本申請基于先前提交的共同未決的2015年7月28日提交的意大利申請No.102015000039150，通過引用方式將其整個主題整體并入于此。

技術(shù)領(lǐng)域

本公開涉及傳感器設(shè)備，并且更具體地涉及霍爾傳感器以及相關(guān)的方法。

背景技術(shù)：

對適于應(yīng)用中使用的高速(例如1MHz帶寬)霍爾傳感器的增加的興趣(諸如無損電流感測)，由于例如開關(guān)的電容性負載和電路復(fù)雜性(例如，在回路中具有模擬到數(shù)字(ADC)/數(shù)字到模擬(DAC)轉(zhuǎn)換的雙反饋回路)，而面臨固有限制。具有備選霍爾傳感器系統(tǒng)可能是有幫助的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

一般而言，霍爾傳感器可以包括：霍爾感測元件，配置用于當由電流穿過時產(chǎn)生指示磁場的霍爾電壓；以及第一對偏壓電極，在第一方向上跨霍爾感測元件相互相對?；魻杺鞲衅骺梢园ㄔ诘诙较蛏峡缁魻柛袦y元件相互相對的第二對偏壓電極，第二方向正交于第一方向。霍爾傳感器可以包括：第一對感測電極，在第三方向上跨霍爾感測元件相互相對；以及第二對感測電極，在第四方向上跨霍爾感測元件相互相對。第四方向可以正交于第三方向，每個感測電極處于第一對的偏壓電極和第二對的偏壓電極之間。

附圖說明

圖1是根據(jù)本公開的霍爾效應(yīng)感測的示意圖。

圖2是根據(jù)本公開的霍爾傳感器的示意圖。

圖3是根據(jù)本公開的霍爾傳感器的定時圖。

圖4是根據(jù)本公開的定時(分階段)信號生成的示意圖。

圖5是根據(jù)本公開的偏壓電流生成的示意圖。

圖6是根據(jù)本公開的信號感測的示意圖。

具體實施方式

在本說明書中，說明了一個或多個具體細節(jié)，目的在于提供對實施例的示例的深入理解?？梢栽跊]有具體細節(jié)中的一個或多個具體細節(jié)的情況下，或者在具有其他方法、組件、材料等的情況下，獲得實施例。在其他情況下，沒有詳細地說明或描述已知結(jié)構(gòu)、材料或操作，從而實施例的某些方面不會被模糊。

本說明書的框架中提及“實施例”或“一個實施例”旨在于指示聯(lián)系實施例描述的特定配置、結(jié)構(gòu)或特性被包含在至少一個實施例中。因此，可能存在于本說明書的一點或多點的諸如“在實施例中”或“在一個實施例中”之類的短語，不一定涉及同一個實施例。此外，特定構(gòu)造、結(jié)構(gòu)或特性可以以任何適當?shù)姆绞奖唤M合在一個或多個實施例中。本文中使用的附圖標記僅僅為了方便而提供，且因此不限定保護范圍或?qū)嵤├姆秶?/p>

一個或多個實施例可以應(yīng)用于用于在汽車行業(yè)和其他工業(yè)應(yīng)用中使用(例如速度探測、無損電流感測等)的高帶寬霍爾傳感器系統(tǒng)。根據(jù)一個或多個實施例，通過具有下文中闡述的特征的霍爾傳感器的方式來實現(xiàn)這樣的目標。一個或多個實施例還可以涉及對應(yīng)的感測方法和設(shè)備。例如，一個或多個實施例可以實現(xiàn)“旋轉(zhuǎn)”電流方案，以便減少偏移。

一個或多個實施例可以包含例如具有分立觸點的八角形的霍爾 感測元件，其中感測信號讀出可以在兩個正交方向上獲取霍爾電壓的兩個通道上。在一個或多個實施例中，模擬輸出可以被數(shù)字化有通過壓縮感測算法壓縮的數(shù)據(jù)。

一個或多個實施例可以提供以下優(yōu)點中的一個或多個：例如高達1MHz的高帶寬無損電流感測變成可能，抑制地球磁場，測量數(shù)據(jù)的壓縮感測，通過調(diào)節(jié)電流鏡的方式進行感測以實現(xiàn)在傳感器上的高電壓降，包含兩個對稱通道的模擬讀出電路可以使用運算放大器偏移的自動調(diào)零在兩個垂直方向上獲取霍爾電壓，以及在旋轉(zhuǎn)頻率處小的偏移感應(yīng)紋波。一個或多個實施例可以提供通過外部時鐘的頻率f_ck(例如通過B＝f_ck/32)來動態(tài)改變獲取帶寬(例如B)的能力。

