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CN118140419A - 全极性霍尔传感器件及其控制方法、电子设备 - Google Patents

全极性霍尔传感器件及其控制方法、电子设备 Download PDF

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CN118140419A
CN118140419A CN202180103325.0A CN202180103325A CN118140419A CN 118140419 A CN118140419 A CN 118140419A CN 202180103325 A CN202180103325 A CN 202180103325A CN 118140419 A CN118140419 A CN 118140419A
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CN
China
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current
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CN202180103325.0A
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Inventor
邹晓磊
张志红
皮永祥
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Shanghai Awinic Technology Co Ltd
Original Assignee
Shanghai Awinic Technology Co Ltd
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Publication date
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Abstract

本申请公开一种全极性霍尔传感器件、控制方法和一种电子设备，所述全极性霍尔传感器件包括：霍尔传感模块，包括霍尔元件，具有两对信号端，其中一对信号端作为两个控制端，连接至控制电压端，另一对信号端作为两个输出端，用于输出与外部磁场相关的传感信号；比较模块，用于接收传感信号，并输出相应的控制信号，在外部磁场达到磁场阈值时，所述控制信号发生翻转；阈值控制模块，用于按照第一周期切换所述霍尔元件的控制端和输出端，且按照第二周期依次向各个信号端输入阈值控制电流，使得所述控制信号发生翻转时，外部磁场对应有两个方向相反的磁场阈值中的任意一个。上述全极性霍尔传感器件的体积较小，功耗较低。

Description

全极性霍尔传感器件及其控制方法、电子设备 技术领域
本申请涉及霍尔传感技术领域，具体涉及一种全极性霍尔传感器件及其控制方法、一种电子设备。
背景技术
霍尔器件是一种基于霍尔效应原理制作的磁性传感器，霍尔效应是电磁效应的一种，当电流垂直于外磁场通过导体时，导体内垂直于电流和磁场的方向会产生一附加电场，从而在导体的两端产生电势差，这一现象就是霍尔效应，这个电势差被称为霍尔电势差。
霍尔传感器件内部集成了霍尔器件，此类传感器件具有功耗小、灵敏度高、输入输出隔离度高等特点，已经被广泛应用于工业、通信和仪器制造等领域。霍尔传感器开关是霍尔传感器件的一个重要应用，请参考图1a，为单极(南极)性霍尔开关功能图。当磁铁的南极靠近霍尔传感器件芯片表面，当芯片感应到的磁场强度大于磁场阈值BOP时，霍尔传感器件的输出由高电平变成低电平。
通常在消费级产品中所需要的磁铁体积都很小，由于单极性的霍尔传感器件所配套的磁铁在装配的时候需要区分南北极，从而给磁铁的装配带来很大的不便，从而增加装配的成本。
