端点、一能带间隙电压参考(bandgap voltage reference)电路、一启动电路(start-up circuit)、一第一NPN晶体管、一第一PNP晶体管、一第二PNP晶体管以及一电流源。所述的霍尔IC的一电源电压被施加到第一参考电位端点，而一低参考电位被施加到第二参考电位端点。所述的能带间隙电压参考电路连接到第二参考电位端点且具有一输出端，且该能带间隙电压参考电路在输出端输出上述的第一供应电压。输出端是作为此电压调节器的一第一输出端。启动电路连接到第二参考电位端点。第一NPN晶体管的发射极端(emitter)连接到第一输出端。第一PNP晶体管的集电极端(collector)连接到基极端(base)以及第一NPN晶体管的集电极端，且第一PNP晶体管的发射极端连接到第一参考电位端点，基极端连接到启动电路。电流源连接于第一参考电位端点与启动电路之间。第PNP晶体管的发射极端连接到第一参考电位端点，集电极端连接到第一NPN晶体管的基极端，而基极端耦接于电流源，以使流经其发射极端的电流实质上反映(mirror)出此电流源的输出电流，而且第一NPN晶体管的基极端是作为此电压调节器的一第二输出端。电压调节器在第二输出端输出上述的第二供应电压。再者，上述的电源电压的最低值约为2.1伏。
应用本发明具有下列优点使用本发明的霍尔IC以及其中的电压调节器可以将最低的电源电压降低到约2.1伏，所以能达到低工作电压(lowoperating voltage)、低功率(low power)的目的。此外，本发明的霍尔IC以及其中的电压调节器还具有逆向保护的功能，其中并不需要使用传统霍尔IC所使用的二极管。
图1是一传统的霍尔IC的电路示意图。
图2是图1中霍尔传感器与放大器的电路示意图。
图3是根据本发明的霍尔IC的电路示意图。
图4是根据本发明一实施例图3中的电压调节器的电路示意图。
图5绘示图4中电压调节器的电源电压Vcc、第一供应电压Vdd1以及第二供应电压Vdd2的电路仿真结果。
图中标号说明102电压调节器104二极管106霍尔传感器108放大器110前置驱动电路 112电流源
302电压调节器306霍尔传感器308放大器310前置驱动电路QW第一NPN晶体管QDP第一PNP晶体管QR第二PNP晶体管400能带间隙电压参考电路402启动电路 404电流源406负反馈电路具体实施方式
图3是根据本发明的霍尔IC的电路示意图。在图3中的霍尔IC包含电压调节器302、霍尔传感器306、放大电路(amplifying circuit)308以及前置驱动电路310。此霍尔IC的低参考电位Vss也显示于图3中。放大电路308接收霍尔传感器306的一输出信号，且产生一被放大的输出信号。所述的放大电路308包含例如一放大器，适用于放大霍尔传感器306的输出信号，且产生被放大的输出信号。此放大器可能是一前置放大器(preamplifier)。
前置驱动电路310接收来自放大电路308的被放大的输出信号，且其输出端连接到一驱动电路(未绘出)，以提供驱动信号到驱动电路。驱动电路例如用以驱动一直流无刷电动机(DC brushless motor)，而此直流无刷电动机使用两定子线圈(stator coils)，以产生转动的磁场以旋转一风扇的转子(rotor)。此外，前置驱动电路310例如包含一史密特触发电路(Schmitt Trigger)。该史密特触发电路包含一比较器(comparator)，而比较器适用于比较被放大的输出信号与一参考电压(reference voltage)，且提供转换迟滞(switching hysteresis)特性以达到拒斥噪声(noise)的目的。
本发明的电压调节器302耦接于霍尔传感器306、放大电路308以及前置驱动电路310。电压调节器302是被设计供给前置驱动电路310一第一供应电压Vdd1，且供给霍尔传感器306与放大电路308一第二供应电压Vdd2。这种双供应电压的设计是为了有效降低霍尔IC的最低工作电压，亦即最低的电源电压Vcc。一般来说，为了提供适当的驱动信号到外部驱动电路，前置驱动电路310需要约8mA至10mA的供应电流，而霍尔传感器306与放大电路308都只需要约4mA至5mA的供应电流。所以这种双供应电压设计也就是将需要较大电流的前置驱动电路310与需要较小电流的霍尔传感器306与放大电路308分开来。
此外，如图3所示，虽然电压调节器302的电源电压Vcc并未经由一个二极管连接到电压调节器302，但是此霍尔IC仍然具有逆向保护的功能。