在圖1中，附圖標記1表示例如厚度t的平面霍爾感測元件，其可以包含半導體材料，從而包含例如適當?shù)丿B置在P型輕摻雜區(qū)域之上的用作霍爾感測部分的N型摻雜區(qū)域。來自源2的應(yīng)用在兩個偏壓電極3、4之間的電壓Vdd可以使得偏壓電流流過具有寬度W的感測元件1，兩個偏壓電極3、4相互平行地布置在距離L處。

在橫向于平面感測元件1應(yīng)用的磁場B存在的情況下，霍爾電壓VH可以在感測元件1的兩端、橫向于偏壓電極3和4之間的偏壓電流I_BIAS的流動方向來感測，偏壓電流I_BIAS表示磁場B的強度，例如其中VH與R_H B I_BIAS/t成比例，其中R_H被稱為霍爾電阻。另外霍爾傳感器的基本工作原理是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的，這使得在此不必要提供更詳細的描述。各種實施方式可以通過手段在上述內(nèi)容中概述的基本原理上擴展，例如擴展成“旋轉(zhuǎn)”布置以便抵制諸如在霍爾傳感器操作期間可以出現(xiàn)的偏移電壓和/或紋波之類的缺點。這樣的實施方式的示例是例如：A.Bilotti等人：“Monolithic Magnetic Hall Sensor Using Dynamic Quadrature Offset Cancellation”,IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol.32,No.6,June 1997,pp.829-835；J.Jiang等人：“A Continuous-Time Ripple Reduction Technique for Spinning-Current Hall Sensors”,IEEE Journal of Solid-State Circuits,Vol.49,No.7,July 2014,pp.1525-1533；以及Hioka等人的美國專利No.8466526。

如圖2到圖6所例示的一個或多個實施例可以包含平面霍爾感測元件10，其適于暴露于(橫向的)磁場B，并且包含當由電流穿過時產(chǎn)生表示磁場的強度的霍爾電壓的材料(例如半導體材料)。這樣的感測元件的一般工作原理先前結(jié)合圖1已經(jīng)討論過。

在一個或多個實施例中，平面感測元件10可以具有設(shè)置在其上(通過典型方法)的偏壓電極B1、B2、B3、B4的集和感測電極S1、S2、S3、S4的集。在一個或多個實施例中，感測元件10可以整體具有八角形的形狀。另外，將要理解的是這樣的形狀不是強制的，而是可選的。

在一個或多個實施例中，偏壓電極的布置可以包含：第一對偏壓電極B1、B2，其在第一方向D1上跨感測元件10相互相對；以及第二對偏壓電極B3、B4，其在第二方向D2上跨感測元件10相互相對，其中第二方向D2正交于第一方向D1，以便可以說，根據(jù)十字形圖案布置偏壓電極B1、B2、B3、B4。在一些實施例中，感測電極的布置可以包含：第一對感測電極S1、S3，其在第三方向D3上跨感測元件10相互相對；以及第二對感測電極S2、S4，其在第四方向D4上跨感測元件10相互相對，其中第四方向D4正交于第三方向D3。

相似于偏壓電極B1到B4，感測電極S1到S4因此可以根據(jù)十字形圖案來布置。如圖2中看到的，在圖2中明確指示了方向D1到D4(為了簡易，這些未在其他圖中表示)，第三和第四方向D3、D4相對于第一和第二方向D1、D2轉(zhuǎn)動45°，因此，在一個或多個實施例中，感測電極S1到S4中的每一個感測電極可以布置在第一對偏壓電極B1、B2和第二對偏壓電極B3、B4之間。

例如，在一些實施例中，感測電極S1可以布置在偏壓電極B1(第一對)和偏壓電極B3(第二對)之間；感測電極S2可以布置在偏壓電極B3(第二對)和偏壓電極B2(第一對)之間；感測電極 S3可以布置在偏壓電極B2(第一對)和偏壓電極B4(第二對)之間；以及感測電極S4可以布置在偏壓電極B1(第一對)和偏壓電極B4(第二對)之間。在一個或多個實施例中，偏壓電極B1到B4是棒形電極，其中第一對中的偏壓電極B1、B2相互平行地延伸。這也可以應(yīng)用于第二對中的偏壓電極B3和B4，再次其可以是棒形的，并且相互平行地延伸。

