一种低温漂线性霍尔放大电路及其温度补偿方法与流程

1.本发明涉及线性霍尔放大器温度补偿技术领域，具体而言，涉及一种低温漂线性霍尔放大电路及其温度补偿方法。


背景技术：

2.线性霍尔放大电路是线性霍尔传感器类芯片的关键组成部分，用于把垂直于芯片表面的磁场转换成电信号，并线性放大输出。其主要用途包括：电流传感器应用，如高压电机驱动电路、电池组电流检测、光伏逆变器等；位置传感器应用，如磁角度编码器、磁线性位置传感器等。大部分应用情况都要求覆盖很宽的温度范围，并要求保持稳定的灵敏度。因此，高精度线性霍尔放大器都会集成温度补偿电路来达到较低的温漂特性。
3.传统的电流旋转型线性霍尔放大器温度补偿结构采用恒定电流源ib激励霍尔器件h1来实现电路良好的温度系数，可以实现全温度范围约5％温漂，然而，进一步降低温漂还需要通过在不同温度点下调整可变增益放大器的增益控制码来抵消恒流偏置的温漂残余。温度传感器得到当前温度值tc，通过查表/插值器得出当前温度下的灵敏度校正码ktc，并与灵敏度控制码gc相乘输出可变增益放大器的实际增益控制码gain。由于，灵敏度校正码ktc是一个接近于1的小数，当灵敏度控制码gc较小时，温度补偿精度受限于1lsb实际增益控制码和截位算法的限制，并且小数乘法器对硬件资源消耗较大。
4.有鉴于此，特提出本技术。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：传统的电流旋转型线性霍尔放大器温度补偿结构在降低温漂过程中硬件资源消耗大。目的在于，提供一种低温漂线性霍尔放大电路及其温度补偿方法，在预防大器进行一阶温度补偿，把全温度范围温漂控制在5％以内的基础上，利用温度插值电路进行二阶温度补偿，微调恒压偏置，将温漂降低到
±
0.5％范围；并且，在降低温漂的过程中没有用到灵敏度控制码，不需要采用灵敏度校正码和控制码相乘的方式来输出可变增益放大器的实际增益控制码，从而减少小数乘法器对资源的消耗。从而实现在减小硬件资源消耗的同时，降低温漂。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.一方面，本发明提出一种低温漂线性霍尔放大电路，包括：温度传感器、寄存器、插值器和低压差稳压器、霍尔器件和用于一阶温度补偿的预放大器；所述温度传感器和所述寄存器的输出端与所述插值器的输入端连接，所述插值器的输出端与所述低压差稳压器的输入端通过布尔运算器连接，所述低压差稳压器的输出端连接所述霍尔器件的输入端，所述霍尔器件的输出端与所述预放大器的输入端通过斩波调制开关电路连接。
8.本发明提出的一种低温漂线性霍尔放大电路采用恒压偏置和分段线性差值的方法，弥补传统的电流旋转型线性霍尔放大器温度补偿结构在降低温漂过程中硬件资源消耗大的缺陷。其一，在电路中利用恒压偏置来提高霍尔器件的输出电压，以维持霍尔器件较高
的初始灵敏度，恒压偏置通过低压差线性稳压器实现，可以输出不随温度变化的稳定电压；其二，采用两次温度补偿相结合，其中，预防大器先进行一阶温度补偿，将全温度范围温漂控制在5％以内，然后利用温度传感器、寄存器(用于存储从外部输入的温度补偿校正码)和插值器进行分段线性差值，实现二阶温度补偿，微调恒压偏置，把温漂降低到
±
0.5％范围；其三，采用从外部输出温度补偿校正码的方式微调恒压偏置，易于实现系统层级的温度补偿。因此，与传统的电流旋转型线性霍尔放大器温度补偿结构相比，本发明提供的低温漂线性霍尔放大电路在降低温漂的过程中没有用到灵敏度控制码，不需要采用传统的将灵敏度校正码和控制码相乘的方式来输出可变增益放大器的实际增益控制码，从而减少小数乘法器对资源的消耗。
9.作为对本发明的进一步描述，低温漂线性霍尔放大电路还包括：上侧分压电阻ru和下侧分压电阻rb；所述上侧分压电阻ru的一端连接所述布尔运算器，另一端连接在所述低压差稳压器的输出端与所述霍尔器件的输入端之间；所述下侧分压电阻rb的一端连接所述布尔运算器，另一端连接所述霍尔器件的接地端。