所以，全极性的霍尔传感器件更适合应用于消费级产品中，无论磁铁的南极还是北极靠近，都会使得霍尔传感器件输出信号发生翻转。例如，现有的全极性霍尔传感器件大多采用两个霍尔传感元件，分别用于感应南极磁场和北极磁场。请参考图1b，磁铁的南极或北极靠近全极性的霍尔传感器开关芯片表面，且磁场强度大于南极磁场阈值BOPS或北极磁场BOPN时，霍尔传感器件的输出都会由高电平变成低电平。
但是由于具有两个霍尔传感元件，导致全极性霍尔传感器件的功耗和芯片面积都较大。
发明内容
鉴于此，本申请提供一种全极性霍尔传感器件及其控制方法、电子设备，以降低全极性霍尔传感器件的功耗及体积。
本申请提供一种全极性霍尔传感器件，包括：霍尔传感模块，包括霍尔元件，所述霍尔元件具有两对信号端，其中一对信号端作为两个控制端，连接至控制电压端，用于输入控制电压，另一对信号端作为两个输出端，所述两个输出端用于输出与外部磁场相关的传感信号；比较模块，用于接收所述传感信号，并根据所述传感信号输出相应的控制信号，在外部磁场达到磁场阈值时，所述控制信号发生翻转；阈值控制模块，用于按照第一周期切换所述霍尔元件的控制端和输出端，且按照第二周期依次向各个信号端输入阈值控制电流，使得所述控制信号发生翻转时，外部磁场对应于两个方向相反的磁场阈值中的任意一个。
可选，所述第一周期与所述第二周期相同。
可选的，所述比较模块包括第一放大器和与所述第一放大器的输出端连接的比较器；其中，所述第一放大器的两个输入端分别连接至所述霍尔元件的两个输出端，用于将所述霍尔元件的两个输出端之间的传感电压放大后输出至所述比较器，以作为所述比较器的差分输入信号；所述比较器根据输入的差分输入信号大小，输出相应的控制信号；所述第一放大器的正输出端与所述比较器的负输入端之间串联一电容，且所述比较器的负输入端与输出端之间串联一开关，所述第一放大器的负输入端连接至所述比较器的正输入端。
可选的，所述阈值控制模块包括：控制电流提供单元和电流切换单元，所述控制电流提供单元用于提供阈值控制电流，所述电流切换单元用于按照第二周期切换所述控制电流提供单元的电流输出端与所述霍尔元件的各个信号端之间的通断状态。
可选的，所述控制电流提供单元包括：串联于电源电压与固定电位端之间的限流电阻，所述固定电位端具有固定电位。
可选的，所述控制电流提供单元还包括：钳位放大器，所述钳位放 大器的正输入端连接至所述控制电压端，负输入端连接至所述固定电位端，且所述钳位放大器的输出端连接至所述钳位放大器的负输入端。
可选的，所述固定电位端与所述电流切换单元之间还连接有开关元件，所述钳位放大器的输出端连接至所述开关元件的控制端。
可选的，所述电流切换单元包括：连接在所述电流输出端与各信号端之间的电流通路，各个所述电流通路上均设置有开关，以控制各个所述电流通路的通断状态。
可选的，所述限流电阻与所述霍尔元件的电阻类型一致。
可选的，所述阈值控制模块还包括控制电压切换单元，所述控制电压切换单元连接于所述是控制电压端与霍尔元件之间，用于按照第一周期切换所述控制电压端与所述霍尔元件的两对信号端之间的通断状态，以切换所述霍尔元件的控制端和输出端。
可选的，所述控制电压切换单元包括两个开关，分别连接至所述霍尔元件的两个相邻的信号端；所述霍尔元件的另外两个信号端接地。
可选的，还包括逻辑模块，连接至所述比较模块的输出端，用于对所述比较模块输出的控制信号进行逻辑运算。
可选的，所述逻辑模块用于对不同周期输出的控制信号进行同或运算，并输出开关信号。
可选的，所述霍尔元件为正方形的霍尔盘，所述两对信号端分别为两组相对的顶角。
本申请还提供一种全极性霍尔传感器件的控制方法，包括：提供如上述任一项所述的全极性霍尔传感器件；按照第一周期切换所述霍尔元件的控制端和输出端，且按照第二周期依次向所述霍尔元件的各个信号端输入阈值控制电流。
可选的，所述第一周期与所述第二周期相同。
本申请还提供一种电子设备，包括：如上述任一项所述的全极性霍尔传感器件。
上述全极性霍尔传感器件通过按照第一周期切换霍尔元件的控制端和输出端，以及按照第二周期依次向各个信号端输入阈值控制电流， 使得输出的控制信号对应有两个磁场阈值，分别对应南极和北极磁场，当外部磁场达到其中任意一个磁场阈值，都会使得输出的控制信号发生翻转。上述全极性霍尔传感器件仅需要一个霍尔元件，就能够实现全极性传感，降低了全极性霍尔传感器件的体积以及功耗。
