（微电子学与固体电子学专业论文）cmos霍尔传感器的设计与参数优化.pdf

i ：海人学硕l ：论文 c m o s 霍尔传感辨的设计0 参数优化 摘要 传感器技术作为现代信息社会的三大支柱技术，被广泛地应用于国民经济 的各个领域，霍尔磁敏传感器就是其中应用非常广泛的一类。本文研究一种开 关型霍尔磁敏传感器芯片的设计，它广泛应用于多种便携式设备中。设计通过 一个霍尔片来检测作用于芯片的外界磁场的大小，并通过对霍尔片产生的霍尔 电势的处理来判断外界磁场的有无。 由于霍尔片产生的霍尔电势是很微弱的，而且还存在较大的失调电压，因 此对霍尔电势的放大和对失调电压的抑制是设计中的两个主要问题。首先，在 版图设计时我们把霍尔片放置在芯片中压力梯度最小的中央位置以减小压阻效 应对霍尔片失调电压的的影响。此外。在电路上我们采用正交电流法实现对霍 尔片所产生的失调电压与有效信号霍尔电势的分离，并通过一个斩波稳定放大 电路实现了对霍尔电势的放大和对失调电压的抑制。斩波稳定放大电路的另外 优点就是能有效地抑制其自身产生的失调电压，而且它具有极高的输入阻抗， 因此对信号检测电路一霍尔片的影响很小。 经过放大处理后的霍尔电势和一个基准电压进行比较后，即可判断外界磁 场的有无。为了防止输入信号的微小变化引起输出信号的错误跳变，我们对霍 尔开关设置了两个工作点，一个称为触发点b o p ，一个称为释放点b 。，即通过 一个迟滞特性保证霍尔开关的稳定工作。此外，为使芯片能更方便的使用，减 少安装调试的费用，芯片设计为能对双磁极的磁场信号实行检测。 设计采用一个数字控制电路来实现对整个芯片的管理。由振荡器产生频率 为2 4 0 k h z 的时钟脉冲，再经三分频，得到一组8 0 k h z 的时钟信号，再经不交 叠处理，在不影响检测灵敏度的条件下，实现了对外界磁场的采样检测、放大 及迟滞比较部分实现控制，使得芯片能够协调工作。 关键词：传感器；霍尔效应；正交电流；斩波放大器；迟滞特性；e m c 改进 第v l 页 上海人学硕j ：论文c m o s 撒尔传感器的设计0 参数优化 a b s t r a c t s e n s o rt e c h n o l o g yi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n ts u p p o r t st ot h ed e v e l o p m e n to f o u rs o c i e t y i t sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s h a l lm a g n e t i cs e n s o ri so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tb r a n c h e so f i ta n de x t e n s i v e l yu s e di nm a n yf i e l d s t h i sp a p e rp r e s e n t sa d e s i g no f as w i t c h e dh a l lm a g n e t i cs e n s o ri c i ti su s e di nm u c hp o r t a b l ee q u i p m e n t i tc h e c k sm a g n e t i cs i g n a lw i t hah a l lp l a t e a f t e rp r o c e s s i n gt h er e s p o n s eo f t h eh a l l p l a t e ，i tc a nj u d g ni f t h e r ei sm a g n e t i cs i 印a 1o p e r a t i n go rn o to nt h ei c s i n c et h er e s p o n s eo f t h eh a l lp l a t ei sv e r yw e a ka n dh a so f f s e tv o l t a g e , s ot h e m a i n l yw o r ko ft h ed e s i g ni s t oa m p l i f yt h eh a l lv o l t a g ea n dr e d u c et h eo f f s e t v o l t a g e f i r s t l y , w ep l a c et h eh a l lp l a t ei nt h ec e n t e ro ft h ec h i pw h e r et h es t r e s s g r a d i e n ti st h el o w e s t i tc a nr e d u c et h eo f f s e tv o l t a g eo ft h eh a l lp l a t ed u et o p i e z o r e s i s t i v i t yo fs i s e c o n d l y , w ed i v i d et h eh a l lv o l t a g ea n dt h eo f f s e tv o l t a g eb y t h em e a n so fq u a d r a t u r ec u r r e n t , a n dr e d u c et h eo