在一些實施例中，感測元件10可以耦合到偏壓模塊20，偏壓模塊20配置用于提供(如下文中更好地詳述的)在第一對的電極B1、B2之間以及在第二對的偏壓電極B3、B4之間的偏壓電流。傳感器還可以包含讀出模塊30，讀出模塊30(再次如下文中更好地詳述的)被配置用于讀取在第一對的感測電極(S1、S3)和第二對的感測電極(S2、S4)之間產(chǎn)生的霍爾電壓。在一個或多個實施例中，偏壓模塊20可以由外部參考信號R_ext驅(qū)動。在一些實施例中，讀出模塊30可以產(chǎn)生輸出感測信號V_out。在一個或多個實施例中，相位發(fā)生器40可以被設(shè)置為耦合到偏壓模塊20和讀出模塊30，以用于產(chǎn)生偏壓模塊20和讀出模塊30的相互分時段操作(即，時間協(xié)調(diào)操作)。在一些實施例中，這可以涉及例如第一、第二、第三和第四偏壓階段CK<1:4>與第一、第二、第三和第四感測(即，讀出)階段PH<1:4>相互地協(xié)調(diào)。

如下文中更好地詳述的，在一個或多個實施例中，偏壓模塊20可以被配置用于有選擇地改變在第一對的偏壓電極B1、B2和第二對的偏壓電極B3、B4之間的偏壓電流的方向。換句話說，偏壓電流可以在第一方向上從電極B1流動到電極B2，以及還可以在第二相反的方向上從電極B2流動到電極B1。相似地，偏壓電流可以在第一方向上從電極B3流動到電極B4，以及還可以在第二相反的方向上從電極B4流動到電極B3。

在一些實施例中，相位發(fā)生器40可以由時鐘信號CLK驅(qū)動，例如時鐘信號CLK來源于包含如本文中例示的霍爾傳感器的電子設(shè)備的系統(tǒng)時鐘發(fā)生器。在一個或多個實施例中，相位發(fā)生器40可以生 成分別地用于偏壓模塊20和讀出模塊30的相互分階段的驅(qū)動信號。在一些實施例中，這些驅(qū)動信號可以包含具有50％占空比的方波信號CK1、CK3，信號CK1、CK3是相互“正交”的，即相互90o偏移。

時鐘信號CK1、CK3可以用于在偏壓模塊20內(nèi)生成驅(qū)動信號CK1、CK2、CK3、CK4的集，其中CK2是CK1的邏輯互補(即CK1負(CK1neg))，以及CK4是CK3的邏輯互補(即CK3負(CK3neg))。驅(qū)動信號CK1、CK2、CK3、CK4可以被應(yīng)用于根據(jù)圖5中所示的示例性配置來布置的開關(guān)61、62、63、64的集(例如諸如MOSFET之類的電子開關(guān))，所以可以使得如由可能經(jīng)由輸入Rext控制的電流發(fā)生器65提供的偏壓電流在電極B1、B2(第一對)和B3、B4(第二對)之間流動。在一個或多個實施例中，電流發(fā)生器65可以是適于在供應(yīng)電壓Vdd下操作的固態(tài)電流發(fā)生器(例如電流鏡或電流發(fā)生器)。在一些實施例中，當對應(yīng)的驅(qū)動信號(如圖5所示CK1、CK2、CK3、CK4)是“高”的時，八個開關(guān)61、62、63、64可以被認為是“開”(即傳導)，并且然后當相應(yīng)驅(qū)動信號CK1、CK2、CK3、CK4是“低”的時，八個開關(guān)61、62、63、64可以被認為是“關(guān)”(即不傳導)。

在圖5的示例性配置中，開關(guān)61、62、63、64被布置成一種“全橋”布置，以便在電極B1、B2和B3、B4之間的偏壓電流的流動方向可以作為CK1、CK2、CK3、CK4的邏輯值(“高”或“低”)的函數(shù)來反轉(zhuǎn)。在一個或多個實施例中，這樣的布置可以允許根據(jù)以下模式實現(xiàn)(以周期的方式)四個偏壓階段CK<1:4>：在第一偏壓階段(階段1)CK1和CK4是高的，以及CK2和CK3是低的，以便來自發(fā)生器65的偏壓電流將從觸點B1到觸點B2以及從觸點B4到觸點B3流動；在第二偏壓階段(階段2)CK1仍是高的，其中CK2仍是低的，CK4切換到低的而CK3切換到高的；因此，偏壓電流將如之前那樣繼續(xù)從B1到B2流動，而在第二對的電極之間的偏壓電流的方向?qū)⒈桓淖?，其中現(xiàn)在電流從B3到B4流動；在隨后 的第三偏壓階段(階段3)中CK2和CK3是高的，而CK1和CK4是低的；偏壓電流將如之前那樣繼續(xù)從B3到B4流動，而在第一對的電極之間的偏壓電流的方向?qū)⒈桓淖?，其中現(xiàn)在電流從B2到B1流動；最后，在第四偏壓階段(階段4)期間CK2和CK4是高的，而CK1和CK3是低的，并且電流將從B2到B1和從B4到B3流動。