进一步的，上述阈值控制电流的输入，还能够消除霍尔元件的温度敏感性对所述全极性霍尔传感器件的影响，提高所述霍尔传感器件的传感准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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的附图。
图1a是单极性霍尔开关功能图；
图1b是全极性霍尔开关功能图；
图2a是本申请一实施例的全极性霍尔传感器件的结构示意图；
图2b是本申请一实施例的全极性霍尔传感器件的霍尔元件的结构示意图；
图2c是本申请一实施例的霍尔元件的等效示意图；
图3是本申请一实施例的全极性霍尔传感器件的结构示意图；
图4是本申请一实施例的全极性霍尔传感器件的局部电路的结构示意图；
图5是本申请一实施的阈值控制信号的示意图；
图6a是本申请的全极性霍尔传感器件的工作过程中的周期1时的电路示意图；
图6b是本申请的全极性霍尔传感器件的工作过程中的周期2时的电路示意图；
图6c是本申请的全极性霍尔传感器件的工作过程中的周期3时的电路示意图；
图6d是本申请的全极性霍尔传感器件的工作过程中的周期4时的电路示意图。
具体实施方式
本发明提出一种新的全极性霍尔传感器件电路，降低全极性霍尔传感器件的功耗和体积。
下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。
请参考图2a，为本发明一实施例的全极性霍尔传感器件的结构示意图。
所述全极性霍尔传感器件包括霍尔传感模块110、比较模块120和阈值控制模块130。
所述霍尔传感模块110包括：霍尔元件，用于根据外加磁场变化产生对应的霍尔电压。该实施例中，所述霍尔元件为霍尔盘(请参考图2b)，所述霍尔元件为正方形的霍尔盘，所述两对信号端分别为于两组相对的顶角。具有两对信号端，其中一对信号端为H1和H3，另一对信号端为H2和H4。其中一对信号端作为两个控制端，连接至控制电压端，用于输入控制电压，另一对信号端作为两个输出端，所述两个输出端用于输出与外部磁场相关的传感信号。该实施例中，两个控制端和两个输出端分别位于正方形霍尔盘的两个相对的顶角，控制端之间的控制电流方向与输出端之间的感应电流相位相差90°。
所述比较模块120，用于接收所述传感信号，并根据所述传感信号输出相应的控制信号VO1，在外部磁场达到磁场阈值时，所述控制信号发生翻转。所述控制信号为0(低电平)或1(高电平)，控制信号发生翻转包括从0翻转为1，或者从1翻转为0。
所述阈值控制模块130，用于根据阈值控制信号，按照第一周期切 换所述霍尔元件的控制端和输出端，且按照第二周期依次向各个信号端输入固定的阈值控制电流，使得所述控制信号发生翻转时，外部磁场对应于两个方向相反的磁场阈值中的任意一个。由于霍尔传感器等效于电阻器，例如正方形的霍尔盘等效于惠斯通电桥，每一个桥臂的电阻为R H，整个霍尔盘的等效电阻为R H。当一端输入阈值控制电流时，可以调整输出的传感信号的大小，当磁场发生变化时，两个输出端之间输出的传感信号为霍尔电压V H叠加阈值控制电流产生的阈值电压大小为V’。因此，通过调整阈值控制电流大小，可以调整输出的传感信号的大小。通过不同方向输入阈值控制电流，产生两个相位相反的阈值电压，分别为V’和-V’，那么两个输出端之间输出的传感信号分别为V H+V’，以及V H-V’。
在一个实施例中，通过输入阈值控制电流，可以调整两个输出端之间输出的传感信号的大小，以两个输出端输出的传感信号大小分别作为比较模块120输入的差分信号。当两个输出端之间的传感信号为0，即V H+V’＝0以及V H-V’＝0时，信号发生翻转，此时分别对应两个霍尔电压阈值，即V H＝-V’，V H＝V’，进而对应两个极性相反的磁场阈值B 0和-B 0，分别对应南极和北极磁场，从而实现全极性的霍尔传感。
请参考图3，为本发明一实施例的全极性霍尔传感器件的结构示意图。