10.作为对本发明的进一步描述，低温漂线性霍尔放大电路还包括：数模转换器，所述数模转换器连接在所述插值器和所述布尔运算器之间。
11.作为对本发明的进一步描述，低温漂线性霍尔放大电路还包括：差分放大器和斩波解调开关电路；所述预放大器、所述差分放大器)和所述斩波解调开关电路依次连接。
12.作为对本发明的进一步描述，所述预放大器包括：输入跨导及gm1、负载霍尔电阻rh1a、负载霍尔电阻rh1b和输出共模偏执电压vcm1；所述预放大器的正输入端接所述输入跨导级gm1的正输入端，所述预放大器的负输入端接所述输入跨导级gm1的负输入端；所述输入跨导级gm1的正输出端接所述负载霍尔电阻rh1b的一端，负输出端接所述负载霍尔电阻rh1a一端；所述负载霍尔电阻rh1b的另一端和所述负载霍尔电阻rh1a的另一端同时接所述输出共模偏执电压vcm1。
13.另一方面，本发明提出一种低温漂线性霍尔放大电路的温度补偿方法，包括以下步骤：
14.在霍尔器件的工作温度范围内，温度传感器实测得到多个测试温度值，所述多个测试温度值将霍尔器件的工作温度范围划分为多个温度区间；
15.获取每一个测试温度值对应的校正码，得到多个校正码；
16.在每一个温度区间内设置多个插值点，所述插值器根据所述多个校正码和所述多个测试温度值，在每个温度区间内的多个插值点分别进行线性插值，得到整个工作温度范围内各个测试温度值对应的校正码字，形成校正码序列；
17.根据所述校正码序列对低压差稳压器输出的恒压偏置进行微调，实现温度补偿。
18.作为对本发明的进一步描述，每一个所述温度区间两端的温度值之差相等。
19.作为对本发明的进一步描述，所述校正码的获取方法包括以下步骤：
20.获取所述测试温度值对应的灵敏度偏差值；
21.设置校正码步长，根据所述校正码步长和所述灵敏度偏差值，获取恒压偏置调节量；
22.根据所述恒压偏置调节量计算得出所述校正码。
23.作为对本发明的进一步描述，所述校正码的获取方法包括以下步骤：
24.选取多个校正码组成待测校正码序列，所述待测校正码序列中的多个校正码按从小到大的顺序排列；
25.针对每一个测试温度值，按从小到大的顺序向电路逐一输入待测校正码，选取使灵敏度偏差值为零或灵敏度偏差值最小的待测校正码为所述校正码。
26.作为对本发明的进一步描述，所述线性差值的方法包括以下步骤：
27.获取温度传感器输出的实际温度值；
28.确定所述实际温度值所在的温度区间，利用线性插值公式获取实际温度值对应的校正码。
29.作为对本发明的进一步描述，所述线性差值公式表示为：cal(t)＝[cal(n+1)-cal(n)]
×
[t
–
t(n))/(t(n+1)-t(n)]+cal(n)；式中，t表示温度传感器输出的实际温度值，cal(t)实际温度值下的差值得到的校正码，cal(n)表示各测试温度值对应的校正码，t(n)表示各测试温度值。
[0030]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0031]
1、本发明实施例提供的一种低温漂线性霍尔放大电路及其温度补偿方法，可进行实时温度补偿，全温度范围内自动调整灵敏度到+/-0.5％范围；
[0032]
2、本发明实施例提供的一种低温漂线性霍尔放大电路及其温度补偿方法，经过两次温度补偿，霍尔器件偏置电压比传统电流模式高，线性霍尔传感器初始灵敏度大，信噪比高；
[0033]
3、本发明实施例提供的一种低温漂线性霍尔放大电路及其温度补偿方法，采用从外部输出温度补偿校正码的方式微调恒压偏置，易于实现系统层级的温度补偿。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0035]
图1为本发明实施例1提供的传统的电流旋转型线性霍尔放大器温度补偿结构示意图；
[0036]
