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COMPENSACIÓN DEL OFFSET DE LOS MAGNETOTRANSISTORES LATERALES
MEDIANTE TÉCNICAS DE CONMUTACIÓN
H. Trujillo and A. Nagy
Centro de Investigaciones en Microelectrónica, Ciudad habana Cuba
Teléfono: 53-7 45 2935 Fax:53-7-66-6380
Email:[email protected]
RESUMEN
Este trabajo presenta un nuevo método de compensación
del offset de los magnetotransistores laterales bipolares
(MTs), basado en el uso de dos parejas de
magnetotransistores formados por 4 colectores, 2
emisores y un contacto de base central común. La
interconexión por parejas de los colectores da origen a
tres variantes de MTs, sensible cada una a una de las tres
direcciones ortogonales del vector inducción magnética
B. Se presentan las características de offset vs corriente
de alimentación para estas combinaciones. Basado en la
linealidad de la respuesta se propone un método en que
con una combinación (para la cual el MT no es sensible
a B ) se mide el offset y luego se conmuta mediante
interruptores analógicos la conexión de los colectores (a
la conexión sensible a la dirección del campo medido).
Mediante un circuito electrónico diseñado a este fin, se
resta el offset de la señal de salida.
Se presenta el diagrama de bloques del circuito
electrónico desarrollado. Los resultados experimentales
obtenidos reflejan una reducción notable del offset.
Se concluye que el método, aunque de cierta
complejidad circuital, permite reducir el offset y su
deriva térmica en varios ordenes de magnitud.
los sensores magnéticos semiconductores ?1, 2, 3 ?.
En las referencias ?4, 5? se han reportado varias
alternativas a este fin. En particular en la referencia [4]
se usaron los arreglos de MTLs con cuatro colectores, 2
emisores y un contacto de base central, con el objetivo
de lograr mediante el cruce de los colectores la
compensación del offset. Sin embargo, se obtuvo
mediante esta técnica una compensación limitada,
siendo función de la distribución de los esfuerzos
mecánicos ?5? que estuvieron presentes en el dado
semiconductor. Esta estructura novedosa permitió sin
embargo conectar los dos pares de colectores de tres
formas diferentes, denominados: paralelo cercano,
paralelo lejano y cruzados, con respuestas
unidireccionales al campo magnético en cada caso, lo
que permitió medir el vector inducción magnética.
En este trabajo se presenta un método no reportado para
compensar el offset, basado en el uso de los arreglos de
MTs, donde mediante técnicas de conmutación se logra
con una combinación de colectores, medir el offset y a
continuación, cambiando la combinación de los
colectores pasar a la medición del campo magnético.
I. INTRODUCCIÓN
En años recientes un esfuerzo considerable de
investigación se ha dedicado al desarrollo de métodos
que permitan compensar el offset de
II. ESTRUCTURA DE LOS DISPOSITIVOS
Los dispositivos empleados son similares a los
reportados en ?4? y se ilustran esquemáticamente en la
figura 1.
C1
E1
C3
B
C2
E2
C4
Figura 1. Estructura de los arreglos de MTs
480
440
400
Paralelo cercano
360
Voffset (mV)
Los dispositivos fueron construidos sobre sustrato tipo p
con orientación cristalina (1 1 1) de resistividad de 7-11
ohm-cm usando la tecnología bipolar típica. Los
emisores y colectores fueron difundidos con fósforo con
una concentración de ND=1014 cm-3 y profundidad de la
unión x j=1,6 ? m. Como ilustra la figura 1., la estructura
comprende dos MTs laterales diferenciales con un
terminal de base central común y ancho de base Wb= 40
? m.
Como se reportó en ?4?, al intercambiar por parejas los 4
colectores de 3 formas diferentes, se obtiene que cada
combinación es sensible preferencialmente a una
dirección del campo magnético. Así, la estructura
cruzada (C1-C4 ; C2-C3 interconectados) es sensible al
campo vertical (BZ), la estructura paralelo cercano
(PC)(C1-C2 ; C3-C4) es sensible al campo horizontal BY
y finalmente la estructura paralelo-lejano (PL) (C1-C3;
C2-C4) es mas sensible al campo BX.
Se empleó para las mediciones del offset y la respuesta
al campo magnético el circuito de la figura 2. ?6?.
320
Cruzado
280
240
200
160
120
80
40
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Io (mA)
Figura 3. Voltaje de offset vs Io para las
diferentes conexiones de los colectores.
Este gráfico demuestra que el offset vs corriente es
lineal en ambos casos pero con magnitudes y pendientes
diferentes. Esta característica permite proponer el
método de compensación que se brinda a continuación.
Figura 2. Circuito de medición
La fuente del campo magnético es un imán permanente
calibrado de 0,13 T. La sensibilidad magnética fue
calculada como
S0 ?
? Ic
Io? B
(1)
donde S0 es la sensibilidad magnética (T-1), Io la
corriente total del emisor (mA), ? B el cambio de la
inducción magnética ?T? y ? Ic el cambio resultante de la
corriente de colector en mA.
III. MEDICIONES DEL OFFSET
Para las configuraciones paralelo cercano y colectores
cruzados se midió el offset de la salida del amplificador
operacional AOP2 variando la corriente Io, obteniéndose
los resultados del offset contra corriente que se muestran
en la figura 3.