该实施例中，所述霍尔传感模块110还包括控制电压端A，控制电压端A与电源电压VDD之间串联第一电阻R0，通过所述第一电阻R0限制流过所述霍尔元件的控制电流大小。霍尔盘的等效电阻位R H，则控制电压端A的电压
所述阈值控制模块130包括控制电压切换单元133，所述控制电压切换单元133连接于控制电压端A与霍尔元件之间，用于按照第一周期切换所述控制电压端A与所述霍尔元件的两对信号端之间的通断状态，以切换所述霍尔元件的控制端和输出端。
该实施例中，所述控制电压切换单元133包括开关S1a和开关S2a，分别连接至所述霍尔元件的两个相邻的信号端H1和H4；所述霍尔元件 的另外两个信号端H2和H3分别通过开关S2e和开关S1e接地。当开关S1a、S1e导通，S2a、S2e断开，此时，信号端H1连接至控制电压端A，信号端H3接地，H1和H3作为控制端，两个信号端H2和H4作为信号输出端；当开关S2a、S2e导通，S1a、S1e断开，此时，信号端H4连接至控制电压端A，信号端H2接地，H4和H2作为控制端，两个信号端H1和H3作为信号输出端。
可以通过周期性控制开关S1a、S2a、S1e和S2e的通断状态，实现控制端和输出端的周期性切换，切换周期为第一周期。
所述霍尔传感器件的阈值控制模块130还包括控制电流提供单元131和电流切换单元132。所述控制电流提供单元131用于提供固定的阈值控制电流I1，所述电流切换单元132用于周期性切换所述控制电流提供单元131的电流输出端与所述霍尔元件的各个信号端之间的通断状态，从而按照第二周期依次向各个信号端输入阈值控制电流。
所述控制电流提供单元131包括串联于电源电压VDD与固定电位端B之间的限流电阻R1，所述固定电位端B具有固定电位V B，所述固定电位端B即为所述控制电流提供单元131的电流输出端。所述阈值控制电流
所述固定电位端B可以通过连接至恒压电源或者钳位电路，使得所述固定电位端B具有固定的电位。该实施例中，通过钳位放大器将所述固定电位端B的电位钳位至控制电压端A的电位VA，即VB＝VA。具体的，该实施例中，所述控制电流提供单元还包括：钳位放大器AP2，所述钳位放大器AP2的正输入端连接至所述控制电压端A，负输入端连接至所述固定电位端B，且所述钳位放大器AP2的输出端连接至所述钳位放大器AP2的负输入端。所述钳位放大器AP2将负输入端即固定电位端B的电位VB被钳位至所述控制电压端A的电位V A，即
经过限流电阻R1至固定电位端B之间的阈值控制电流位I 1
进一步的，该实施例中，所述固定电位端B与钳位放大器AP2的输出端之间还连接有开关元件，所述钳位放大器AP2的输出端连接至所述开关元件的控制。上述开关元件仅在所述钳位放大器AP2处于正常工作状态时，所述开关元件导通，使得所述固定电位端B连接至所述霍尔元件。该实施例中，所述开关元件为PMOS晶体管M0，所述钳位放大器AP2的输出端连接至所述PMOS晶体管M0的栅极，所述PMOS晶体管M0的源极连接至所述钳位放大器AP2的负输入端，所述PMOS晶体管M0的漏极连接至所述电流切换单元132。在其他实施例中，也可以不用设置所述开关元件，将所述固定电位端B直接连接至所述电流切换单元132的输入端。
在其他实施例中，也可以通过其他钳位电路，将所述固定电位端B的电位限定在固定电位值，所述钳位电路的具体结构在此不做限定，本领域技术人员可以根据需求进行合理的选择。
进一步的，所述电流切换单元132包括连接在所述电流输出端B与各信号端之间的电流通路，各个电流通路上均设置有开关，以控制各电流通路的通断状态。具体的，所述电流输出端与信号端H1之间串联有开关S3a、S2b，与信号端H2之间串联有开关S4a和S2c，与信号端H3之间串联有S3a和S1c，与信号端H4之间串联有开关S3a和S1b。
所述电流切换单元132还可以包括连接于所述霍尔元件与比较模块120之间的连接通路上的开关，用于在霍尔元件的输出端发生切换时，将切换后的输出端连接至比较模块120。具体的，所述信号端H1与所述第一放大器AP1的正输入端之间串联有开关S2d，信号端H4与所述第一放大器AP1的正输入端之间串联有开关S1d，信号端H2与所述第一放大器AP1的负输入端之间串联有开关S1f，信号端H3与所述第一放大器AP1的负输入端之间串联有开关S2f。