更一般地，在如先前討論的第一、第二、第三和第四偏壓階段期間：在第一對中的偏壓電極(即B1、B2)之間的偏壓電流將在第一和第二偏壓階段期間在一個方向上，并且在第三和第四偏壓階段內(nèi)在相反的方向上；并且第二對的偏壓電極(即B3和B4)之間的偏壓電流將在第一和第四偏壓階段期間在一個方向上，并且在第二和第三偏壓階段內(nèi)在相反的方向上。圖4是簡易的組合網(wǎng)絡(luò)的示例，其包含四個邏輯產(chǎn)品(與門)71、72、73、74，四個邏輯產(chǎn)品(與門)71、72、73、74適于被饋送有信號CK1、CK2、CK3、CK4以生成四個時鐘信號Ph1、Ph2、Ph3、Ph4，如圖6中的，四個時鐘信號Ph1、Ph2、Ph3、Ph4適于操作讀出模塊30內(nèi)的對應(yīng)開關(guān)81到86。

另外將被理解的是，雖然在圖2的示意圖中為了簡易表示為獨立的模塊，但是偏壓模塊20、讀出模塊30和相位發(fā)生器40可以實際上被合并為單個電路，該單個電路適于產(chǎn)生(以本身已知的方式)用于圖5的開關(guān)61到64的驅(qū)動信號CK1到CK4以及用于圖6的開關(guān)81到86的驅(qū)動信號Ph1到Ph4。特定應(yīng)用要求可以指定用于不同地劃分這些各種電路元件的選項。在一些實施例中，讀出模塊30可以包含第一和第二檢測器31和32，以便例如差分地感測在第一對的感測電極S1、S3之間(差分檢測器31)和在第二對的感測電極S2、S4之間(差分檢測器32)的霍爾電壓。

在一個或多個實施例中，差分檢測器31、32可以包含差分差值放大器(DDA)，除被饋送有來自感測電極S1、S3(第一對)和S2、S4(第二對)的霍爾電壓的差分級外，差分差值放大器還包含閉合關(guān)于穩(wěn)定共模電壓V_cm的差分反饋的第二差分級。在一些實施例中， 差分檢測器(例如DDA)31、32可以包含輸出非反相放大器，從而放大輸入差分電壓(例如乘以25)并且輸出單端電壓。例如，輸入DDA可以呈現(xiàn)高增益以便將噪聲減少為通常的偏移，可選地連同快速安定行為。

在一個或多個實施例中，來自差分檢測器31、32的輸出可以被饋送到例如開關(guān)電容器電路，開關(guān)電容器電路包含：兩個電容器C110、C120，用于包含差分檢測器31的第一感測通道；以及兩個電容器C130、C140，用于包含差分檢測器32的第二感測通道。在一些實施例中，討論中的開關(guān)電容器電路可以意在當偏壓電極B1、B2(第一對)和B3、B4(第二對)之間的電流的方向如前文所述反轉(zhuǎn)時，將在第一對的感測電極S1、S3和第二對的感測電極S2、S4之間感測的相反極性的霍爾電壓彼此相減。通過將這些相反極性的霍爾電壓彼此相減而獲得的電壓然后可以電容性地儲存在第二電容器C21(第一通道)和C22(第二通道)上。

再次，在一個或多個實施例中，開關(guān)81、82、83、84、85、86(例如諸如MOSFET之類的電子開關(guān))當對應(yīng)驅(qū)動信號(如圖6中所示的Ph1、Ph2、Ph3、Ph4)是“高”的時可以被認為是“開”(即傳導)，以及當相應(yīng)的驅(qū)動信號Ph1、Ph2、Ph3、Ph4是“低”的時可以被認為是“關(guān)”(即不傳導)。在一些實施例中，通過包含檢測器31和32的兩個感測通道產(chǎn)生的感測電壓可以被饋送到另一非反相放大器級33，例如，該另一非反相放大器級33可以放大輸入差分電壓以用于特定增益，從而輸出單端輸出電壓V_out。再次這可以是差分差值放大器(DDA)。