f f s e tv o l t a g ew i t hac h o p p e r - s t a b i l i z e da m p l i f i e r t h ec h o p p e r - s t a b i l i z e da m p l i f i e r 啪a l s or e d u c et h eo f f s e t v o l t a g eo f i t s e l f a n d i th a sv e r yl a r g ei n p u tr e s i s t a n c e ，s oi tw i l lh a v ef e we f f e c t so n t h eh a l lp l a t e a f t e rb e i n ga m p l i f i e d , t h eh a l lv o l t a g ei su s e dt oc o m p a r ew i t har e f e r e n c e t h e nt h er e s u l tc a i lb eu s e dt oj u d g ei ft h e r ei sm a g n e t i cs i g n a l t om a k es u l et h e h a l lc a nw o r ks t a b l y , w ed e s i g nt h ec h i pw i t ht w oo p e r a t ep o i n t s o n ei s “t r i g g e r ， t h eo t h e ri s r e l e a s e ”t h eh y s t e r e s i sc h a r a c t e rh e l p st h ec h i pw i t h o u tw r o n gs w i t c h f u r t h e r m o r e , t ou s et h ec h i pm o r ec o n v e n i e n t l y , t h ec h i pw a sd e s i g n e dt oc a nc h e c k b o t hm a g n e t i cp o l e s i tm a n a g e st h ew h o l ec h i pw i t had i g i t a lt i m i n gc o n t r o l l e r f i r s t l y , at i m i n g c l o c kp u l s e 谢m2 4 0 k _ h zf r e q u e n c yi sc r e a t e db ya no s c i l l a t o r s e c o n d l y , ab a t c ho f t i m i n gs i g n a l sw i t h8 0 k i - i zi sg o tt h r o u g h3f r e q u e n c yd i v i d e r t h e n , t h et i m i n g c l o c kh e l pt h es i g n a ls a m p l ep r o o f s , c h o p p e ra m p l i f i e ra n dh y s t e r e s i sc o m p a r a t o r c a nw o r kh a r m o n i z e d k e y w o r d ：s e n s o r ；h a l le f f e c t ：q u a d r a t u r ec u r r e n t ：c h o p p e ra m p l i f i e r ；h y s t e r e s i s c h a r a c t e r i s t i c ；e m ci m p r o v e m e n t 第v i i 页 上海人学顾 ：论文 c m o s 霍尔传感器的设计i 参数优化 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第1 i i 页 - 卜海人学颂l 论文c m o s 霍尔传感器的设计砑 数优化 第一章绪论 1 1 传感器和传感器技术 现代社会是信息社会，信息技术是推动社会进步的支柱力量。现代信息技 术的三大基础是信息的采集、传输和处理技术，即传感器技术、通讯技术和计 算机技术。传感器是信息采集系统的首要部件，通过它可以把外界的各种有用 信息转化为易于处理的电信号，现已被广泛应用于机械、能源、石油、化工、 纺织、医疗、航天、航空、交通运输等国民经济的各部门以及国防领域。从茫 茫太空，到浩瀚海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化的项目， 都离不开各种各样的传感器。它对实现生产的自动化、合理化、降低生产成本、 提高产品质量、增加产品功能，对提高人们的物质生活水平和健康水平，对保 护环境、节约资源和能源，都起到了极其重要的作用【1 2 1 0 。 传感器的价值还不仅仅体现在它本身的产值和利润，更重要的是每当出现 一种新型的传感器，往往随之而来的是产生一种新型的计算机控制系统或一种 新的智能仪器，从而创造出去巨大的经济效益和社会效益。近年来，由于大规 模集成电路制造技术的发展，微型计算机的功能达到了不断的提高，而其价格 却不断下降，因此，微型计算机的应用越来越广。