所述控制电压切换单元133、电流切换单元132内各个开关的通断状态可以由预设的阈值控制信号控制，以周期性的控制各个开关的通断 状态，从而按照第一周期切换霍尔元件的输入端和控制端，以及按照第二周期依次向霍尔元件的各个信号端输入阈值控制电流I1。
该实施例中，所述比较模块120包括第一放大器AP1和与所述第一放大器AP1的输出端连接的比较器COMP；所述第一放大器AP1的两个输入端分别连接至所述霍尔元件的两个输出端，用于将所述两个输出端之间的传感信号放大后输出至所述比较器COMP，作为所述比较器COMP的差分输入信号；所述比较器COMP根据输入的差分输入信号大小，输出相应的控制信号VO1。所述第一放大器AP1的两个输出端分别连接至所述比较器COMP的两个输入端，所述第一放大器AP1的一个输出与所述比较器COMP的负输入端之间连接有电容C0，所述比较器COMP负输入端与COMP的输出端之间连接有开关S2g。第一放大器AP1将霍尔电压和阈值电压的混合信号放大，并将放大后的信号存入电容C0，然后比较器COMP再判断当前磁场是否达到了设定阈值。
该实施例中，所述全极性霍尔传感器件还包括逻辑模块140。
所述逻辑模块140用于对所述比较模块120输出的控制信号进行逻辑运算。
该实施例中，所述逻辑模块140用于对不同时刻输出的两个控制信号进行同或运算。具体的，所述逻辑模块140包括四个触发器以及同或门，分别为触发器1、触发器2、触发器3以及触发器4。触发器1的输入端D1连接至所述比较器COMP的输出端，触发器2的输出端D2连接至触发器1的输出端Q1，触发器1的时钟端C1和触发器2的时钟端C2均连接至第一时钟信号CK1；触发器3的输入端D3连接至所述触发器1的输出端Q1，触发器4的输入端D4连接至触发器2的输出端Q2，触发器3的时钟端C3和触发器4的时钟端C4均连接至第二时钟信号CK2；触发器3的输出端Q3以及触发器4的输出端Q4，连接至所述同或门的两个输入端，所述同或门输出开关信号VO2。
当触发器的时钟信号为0时，其输出信号保持上一个状态，即Q n＝Q n-1。因此，当CK1＝1， 当CK2＝1， 所以
所以，逻辑模块140的功能是将南极比较结果和北极比较结果做同或逻辑输出，使得所述霍尔传感器件实现霍尔传感开关的功能。
该实施例中，所述逻辑模块140还连接至输出模块150，用于将开关信号VO2反相放大后输出VOUT。所述输出模块150包括：包括晶体管M以及电阻R2，该实施例中，所述晶体管M为NMOS晶体管。所述电阻R2一端连接至电源电压VDD，另一端连接至所述晶体管M的漏极，所述晶体管M的栅极连接至所述锁存逻辑模块140的输出端，源极接地，以所述晶体管M的漏极作为输出端，用于输出控制信号VOUT。当Q3为高电平，晶体管M导通，VOUT为低电平；当Q3为低电平，晶体管M断开，VOUT为高电平。
当磁场B<BOPN<BOPS时， 则Vo2＝1，VOUT＝0；
当BOPN<B<BOPS时， 则Vo2＝0，VOUT＝1；
当BOPN<BOPS<B时， 则Vo2＝1，VOUT＝0。
开关信号Vo2驱动输出电路150即可得到图1b所示的全极霍尔开关的功能图。
在其他实施例中，所述逻辑模块140还可以用于进行其他逻辑运算，用于实现其他功能，例如实现锁存霍尔传感功能等。
请进一步参考图4，为本发明一实施例的第一放大器AP1的结构示意图。
所述第一放大器AP1包括第三放大器AP3和第四放大器AP4；所述第三放大器AP3的正输入端连接至霍尔元件的一个输出端，输入电压V1，第三放大器AP3的负输入端与第四放大器AP4的正输入端之间串联有电阻R4，第四放大器AP4的负输入端连接至霍尔元件的另一输出端，输入电压V2；第三放大器AP3的输出端输出电压V3，且输出端与其负输入端之间串联有电阻R3；第四放大器AP4的输出端输出电压V4，且输出端与其证输入端连接。
根据图4电路，可以得到以下公式：
V 4＝V 2；
由此，所述第一放大器AP1能够将差分信号V1、V2，放大为差分信号V3和V4，A1为第三放大器AP3的放大系数。