在一個或多個實施例中，輸出電壓V_out可以受到在34的采樣和保持(S&H)處理以及受到模擬到數(shù)字轉(zhuǎn)換，可選地之后是在35的數(shù)字壓縮。在一個或多個實施例中，放大器33的單個輸入可以是外部可調(diào)節(jié)電壓，從而補償由放大器33引入的偏移，而共模電壓Vcm被用于將直流電共模偏壓設(shè)置為電壓供應(yīng)的一半。

如圖2中例示的偏壓模塊20和讀出模塊30的分時段操作可以 涉及與上文中考慮過的第一、第二、第三和第四偏壓階段相關(guān)(即時間協(xié)調(diào))的第一、第二、第三和第四感測階段。在一些實施例中，相應(yīng)偏壓和感測階段因此可以重合，所以例如，在“接合”階段1期間，偏壓電流可以流入B1和B4，其中在S1和S3之間感測。這可以涉及例如，CK1＝CK4＝PH1＝1，其中所有其他信號等于0，其中隨后階段對應(yīng)于一種順時針“旋轉(zhuǎn)”。

為了簡易，這樣的第一階段可以被認為是在說明感測階段的可能的周期序列中的起點。在那個階段期間，通過將這樣的電壓保存在電容器C110上，第一感測通道(包含差分檢測器31)可以放大在第一對的感測電極S1、S3之間的輸入差分電壓。在隨后的第二感測階段期間，包含檢測器31的第一感測通道可以飽和，而第二感測通道(包含差分檢測器32)可以放大在第二對的感測電極S2、S4之間的輸入信號并且將這些保存在電容器C130上。在進一步隨后的第三階段，通過考慮在這點在電極S1、S3之間感測的輸入電壓的極性將被反轉(zhuǎn)(由于在偏壓電極B1、B2之間的電流方向的反轉(zhuǎn))，標記可返回到第一感測通道(包含第一差分檢測器31)。這樣的電壓可以儲存在電容器C120上，其中儲存在電容器C110和C120上的電壓之差適于被轉(zhuǎn)移到(經(jīng)由開關(guān)85)電容器C21上以電容性地儲存在其上。

以剛剛針對在先前討論的第三階段期間的包含差分檢測器31的第一感測通道描述的相同的方式，包含差分檢測器32的第二感測通道可以操作在(由于感測階段的周期模式)第四感測階段期間，例如其中儲存在電容器C130和C140上的電壓的減法結(jié)果被轉(zhuǎn)移和電容性地儲存在電容器C22上。儲存在電容器C21和C22上的電壓差可以被采樣、相減和通過放大器級33進行放大，從而具有例如4的增益。將理解的是，在本文中考慮的開關(guān)電容器電路還可以具有對輸入差分檢測器31、32的偏移自動調(diào)零的作用：事實上這樣的差分檢測器的偏移在不同階段中不改變極性。通過正交測量，即通過從第一檢測通道(包含差分檢測器31)和第二感測通道(包含差分檢 測器32)的輸出的減法，傳感器偏移可以被抵消。

一個或多個實施例可以顯著地減少“旋轉(zhuǎn)”頻率處出現(xiàn)的偏移感應(yīng)紋波：一些實施例可以通過與旋轉(zhuǎn)頻率(其可以通過時鐘信號CLK的頻率來指定—見圖2)同步地操作來實現(xiàn)該結(jié)果。還將理解的是，如上述中例示的操作可以獨立于在第一對B1、B2和第二對B3、B4的偏壓電極之間流動的偏壓電流的實際方向，考慮到這樣的方向如先前考慮的一樣被改變，使得可以產(chǎn)生感測電壓的極性的對應(yīng)改變。也就是說，盡管先前的討論已經(jīng)假設(shè)在第一和第二偏壓階段(階段0、階段1)期間電流例如從電極B1到電極B2流動，但是如果在相同的階段期間電流將要從電極B2流到電極B1，對操作將不會有不利的影響，上述還適用于在電極B1和B4之間流動的偏壓電流。

在不損害底層原理的情況下，相對于僅通過示例的方式所描述的內(nèi)容，細節(jié)和實施例可以改變，甚至是顯著的改變，而不脫離保護的范圍。通過所附權(quán)利要求來限定保護范圍。