通过使用本发明的电压调节器302，可以达到降低霍尔IC的最低的电源电压Vcc以及具有逆向保护功能的目的。图4是根据本发明一实施例的图3中的电压调节器302的电路示意图。请参照图4，电压调节器302包含一第一参考电位端点、一第二参考电位端点、一能带间隙电压参考(bandgap voltage reference)电路400、一启动电路(start-up circuit)402、一第一NPN晶体管QW、一第一PNP晶体管QDP、一第二PNP晶体管QR以及一电流源404。上述的电源电压Vcc被施加到第一参考电位端点，而低参考电位Vss被施加到第二参考电位端点。能带间隙电压参考电路400连接到第二参考电位端点且具有一输出端，且能带间隙电压参考电路400在输出端输出上述的第一供应电压Vdd1。输出端是作为电压调节器302的一第一输出端。启动电路402连接到第二参考电位端点。第一NPN晶体管QW的发发射极端(emitter)连接到第一输出端。第一PNP晶体管QDP的集电极端(collector)连接到基极端(base)以及第一NPN晶体管QW的集电极端，且第一PNP晶体管QDP的发射极端连接到第一参考电位端点，基极端连接到启动电路402。电流源404连接于第一参考电位端点与启动电路402之间。第二PNP晶体管QR的发射极端连接到第一参考电位端点，集电极端连接到第一NPN晶体管QW的基极端，而基极端耦接于电流源404，以使得流经其发射极端的电流实质上反映(mirror)出电流源404的输出电流，而且第一NPN晶体管QW的基极端是作为电压调节器302的一第二输出端。电压调节器302在第二输出端输出上述的第二供应电压Vdd2。再者，电压调节器302可选择性地包含一负反馈(negativefeedback)电路406，以对抗噪声等瞬间变化。该负反馈电路406连接到第二参考电位端点、能带间隙电压参考电路400以及第二输出端。
请参照图4，在此实施例中，电流源404的实现例如使用一第三PNP晶体管QS以及一第四PNP晶体管QT。第三PNP晶体管QS的发射极端连接到第一参考电位端点，集电极端连接到启动电路402。第四PNP晶体管QT的发射极端连接到第一参考电位端点，其基极端连接到集电极端、第三PNP晶体管QS的基极端以及第二PNP晶体管QR的基极端，而且第四PNP晶体管QT的集电极端连接到启动电路402。根据以上所述，由于第一PNP晶体管QDP、第二PNP晶体管QR、第三PNP晶体管QS以及第四PNP晶体管QT的P型发射极端都连接到被施加电源电压Vcc的端点，亦即第一参考电位端点，所以每一此四个PNP晶体管的发射极端与基极端一起作为一个二极管。因此此霍尔IC具有逆向保护的功能。
另一方面，在此实施例中，能带间隙电压参考电路400的结构例如包含一第二NPN晶体管QY、一第一阻抗RB、一第三NPN晶体管QZ、一第二阻抗RC以及一第三阻抗RD。第二NPN晶体管QY的发射极端连接到第二参考电位端点，基极端连接到集电极端。第一阻抗RB连接于第一输出端与第二NPN晶体管QY的集电极端之间。第三NPN晶体管QZ的基极端连接到第二NPN晶体管QY的基极端。第二阻抗RC连接于第一输出端与第三NPN晶体管QZ的集电极端之间。第三阻抗RD连接于第二参考电位端点与第三NPN晶体管QZ的发射极端之间。
另一方面，在此实施例中，负反馈电路406例如包含一第四NPN晶体管QX与一第五NPN晶体管QU。第四NPN晶体管QX的发射极端连接到第二参考电位端点，基极端连接到第三NPN晶体管QZ的集电极端，而集电极端连接到第二输出端。第五NPN晶体管QU的发射极端连接到集电极端以及第二输出端，而基极端连接到第四NPN晶体管QX的基极端。另外一种可能方式是用一电容性组件(capacitive element)，例如一电容器，来取代第五NPN晶体管QU，连接于第二输出端与第四NPN晶体管QX的基极端之间。
在图4中，启动电路402是为了避免整个电压调节器302在电源电压Vcc开始被施加的瞬间，所有晶体管不明确地(indefinitely)处在关闭(off)的状态，而造成在瞬间电压调节器302缺乏电流的问题。电源电压Vcc被施加之后，启动电路402先导致电流流过第一PNP晶体管QDP与第一NPN晶体管QW，再产生电流源404的输出电流，然后此输出电流再实质上反映到流经第二PNP晶体管QR的电流。