由上述公式可知，V 3>>V 4，相对于V3，则V4可看作为一个直流信号。
在其他实施例中，所述第一放大器AP1还可以采用其他能够对输入信号进行差分放大的电路结构。
本申请的实施例还提供一种全极性霍尔传感器件的控制方法，包括：按照第一周期切换所述霍尔元件的控制端和输出端，且按照第二周期依次向霍尔元件的各个信号端输入阈值控制电流。具体的，所述第一周期与所述第二周期相同。
上述切换过程通过控制所述全极性霍尔传感器件内的各个开关的通断状态实现。
请参考图5，为本发明一实施例的控制电压切换单元133、电流切换单元132内各个开关的阈值控制信号的示意图。
图5中，各个控制信号的高电平对应于开关导通，低电平对应于开关断开。具体的，开关S3a和开关S4a以周期T1切换开关状态，则切换霍尔元件的控制端和输出端的第一周期为T1/2；其他开关以周期T2切换开关状态，即第二周期为T2，其中T1＝2T2，使得第一周期和第二周期相同。
以下，对各个周期下对应的电路状态进行具体描述。
请参考图6a，在周期1时，开关S3a导通、开关S4a断开、开关S2a～S2g导通，开关S1a～S1f断开。控制电压端A连接至信号端H4，H2接地，信号端H4和H2作为控制端；信号端H1和H3作为输出端，分别连接至第一放大器AP1的正输入端和负输入端，向所述比较模块120输出传感信号Vin。控制电流提供单元131的阈值控制电流I1，流向信号端H1，该周期下，霍尔元件产生霍尔电压-V H；S3a开关导通， 阈值控制电流I1在输出端之间产生叠加于霍尔上的阈值电压0.5I 1R H，其中R H为霍尔器件的等效电阻，则第一放大器AP1的输入信号Vin＝-V H+0.5I 1R H；开关S2g导通，电容C0存储周期1时放大后的霍尔电压信号和阈值电压的混合信号V C1,V C1＝A1*(-V H+0.5I 1R H)。
请参考图6b，周期2时，开关S3a导通、开关S4a断开、开关S1a～S1f开关导通、开关S2a～S2g断开，电压V A加在霍尔器件的H1和H3两端，H1和H3为控制端，H2和H4为输出端连接至第一放大器AP1的两个输入端。周期2时霍尔元件产生的霍尔电压为V H；开关S3a、S1c导通，阈值控制电流I1流向霍尔器件的信号端H3，周期2时产生的阈值电压为-0.5I 1R H，则第一放大器AP1的输入信号Vin＝V H-0.5I 1R H，放大后信号为V C2＝A1*(V H-0.5I 1R H)；开关S2g断开，比较器COMP开始比较，比较的信号为V C2-V C1＝A1*(V H-0.5I 1R H)-A1*(-V H+0.5I 1R H)＝A1*(2V H-I 1R H)。当V C2-V C1＝0，比较器COMP输出的控制信号发生翻转，对应于霍尔电压阈值V H1＝0.5I 1R H。
请参考图6c，周期3时，开关S3a断开、开关S4a导通，S2a～S2f开关导通，开关S1a～S1f断开，电压V A加在霍尔元件的H4和H2两端，H4和H2作为控制端，H1和H3作为输出端。周期3时霍尔器件产生的霍尔电压为-VH；S4a开关导通，阈值控制电流I1流向霍尔器件的H2端，产生的阈值电压为-0.5I 1R H，则放大器1的输入信号Vin＝-V H-0.5I 1R H；开关S2g导通，电容C0存储周期3时放大后的霍尔电压信号和电压阈值的混合信号,V C3＝A1*(-V H-0.5I 1R H)。
请参考图6d，周期4时S1a～S1f开关导通，S2a～S2f开关断开，电压VA加在霍尔器件的H1和H3两端，周期4时霍尔器件产生的霍尔电压为VH；S4a开关导通，阈值控制电流I1流向霍尔器件的信号端H4，产生的阈值电压为0.5I 1R H，则放大器1的输入信号Vin＝V H+0.5I 1R H,放大后信号V C4＝A1*(V H+0.5I 1R H)；开关S2g断开，比较器COMP开始比较，比较的信号为V C4-V C3＝A1*(V H+0.5I 1R H)-A1*(-V H-0.5I 1R H)＝A1*(2V H+I 1R H)。当V C4-V C3＝0，比较器COMP输出的控制信号发生翻转，对应于霍尔电压阈值V H2＝-0.5I 1R H。