图2为本发明实施例1提供的一种低温漂线性霍尔放大电路结构示意图；
[0037]
图3为本发明实施例1提供的线性差值电路内部接线示意图。
[0038]
图4为本发明实施例2提供的线性差值原理示意图
[0039]
附图中标记及对应的零部件名称：
[0040]
11-温度传感器，12-寄存器，13-插值器，14-低压差稳压器，15-布尔运算器，16-数模转换器，2-霍尔器件，3-预放大器，4-斩波调制开关电路，5-差分放大器，6-斩波解调开关电路。
具体实施方式
[0041]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作
为对本发明的限定。
[0042]
在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。
[0043]
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
[0044]
在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
[0045]
实施例1
[0046]
图1为传统的电流旋转型线性霍尔放大器温度补偿结构，采用恒定电流源ib激励霍尔器件h1来实现电路良好的温度系数，可以实现全温度范围约5％温漂，然而，进一步降低温漂还需要通过在不同温度点下调整可变增益放大器的增益控制码来抵消恒流偏置的温漂残余。如图，温度传感器得到当前温度值tc，通过查表/插值器得出当前温度下的灵敏度校正码ktc，并与灵敏度控制码gc相乘输出可变增益放大器的实际增益控制码gain。由于，灵敏度校正码ktc是一个接近于1的小数，当灵敏度控制码gc较小时，温度补偿精度受限于1lsb实际增益控制码和截位算法的限制，并且小数乘法器对硬件资源消耗较大。
[0047]
为克服传统的电流旋转型线性霍尔放大器温度补偿结构的上述缺陷，本实施例提供了一种低温漂线性霍尔放大电路，如图2所示，包括：温度传感器11、寄存器12、插值器13和低压差稳压器14、霍尔器件2和用于一阶温度补偿的预放大器3；所述温度传感器11和所述寄存器12的输出端与所述插值器13的输入端连接，所述插值器13的输出端与所述低压差稳压器14的输入端通过布尔运算器15连接，所述低压差稳压器14的输出端连接所述霍尔器件2的输入端，所述霍尔器件2的输出端与所述预放大器3的输入端通过斩波调制开关电路4连接。
[0048]
其中，
[0049]
温度传感器11、寄存器12和插值器13共同实现分段线性插值，低压差稳压器14用于恒压偏置，提高霍尔器件2的输出电压，以维持霍尔器件2较高的初始灵敏度。此外，低温漂线性霍尔放大电路还包括：上侧分压电阻ru、下侧分压电阻rb和数模转换器16；所述上侧分压电阻ru的一端连接所述布尔运算器15，另一端连接在所述低压差稳压器14的输出端与所述霍尔器件2的输入端之间；所述下侧分压电阻rb的一端连接所述布尔运算器15，另一端连接所述霍尔器件2的接地端，所述数模转换器16连接在所述插值器13和所述布尔运算器15之间。
[0050]
上述低温漂线性霍尔放大结构中，预防大器先进行一阶温度补偿，将全温度范围
温漂控制在5％以内，然后利用温度传感器11、寄存器12和插值器13进行分段线性差值，实现二阶温度补偿，微调恒压偏置，把温漂降低到
±
0.5％范围。
[0051]