IV. MÉTODOS DE COMPENSACIÓN DEL
OFFSET
Debido a la unidireccionalidad en la respuesta al campo
magnético de las distintas combinaciones de conexiones
de los colectores ya descritos anteriormente, y por otra
parte la linealidad del offset vs corriente de emisor dadas
en la figura 3. es posible emplear una combinación (por
ejemplo la PC) para medir el offset y posteriormente
conmutar la conexión de los colectores a la estructura
cruzada y medir en este caso el campo magnético
perpendicular al plano del dispositivo.
El circuito propuesto se ilustra en la figura 4., el cual
está formado por un timer 555 conectado en régimen
astable (no mostrado en el esquema) que controla los
interruptores analógicos CD4066 A y B cuyos
interruptores se conectan y desconectan adecuadamente
para lograr las conexiones de colectores cruzados o
paralelo-cercano los que se conectan a bloques similares
al encerrado en el cuadrado de la figura 2. A la salida de
cada canal se incorporan filtros pasabajos activos para
obtener a su salida solo los niveles de CD. Estas salidas
se entregan a un amplificador restador que se encarga de
cancelarlas. El ajuste de la ganancia de la configuración
paralelo-cercano se realiza mediante el potenciómetro de
10K en ese filtro pasabajos, logrando ajustar a cero el
offset a la salida general, a un valor de corriente Io en
ausencia de campo magnético. Al aplicar el campo BZ,
idealmente solo responde la estructura con colectores
cruzados, apareciendo a la salida general un voltaje
proporcional al campo magnético aplicado.
Figura 4. Esquema constructivo del circuito de prueba para compensar el offset.
V.
RESULTADOS
EXPERIMENTALES
Y
DISCUSIÓN
Se obtuvo el valor de sensibilidad frente al campo
magnético de un sensor típico así como el offset (usando
el circuito de la figura 2.) a una Io=5mA, , resultando los
valores que se presentan en la Tabla 1.
Se acopló el sensor al circuito de la figura 4., se ajustó a
cero el nivel de directa (offset) de salida a temperatura
ambiente y se le realizó una corrida contra temperatura
en una cámara climática (65% HR), obteniendo los
resultados que se brindan en la Tabla 2.
Tabla 1. Valores de sensibilidad y offset de un
sensor típico para las configuraciones cruzadas
y paralelo cercano (PC)
So
offset
0ffset
equivalante
Cruzado
0,0192/T
80 mV
0,231 T
PC
0,0533/T
255 mV
0,266 T
Tabla 2. Variación del offset a la salida
del circuito de prueba vs temperatura
Temperatura
(oC)
25
30
35
40
45
50
55
60
Vo (offset) (V)
0,008
0,222
0,400
0,560
0,715
0,864
1,065
1,230
Como se puede apreciar, el circuito se comporta de
forma inestable frente a la temperatura. Esto puede
explicarse, debido a que el ajuste del offset se realiza en
un punto, pero como las dos características del offset vs
Io tienen pendientes diferentes (Figura 3.) no se
garantiza que al variar Io ( o la temperatura, la que hace
variar indirectamente a Io) se mantenga ese ajuste. Se
ideó el circuito de la figura 5 para lograr igualar las
pendientes.
VI. CONCLUSIONES
Los MTs laterales, aunque de alta sensibilidad frente al
campo magnético presentan un elevado nivel de offset y
lo que es peor aún una alta variación del mismo con la
temperatura.
El método de compensación propuesto, aunque de cierta
complejidad circuital, permite reducir el offset
equivalente y su deriva térmica en varios órdenes de
magnitud. Con un diseño más cuidadoso de la
electrónica y empleando operacionales de precisión,
pueden alcanzarse resultados superiores.
Figura 5. Circuito para compensar las pendientes del
offset.
Estos circuitos se intercalan entre la salida de cada
pasabajos y el amplificador restador.
Para el ajuste se alimenta el sensor con una Io baja y
variando P1 y P2 se llevan a cero tanto VA como VB. El
valor de cero de VB debe ser cero independiente de que
se varíe el potenciómetro P3. Con VA y VB igualados a
cero, se mide la salida general, la cual se ajusta a cero
mediante el potenciómetro P3 a la corriente de trabajo.
Se realizaron estos pasos con el mismo sensor usado en
el circuito de prueba y en este caso se obtuvo una
variación del offset de salida de solo 10 mV al variar la
temperatura entre 30 y 50 oC, lo que representa un
cambio del offset equivalente de 0,0003 Tesla, mucho
menor que el reflejado por los datos de la Tabla 2.
REFERENCIAS
?1? S.Kordic and P.C.M. Van der Jagt “Theory and
Practice of the electronic implementation of the
sensitivity-variation offset-reduction method”, Sensors
and Actuators, 8 (1985) 197-217
?2? H.Blanchand, Ch. De Road Isali and R.S.Popovic
“Compensation of the temperature dependent offset drift
of a Hall sensor” Sensors and Actuators A60 (1997) 1013.
?3? A.A,Bellekom “Origins of offset in conventional and
spinning-current Hall plates”, Thesis, Delft University
Press, 1998.
?4? H.Trujillo, A.Nagy and F.Rodríguez “Merged lateral
bipolar magnetotransistors” Sensors and Actuators, A50
(1995) 177-181
?5? H.Trujillo, A.Nagy and P.Rodríguez “Piezoresponse
of lateral bipolar transistors” Sensors and Actuators,
A64 (1998) 125-131.
?6? H.Trujillo, A.Nagy, M.Michelena, P.Rodríguez and
R.Ugarte “Diode connected magnetotransistors, Sensors
and Actuators, A39 (1993) 55-57