可见比较器COMP输出信号发生翻转所对应的两个霍尔电压阈值分别为南极阈值电压VOPS＝V H1＝0.5I 1R H，以及北极阈值电压VOPN＝V H2＝-0.5I 1R H，分别对应于两个方向相反的磁场阈值BOPS和BOPN，即本发明的全极性霍尔传感器件有两个翻转点：南极翻转点(BOPS)和北极翻转点(BOPN)。
上述全极性霍尔传感器通过周期性的切换霍尔元件的控制端和输出端，以及依次向各个信号端输入阈值控制电流，使得输出的控制信号对应有两个磁场阈值，分别对应南极和北极磁场。仅需要一个霍尔元件，就能够实现全极性传感，降低了全极性霍尔传感器件的体积以及功耗。
进一步的，霍尔元件等效为一个惠斯通电桥(请参考图2c)，每个桥臂的电阻为R H，两个输出端之间由于磁场B产生霍尔电压V H,
由于阈值控制电流I 1的输入，第一放大器AP1的输入端输入差分电压Vin＝0时，两个电压阈值VOPS＝0.5I 1R H，VOPN＝-0.5I 1R H，由于 得到对应的两个磁场阈值分别为 以及
而限流电阻R1为方块电阻，
其中，q为电荷常数，n为电子浓度，u n为电子迁移率，w为电阻的宽度，L为电阻的长度，d为电阻的厚度。
在恒压条件(即V A恒定的情况)下，霍尔元件的灵敏度可表示为：
其中u n为霍尔元件的电子迁移率，与限流电阻R 1的迁移率相同。v为电荷运动速度，W′为霍尔元件110的宽度，L′为霍尔元件110的长度。由于R 1与u n成反比，K H与u n成正比，R 1与K H相乘，正好抵消了u n 的影响。
根据上述公式，可得比较器COMP的翻转点磁场阈值大小： 以及
由此可见，翻转点磁场B与温度相关的参数只有第一电阻R0的阻值，而与霍尔元件的温度系数无关。即便随温度变化，霍尔元件的电子迁移率发生变化而导致霍尔元件的灵敏度发生变化，但是翻转点磁场B s和B N的大小也不会跟随霍尔元件的灵敏度变化而变化，从而可以提高所述全极性霍尔传感器件的检测准确性。为了尽可能降低温度变化对翻转点磁场B的影响，所述第一电阻R0可以采用温度系数很小的电阻类型，例如低温飘电阻，包括：箔电阻、薄膜电阻、箔电阻、金属膜电阻以及模压电阻等。比较器COMP的翻转点磁场的大小随着温度的变化较小，可以得到一个稳定的磁场翻转点，从而提高了霍尔传感器件的稳定性。
本发明的实施例中，还提供一种电子设备，包括：如上述实施例中任一项所述的全极性霍尔传感器件。由于本发明的全极性霍尔传感器件的体积较小，功耗低，能够进一步提高电子设备的集成度，并降低功耗。
以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (17)

  1. 一种全极性霍尔传感器件，其特征在于，包括：
    霍尔传感模块，包括霍尔元件，所述霍尔元件具有两对信号端，其中一对信号端作为两个控制端，连接至控制电压端，用于输入控制电压，另一对信号端作为两个输出端，所述两个输出端用于输出与外部磁场相关的传感信号；
    比较模块，用于接收所述传感信号，并根据所述传感信号输出相应的控制信号，在外部磁场达到磁场阈值时，所述控制信号发生翻转；
    阈值控制模块，用于按照第一周期切换所述霍尔元件的控制端和输出端，且按照第二周期依次向各个信号端输入阈值控制电流，使得所述控制信号发生翻转时，外部磁场对应于两个方向相反的磁场阈值中的任意一个。
  2. 根据权利要求1所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，所述第一周期与所述第二周期相同。
  3. 根据权利要求1所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，所述比较模块包括第一放大器和与所述第一放大器的输出端连接的比较器；其中，所述第一放大器的两个输入端分别连接至所述霍尔元件的两个输出端，用于将所述霍尔元件的两个输出端之间的传感电压放大后输出至所述比较器，以作为所述比较器的差分输入信号；所述比较器根据输入的差分输入信号大小，输出相应的控制信号；所述第一放大器的正输出端与所述比较器的负输入端之间串联一电容，且所述比较器的负输入端与输出端之间串联一开关，所述第一放大器的负输入端连接至所述比较器的正输入端。