温度传感器11、寄存器12、插值器13、上侧分压电阻ru、下侧分压电阻rb和数模转换器16共同组成二阶温度补偿电路，其内部接线关系如图3所示。由图3分析可知，温度补偿电路由外部输入校正码，温度传感器11，5bit可调上拉电流源iu，iu串联开关su，5bit可调下拉电流源ib，ib串联开关sb，和ldo主体电路单元aldo放大器，mp1调整管，ru上侧分压电阻，rb下侧分压电阻组成。校正码接入到温度传感器11中，温度传感器11输出为6bit控制码，其中msb接到上侧开管和下侧开关的控制输入端。当msb为高有效位时，上侧开关su导通，下侧开关sb关闭；当msb为低有效位时，上侧开关su关闭，下侧开关sb导通；其余5bit控制码控制上侧电流源iu和下侧电流源ib的输出电流值。开关su接在上侧电流源iu和ldo反馈节点vfb_ldo之间，开关sb接在上侧电流源ib和ldo反馈节点vfb_ldo之间。外部输入的校正码和温度传感器11当前温度码共同生成所需的6bit控制码，对5bit可调电流源iu、ib的输出值和选通进行设定。霍尔器件2h1的偏置电压vldo写成：vldo＝vref
×
(ru+rb)/rb
±i×
ru。其中，第一项为固定项，约为电源电压的75％；第二项为温度补偿项，i为开关su、sb选通的电流源iu或ib，“+”号对应sb导通，
“‑”
号对应su导通。
[0052]
进一步的，低温漂线性霍尔放大电路还包括：差分放大器5和斩波解调开关电路6；所述预放大器、所述差分放大器5)和所述斩波解调开关电路6依次连接。
[0053]
进一步的，预放大器3包括：输入跨导及gm1、负载霍尔电阻rh1a、负载霍尔电阻rh1b和输出共模偏执电压vcm1；所述预放大器3的正输入端接所述输入跨导级gm1的正输入端，所述预放大器3的负输入端接所述输入跨导级gm1的负输入端；所述输入跨导级gm1的正输出端接所述负载霍尔电阻rh1b的一端，负输出端接所述负载霍尔电阻rh1a一端；所述负载霍尔电阻rh1b的另一端和所述负载霍尔电阻rh1a的另一端同时接所述输出共模偏执电压vcm1。由图1可知，预放大器3由正输入端口1pi，负输入端口1ni，输入跨导级gm1，负载霍尔电阻rh1a和rh1b，输出共模偏置vcm1组成。预放大器3正输入端1pi接输入跨导级gm1的正输入端，预放大器3负输入端接输入跨导级gm1的负输入端；跨导级的正输出端2p接霍尔负载电阻rh1b；跨导级的负输出端2n接霍尔负载电阻rh1a；两个霍尔负载电阻rh1a和rh1b的另一端同时接共模电压vcm1。预防大器差分输出电压2p
–
2n可表示成：
[0054]
v1o＝1po
–
1no＝gm1
×
vh
×
rh1＝gm1
×k×
vldo/rh
×b×
rh1，
[0055]
a1＝v1o/b＝gm1
×k×
vldo
×
rh1/rh。
[0056]
预防大器差分输出电压增益a1通过rh1/rh比例关系抵消掉霍尔器件2h1的大部分温度漂移，从而实现一阶温度补偿的效果；第二项是直流失调放大输出。其中rh1＝rh1a+rh1b，rh为霍尔盘h1的等效电阻，b为外加磁场，k为常数。
[0057]
与传统的电流旋转型线性霍尔放大器温度补偿结构相比，本实施例提供的一种低温漂线性霍尔放大电路具有以下优势：其一，在电路中利用恒压偏置来提高霍尔器件2的输出电压，以维持霍尔器件2较高的初始灵敏度，恒压偏置通过低压差线性稳压器实现，可以输出不随温度变化的稳定电压；其二，采用两次温度补偿相结合，其中，预防大器先进行一阶温度补偿，将全温度范围温漂控制在5％以内，然后利用温度传感器11、寄存器12(用于存储从外部输入的温度补偿校正码)和插值器13进行分段线性差值，实现二阶温度补偿，微调恒压偏置，把温漂降低到
±
0.5％范围。因此，本实施例提供的低温漂线性霍尔放大电路在
降低温漂的过程中没有用到灵敏度控制码，不需要采用传统的将灵敏度校正码和控制码相乘的方式来输出可变增益放大器的实际增益控制码，从而减少小数乘法器对资源的消耗。
[0058]
实施例2
[0059]
与实施例1对应的，本实施例提供了一种低温漂线性霍尔放大电路的温度补偿方法，包括以下步骤：
[0060]
步骤1：在霍尔器件的工作温度范围内，温度传感器实测得到多个测试温度值。本实施选取的霍尔器件的工作温度范围为-50℃～125℃，以每隔25℃取一个温度点的方式实测了-50℃、-25℃、0℃、25℃、50℃、75℃、100℃和125℃共8个温度点，将霍尔器件的工作温度范围平均划分为了7个区间段。