在此叙述降低霍尔IC的最低的电源电压Vcc的原理。图5绘示图4中电压调节器302的电源电压Vcc、第一供应电压Vdd1以及第二供应电压Vdd2的电路仿真结果。如图5所示，当电源电压Vcc小于或等于稳定工作电压2.4伏时，第一供应电压Vdd1以及第二供应电压Vdd2皆约随电源电压Vcc呈线性变化(linear relationship)。当电源电压Vcc被限制在小于或等于2.4伏的情况时，第二PNP晶体管QR会处在饱和区(saturationregion)，则其发射极端对集电极端的电压Vec约等于0.1伏，所以Vdd2＝Vcc-0.1V(1)Vdd1＝Vdd2-0.7V＝Vcc-0.8V(2)由上面第(2)式可知在第一输出端的第一供应电压Vdd1主要是受到第一NPN晶体管QW的极端对发射极端的电压VBE(约等于0.7伏)所限制，所以其比电源电压Vcc小约0.8伏。再者，根据前述已知被供应到霍尔传感器306的第二供应电压Vdd2至少需为2.0伏，所以由第(1)式可知电源电压Vcc至少需为2.1伏，此即为最低的工作电压。因此，本发明的霍尔IC或其中的电压调节器的低电源电压Vcc约为2.1伏。再者，如果将第二PNP晶体管QR配置成为例如横向PNP晶体管(lateral PNPtransistor，LPNP)，则第二PNP晶体管QR的驱动能力较差，意即流经第二PNP晶体管QR的电流不会很大。在这种情况下，第二供应电压Vdd2所能提供的最大电流(主要是流经第二PNP晶体管QR的电流)约为5mA，而这也符合霍尔传感器306与放大电路308都只需要约4mA至5mA的供应电流。另一方面，第一供应电压Vdd1所能提供的最大电流约为20mA，亦可满足前置驱动电路310需要约8mA至10mA的较大供应电流。
由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明具有下列优点。跟现有技术中霍尔IC的最低的供应电压Vdd(约为2.7至2.8伏)比起来，使用本发明的霍尔IC以及其中的电压调节器可以将最低的电源电压Vcc降低到约2.1伏，亦即达到低工作电压(low operating voltage)、低功率(low power)的目的。此外，本发明的霍尔IC以及其中的电压调节器还具有逆向保护的功能，其中并不需要使用传统霍尔IC所使用的二极管。
权利要求
1.具有低工作电压的电压调节器，其特征是，至少包含一第一参考电位端点，一电源电位被施加到该第一参考电位端点；一第二参考电位端点，一低参考电位被施加到该第二参考电位端点；一能带间隙电压参考电路，连接到该第二参考电位端点且具有一输出端，该能带间隙电压参考电路在输出端输出一能带间隙电压参考，其中该输出端是作为电压调节器的一第一输出端；一启动电路，连接到所述的第二参考电位端点；一第一NPN晶体管，该第一NPN晶体管的发射极端连接到所述的第一输出端；一第一PNP晶体管，该第一PNP晶体管的集电极端连接到基极端以及第一NPN晶体管的集电极端，第一PNP晶体管的发射极端连接到第一参考电位端点，而且基极端连接到所述的启动电路；一电流源，连接于所述的第一参考电位端点与启动电路之间；以及一第二PNP晶体管，该第二PNP晶体管的发射极端连接到所述的第一参考电位端点，集电极端连接到第一NPN晶体管的基极端，而基极端耦接于该电流源，以使得流经发射极端的电流实质上反映出该电流源的输出电流，其中第一NPN晶体管的基极端是作为该电压调节器的一第二输出端。
2.如权利要求1所述的具有低工作电压的电压调节器，其特征是，所述的电源电位的最低值约为2.1伏。
3.如权利要求1所述的具有低工作电压的电压调节器，其特征是，所述的电流源包含一第三PNP晶体管，该第三PNP晶体管的发射极端连接到该第一参考电位端点，集电极端连接到该启动电路；以及一第四PNP晶体管，该第四PNP晶体管的发射极端连接到该第一参考电位端点，基极端连接到集电极端、该第三PNP晶体管的基极端以及该第二PNP晶体管的基极端，而且该第四PNP晶体管的集电极端连接到该启动电路。
4.如权利要求1所述的具有低工作电压的电压调节器，其特征是，所述的能带间隙电压参考电路包含一第二NPN晶体管，该第二NPN晶体管的发射极端连接到该第二参考电位端点，基极端连接到集电极端；一第一阻抗，连接于该第一输出端与该第二NPN晶体管的集电极端之间；一第三NPN晶体管，该第三NPN晶体管的基极端连接到该第二NPN晶体管的基极端；一第二阻抗，连接于该第一输出端与该第三NPN晶体管的集电极端之间；以及一第三阻抗，连接于该第二参考电位端点与该第三NPN晶体管的发射极端之间。