  4. 根据权利要求1所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，所述阈值控制模块包括：控制电流提供单元和电流切换单元，所述控制电流提供单元用于提供阈值控制电流，所述电流切换单元用于按照第二周期切换所述控制电流提供单元的电流输出端与所述霍尔元件的各个信号端之间的通断状态。
  5. 根据权利要求4所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，所述控制电流提供单元包括：串联于电源电压与固定电位端之间的限流电阻，所述固定电位端具有固定电位。
  6. 根据权利要求5所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，所述控制电流提供单元还包括：钳位放大器，所述钳位放大器的正输入端连接至所述控制电压端，负输入端连接至所述固定电位端，且所述钳位放大器的输出端连接至所述钳位放大器的负输入端。
  7. 根据权利要求6所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，所述固定电位端与所述电流切换单元之间还连接有开关元件，所述钳位放大器的输出端连接至所述开关元件的控制端。
  8. 根据权利要求5所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，所述电流切换单元包括：连接在所述电流输出端与各信号端之间的电流通路，各个所述电流通路上均设置有开关，以控制各个所述电流通路的通断状态。
  9. 根据权利要求5所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，所述限流电阻与所述霍尔元件的电阻类型一致。
  10. 根据权利要求4所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，所述阈值控制模块还包括控制电压切换单元，所述控制电压切换单元连接于所述控制电压端与所述霍尔元件之间，用于按照第一周期切换所述控制电压端与所述霍尔元件的两对信号端之间的通断状态，以切换所述霍尔元件的控制端和输出端。
  11. 根据权利要求10所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，所述控制电压切换单元包括两个开关，分别连接至所述霍尔元件的两个相邻的信号端；所述霍尔元件的另外两个信号端接地。
  12. 根据权利要求1所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，还包括逻辑模块，连接至所述比较模块的输出端，用于对所述比较模块输出的控制信号进行逻辑运算。
  13. 根据权利要求12所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，所述逻辑模块用于对不同周期输出的控制信号进行同或运算，并输出开 关信号。
  14. 根据权利要求1所述的全极性霍尔传感器件，其特征在于，所述霍尔元件为正方形的霍尔盘，所述两对信号端分别为两组相对的顶角。
  15. 一种全极性霍尔传感器件的控制方法，其特征在于，包括：
    提供如权利要求1至14中任一项所述的全极性霍尔传感器件；
    按照第一周期切换所述霍尔元件的控制端和输出端，且按照第二周期，依次向所述霍尔元件的各个信号端输入阈值控制电流。
  16. 根据权利要求15所述的全极性霍尔传感器件的控制方法，其特征在于，所述第一周期与所述第二周期相同。
  17. 一种电子设备，其特征在于，包括：如权利要求1至14中任一项所述的全极性霍尔传感器件。
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