[0061]
步骤2：针对这实测的8个温度点，分别获取每一个温度点对应的的灵敏度偏差值，并以温度为横坐标，灵敏度偏差值为纵坐标，将上述8个温度点及其对应的8个灵敏度偏差值绘制成如图4所示的线性差值坐标图中。其中，横轴表示温度变化，纵轴代表各温度下灵敏度对于25℃的偏差，因此25℃对应的灵敏度偏差为0。其中实线表示实测得到的灵敏度随温度的变化，虚线表示分段线性插值的值。
[0062]
步骤3：根据每一个灵敏度偏差值，计算恒压偏置vldo需要调节的量，从而得到相应的校正码。以0℃为例，其对应的校正码可以通过预先设置的码字调节步长得到。例如，0℃时灵敏度偏差为2％，预先设置的校正码步长为0.25％，那么需要调节的范围为2％/0.25％＝8，所以在0℃时需要从默认码字中减去8。校正码也可以在实际测试中调节校正码得到没有灵敏度偏差时的码字即为0℃对应的校正码。例如，0℃时测试灵敏度，由低到高输入校正码，选取灵敏度偏差最小的码字即为0℃对应的校正码。
[0063]
步骤4：除上述8个温度点对应的校正码之外，其余温度点的校正码通过线性插值器实现。比如，在每一个温度区间内设置多个插值点，所述插值器根据所述多个校正码和所述多个测试温度值，在每个温度区间内的多个插值点分别进行线性插值，得到整个工作温度范围内各个测试温度值对应的校正码字，形成校正码序列；根据所述校正码序列对低压差稳压器输出的恒压偏置进行微调，实现温度补偿。在本实施例中，使用caln(n＝1～8)表示-50℃～125℃间8个测试温度点的校正码字，每隔2℃设置一个插值点，采用线性公式得到插值点的值；使用t表示温度传感器实际输出，tn(n＝1～8)表示八个测试点温度传感器输出，cal(t)表示各个温度下的校正码，具体计算过程如下：
[0064]
获取温度传感器输出的实际温度值t，确定所述实际温度值t所在的温度区间。假设得到实际温度值t处于第二段(-25℃～0℃区间)，那么cal(t)＝(cal3-cal2)
×
(t-t2)/(t3-t2)+cal2，公式中使用了乘法器和除法器，但是在本发明中这些数值均为整数码字，设计好插值点个数，例如，中间插入7个点，分为8段，那么每段的长度就是(cal3-cal2)/2^3)的选取可以使得乘除的量都是2的整数倍，这在电路实现中仅为移位寄存操作，只需要少量除法器即可实现。
[0065]
作为对本发明的进一步描述，所述校正码的获取方法包括以下步骤：
[0066]
选取多个校正码组成待测校正码序列，所述待测校正码序列中的多个校正码按从小到大的顺序排列；
[0067]
针对每一个测试温度值，按从小到大的顺序向电路逐一输入待测校正码，选取使灵敏度偏差值为零或灵敏度偏差值最小的待测校正码为所述校正码。
[0068]
作为对本发明的进一步描述，所述线性差值的方法包括以下步骤：
[0069]
获取温度传感器输出的实际温度值；
[0070]
确定所述实际温度值所在的温度区间，利用线性插值公式获取实际温度值对应的校正码。
[0071]
作为对本发明的进一步描述，所述线性差值公式表示为：cal(t)＝[cal(n+1)-cal(n)]
×
[t
–
t(n))/(t(n+1)-t(n)]+cal(n)；式中，t表示温度传感器输出的实际温度值，cal(t)实际温度值下的差值得到的校正码，cal(n)表示各测试温度值对应的校正码，t(n)表示各测试温度值。
[0072]
本实施例提供的一种低温漂线性霍尔放大电路的温度补偿方法，采用从外部输出温度补偿校正码的方式微调恒压偏置，易于实现系统层级的温度补偿。
[0073]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，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。