descripción general
El voltaje de compensación y su deriva de temperatura, así como las variaciones de producción, que comúnmente degradan la estabilidad de nivel cero y la repetibilidad de los circuitos integrados de sensores Hall magnéticos, son el resultado de una sola placa Hall y el periódico se puede reducir mediante el uso de un medio de conmutación para un reemplazo flexible. . El trabajo actual describe un circuito integrado de sensor Hall lineal monolítico de 5 V basado en chopper. Con una escala completa de ±0,1 T, esta tecnología de cancelación de desplazamiento de placa dinámica se emplea junto con un acondicionador de señal rentable. El dispositivo se integra mediante un proceso BiCMOS convencional de 2 μm, y el chip final, que mide 1,5 × 1,5 mm, se empaqueta en un paquete de plástico de 3 pines con un desplazamiento residual y muestra la deriva con una temperatura de 10. Es 1 vez más pequeño que los enfoques de cancelación de cuadratura de CC multiplaca utilizados actualmente. El dispositivo no requiere componentes externos y proporciona una salida libre de residuos de HF.
prólogo
Los circuitos integrados de sensores magnéticos monolíticos suelen utilizar elementos Si Hall y se pueden integrar fácilmente con el amplificador necesario o los circuitos acondicionadores de señal para amplificar o procesar los voltajes relativamente bajos generados. El efecto Hall, sus propiedades y aplicaciones han sido ampliamente tratados en la literatura. La obra de Baltes y Popovic tiene excelentes críticas con muchas referencias.
El elemento Hall más simple utiliza una placa cuadrada fabricada como epibolsillo en un proceso bipolar o BiCMOS con dos pares de contactos orientados ortogonalmente, como se muestra en la Figura 1. Cuando se aplica un voltaje de fuente Vs a un par de contactos, digamos a, c, la densidad de flujo magnético B perpendicular a las placas producirá un voltaje VH a través del otro par b, d.
donde Sv es la sensibilidad del elemento Hall por unidad de tensión de alimentación. La sensibilidad, dada por VH⁄B × Vs (T (Tesla; 1 T = 1 × 104 Gauss) es la densidad de flujo magnético (inductivo) en metros-kilogramo-segundos (mks)) es un parámetro casi constante, la capa de Si movilidad y geometrías de placa y contacto. Los valores típicos de Sv oscilan entre 0,04 y 0,08. Esto significa un voltaje de salida de 200-400 μV para un suministro típico de 5 V y una densidad de flujo mínima de 1 mT.
En todas las aplicaciones de CC, la densidad de flujo magnético mínima que se puede medir con precisión en una placa de este tipo depende del voltaje de compensación Vop que aparece en el contacto de salida de la placa cuando B=0. Una placa desde el punto de vista eléctrico presenta un desequilibrio inevitable debido a la resistencia. Gradientes, asimetrías geométricas, efectos piezoresistivos, etc. provocan tensiones de compensación no despreciables. El desplazamiento de placa Vop es relativamente grande, oscilando entre 0,5 y 5 mV para un suministro de 5 V, según la temperatura, el voltaje de suministro y la tensión. Se están haciendo esfuerzos para cancelar o minimizar su impacto.
Las técnicas de conmutación, como las que se utilizan en los amplificadores, no pueden realizar la cancelación de compensación porque no hay ningún estado que pueda separar Vop de VH que no sea bloqueando el campo magnético. Esta es ciertamente una proposición impracticable.
Desde una perspectiva de CC, la placa de Hall se puede ver como un puente de Wheatstone de resistencia distribuida. La mayoría de los circuitos integrados de sensores Hall del mercado actual utilizan dos o más placas bien interconectadas para cancelar la compensación. En esta placa, la dirección de la corriente gira 90° de una placa a la otra. Si la fuente de desequilibrio es invariable y fija en el espacio sólido, las compensaciones de cualquier par de placas serán iguales pero de polaridad opuesta, logrando la cancelación deseada. Por otro lado, la señal útil de la disposición multiplaca sigue siendo la misma que la de una sola placa.
Alternativamente, se ha propuesto usar solo una placa mientras se generan condiciones ortogonales permutando los contactos periódicos de suministro y salida. Esta técnica de cancelación de compensación dinámica requiere un acondicionador de señal más complejo después de la placa del interruptor Hall, pero tiene la ventaja de reducir la compensación residual y su rango de fabricación en comparación con los circuitos integrados de sensores de placas múltiples. En el último caso, las discrepancias de compensación de placas entre placas físicamente diferentes reducen la desviación del nivel cero. Estas discrepancias son generadas principalmente por tensiones incorporadas dependientes de la temperatura en el paquete de plástico.
Este trabajo describe un circuito integrado de sensor Hall lineal monolítico BiCMOS de 5 V con tecnología de cancelación de compensación dinámica. Los acondicionadores de señal rentables realizan una variedad de funciones necesarias para recuperar señales válidas y cancelar compensaciones.
Se prefirió la tecnología BiCMOS por su sencillo amplificador de bucle abierto de alta ganancia con baja compensación, circuitos de programación de temperatura precisos y capacidad de suministro de corriente de alta potencia y bajo costo.