5.具有低工作电压的霍尔集成电路，其特征是，该霍尔集成电路至少包括一霍尔传感器，一放大电路，该放大电路接收所述的霍尔传感器的一输出信号，且产生一被放大的输出信号；一前置驱动电路，该前置驱动电路接收来自所述的放大电路的该被放大的输出信号，该前置驱动电路的输出端连接到一驱动电路，以提供驱动信号到该驱动电路；以及一电压调节器，耦接于所述的霍尔传感器、放大电路以及前置驱动电路，该电压调节器供给前置驱动电路一第一供应电压，且供给霍尔传感器与放大电路一第二供应电压。
6.如权利要求5所述的具有低工作电压的霍尔集成电路，其特征是，所述的电压调节器包含一第一参考电位端点，该霍尔集成电路的一电源电压被施加到该第一参考电位端点；一第二参考电位端点，一低参考电位被施加到该第二参考电位端点；一能带间隙电压参考电路，连接到该第二参考电位端点且具有一输出端，该能带间隙电压参考电路在该输出端输出该第一供应电压，其中该输出端系作为该电压调节器的一第一输出端；一启动电路，连接到该第二参考电位端点；一第一NPN晶体管，该第一NPN晶体管的发射极端连接到该第一输出端；一第一PNP晶体管，该第一PNP晶体管的集电极端连接到基极端以及该第一NPN晶体管的集电极端，该第一PNP晶体管的发射极端连接到该第一参考电位端点，而且基极端连接到该启动电路；一电流源，连接于该第一参考电位端点与该启动电路之间；以及一第二PNP晶体管，该第二PNP晶体管的发射极端连接到该第一参考电位端点，集电极端连接到该第一NPN晶体管的基极端，而基极端耦接于该电流源，以使得流经发射极端的电流实质上反映出该电流源的输出电流，其中第一NPN晶体管的基极端是作为电压调节器的一第二输出端，且电压调节器在第二输出端输出第二供应电压。
7.如权利要求5所述的具有低工作电压的霍尔集成电路，其特征是，所述的电源电压的最低值约为2.1伏。
8.如权利要求5所述的具有低工作电压的霍尔集成电路，其特征是，所述的电流源包含一第三PNP晶体管，该第三PNP晶体管的发射极端连接到该第一参考电位端点，集电极端连接到该启动电路；以及一第四PNP晶体管，该第四PNP晶体管的发射极端连接到该第一参考电位端点，基极端连接到集电极端、该第三PNP晶体管的基极端以及该第二PNP晶体管的基极端，而且该第四PNP晶体管的集电极端连接到该启动电路。
9.如权利要求5所述的具有低工作电压的霍尔集成电路，其特征是，所述的能带间隙电压参考电路包含一第二NPN晶体管，该第二NPN晶体管的发射极端连接到该第二参考电位端点，基极端连接到集电极端；一第一阻抗，连接于该第一输出端与该第二NPN晶体管的集电极端之间；一第三NPN晶体管，该第三NPN晶体管的基极端连接到该第二NPN晶体管的基极端；一第二阻抗，连接于该第一输出端与该第三NPN晶体管的集电极端之间；以及一第三阻抗，连接于该第二参考电位端点与该第三NPN晶体管的发射极端之间。
10.如权利要求5所述的具有低工作电压的霍尔集成电路，其特征是，还包含一负反馈电路，该负反馈电路包含一第四NPN晶体管，该第四NPN晶体管的发射极端连接到该第二参考电位端点，基极端连接到该第三NPN晶体管的集电极端，而集电极端连接到该第二输出端；以及一第五NPN晶体管，该第五NPN晶体管的发射极端连接到集电极端以及该第二输出端，而基极端连接到该第四NPN晶体管的基极端。
11.如权利要求5所述的具有低工作电压的霍尔集成电路，其特征是，所述的前置驱动电路包含一史密特触发电路，该史密特触发电路包含一比较器，该比较器适用于比较该被放大的输出信号与一参考电压，且提供转换迟滞(switching hysteresis)特性以达到拒斥噪声的目的。
12.如权利要求5所述的具有低工作电压的霍尔集成电路，其特征是，所述的第二PNP晶体管被配置成为一横向PNP晶体管(lateral PNPtransistor，LPNP)，且在操作中该第二PNP晶体管处于饱和区(saturationregion)。
全文摘要
低工作电压的霍尔集成电路与其电压调节器，霍尔集成电路包括霍尔传感器、放大电路、前置驱动电路以及电压调节器；放大电路接收霍尔传感器的一输出信号，且产生一被放大的输出信号；前置驱动电路接收被放大的输出信号，且其输出端连接到一驱动电路，以提供驱动信号到驱动电路；电压调节器耦接于霍尔传感器、放大电路以及前置驱动电路。电压调节器供给前置驱动电路一第一供应电压，且供给霍尔传感器与放大电路一第二供应电压。再者，电压调节器的最低电源电压约为2.1伏。
文档编号G01R33/07GK1704766SQ200410046540
公开日2005年12月7日 申请日期2004年6月1日 优先权日2004年6月1日
发明者林逸彬, 古昌祥 申请人:安普生科技股份有限公司