与之相比传感器技术的发展 则相对落后，而相对于发达国家，我们国家传感器技术的发展水平则更加落后， 因此大力加强传感器技术的研究，促进传感器技术的发展变得尤为重要。 正是因为传感器技术在信息社会的作用变得越来越重要，从上个世纪8 0 年 代开始，在国际上掀起了一阵“传感器热”，美、日、俄、英、法、德等各发达 国家都把传感器技术列为国家重点发展的技术，我国也将传感器技术列为国家 重点扶持发展的技术。当今，传感器技术发展的主要方向【4 】【5 1 ，一是加强开展基 础研究，重点研究新材料和新工艺，二是朝着实现传感器的集成化、智能化和 多功能化方向发展。 传感器的应用范围非常广泛，传感器的种类也非常繁多，目前世界上传感 器的种类已达到数万种。这些传感器按制作材料可分为：半导体、陶瓷、金属、 光纤、高分子材料等；按其功能可分为：磁敏、光敏、力敏、温敏、湿敏、气 敏、离子敏、生物敏等。 第1 页 i ：海人学醐上论文 c m o s 霍尔传感器的设计l j 参数优化 在传感器家族中，有一类重要的传感器就是半导体磁敏传感器。它是采用半 导体材料制作，用以把将各种磁场及其变化的量转变为电信号输出的传感器。被 广泛应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各种领域。现在，每年 世界上都有数以十亿计的半导体磁敏传感器投入使用，它已成为信息技术和信息 产业中不可缺少的基础元件【6 】。 据磁材商情网( h t t p ：w w w e h i n a m a g n e t o r g k e j i 2 0 0 5 k e j i 0 3 1 h t m ) 2 0 0 5 年3 月7 日统计，目前全世界各类磁敏传感器年总需求量约达2 0 亿只，且以1 0 的年 增长速度发展，是各种传感器中需求量最大的一种，预计2 0 0 5 年全世界年总需求 量将达3 0 亿只。霍尔元器件产量在磁敏传感器中约占6 0 - - 6 5 ，全世界产量已 达1 2 亿只左右。 目前已经出现的半导体磁敏传感器，主要有霍尔磁敏传感器、半导体磁致电 阻器、磁敏二极管以及以这些元器件为磁电转换器( 或称敏感头) 的各种半导体磁 敏功能器件，例如磁敏开关集成电路、直流无刷电机专用电路、磁敏运算放大器、 磁罗盘和三维磁强计等等，并形成了一个庞大的产品群落。其中发展最早、最成 熟、应用最广泛、产量最大的，首推霍尔磁敏传感器。 1 2 霍尔磁敏传感器 1 2 1 霍尔效应 如果把半导体薄片垂直置入磁感应强度为b 的磁场中，当有电流流过时，载 流子由于受到洛仑兹力的作用，将会向垂直与电流和磁场的方向发生偏转，从而 在半导体的两端形成电势差，这种现象就是著名的霍尔效应忉，产生的电势差就 是霍尔电势。 d 图1 1 ( a ) n 型半导体材料图1 1 ( b ) p 型半导体材料 霍尔电势的极性与外加磁场的方向及电流方向有关，同时与半导体材料的特 性也有关。在外加的磁场方向和电流方向相同时，n 型和p 型半导体材料产生的霍 第2 页 上海人学硕i ：论文 c m o s 霍尔传感器的设计与参数优化 尔电势的极性是相反的。对于一个n 型半导体材料，其载流子是电子，在图1 1 ( a ) 所示的磁场方向和电流方向时，电子将受到如图所示方向的洛仑兹力f i 的作用而 发生偏转。洛仑兹力的方向是由磁场方向和电流方向共同决定，三者之间的关系 可以由左手定则来表示。结果在半导体的i j 端电子将产生积累，而后端将缺少电 子，即前端带负电，后端带正电，从而在前后端之间形成电场，该电场产生的电 场力将阻止电子继续积累，直到因电子积累产生的电场力等于磁场力时，才达到 动态平衡。而对于p 型半导体材料，如图1 1 ( b ) 所示，这时的磁场方向和电流 方向不变，因而产生的洛仑兹力的方向也不变，但p 型半导体的载流子是空穴， 因此在半导体的前端将产生空穴积累，后端将缺少空穴，所以前端带正电，后端 带负电，正、负电荷形成的电场将会阻止空穴继续积累，直到因空穴积累产生的 电场力等于磁场力时，空穴才会停止积累，达到一个动态的平衡。 1 2 2 霍尔灵敏度 把一个长为a ，宽为b ，厚度为d 的n 型半导体薄片垂直置入一个磁感应强度为 b 的磁场中，如图1 1 ( a ) 所示，若电子都以速度v 匀速运动，则它受到的洛仑兹 力的大小【8 】【9 】为： 兀= g m b ( 1 i ) 而电子受到的电场力的大小为： 尼；口e = 白r h 枷 ( 1 2 ) 又因为，电流i 的大小为： ，= - ，b d = “g d b d( 1 3 ) 式( 1 1 ) 、式( 1 2 ) 、式( 1 3 ) 中的q 为电子电荷，e h 为因电子积累产生的电场的强度， 、，h 为霍尔电势，n 为电子浓度，j 为流过n 型半导体薄片的电流密度，当电子积聚 达到动态平衡时，它受到的洛仑兹力的大小等于它受到的电场力的大小，即： 无= f e( 1 4 ) 则根据式( 1 1 ) 、式( 1 2 ) 、式( 1 3 ) 、式( 1 4 ) ，可得到霍尔电势为： = - i 口，o g d ) = lo b 鬈( i 5 ) 上式中k h 为霍尔灵敏度，它表示一个半导体薄片在单位控制电流和单位磁场时 第3 页 上海大学顾i 二论文 c m o s 霍尔传感器的设计i 参数优化 产生的霍尔电势的大小，在n 型材料中k n 可表示为： k = i o q d ) = 如。) d ( 1 6 ) 上式中p 材料电阻率， l i 为电子迁移率。以上的分析只考虑了磁场方向与半导体 薄片的表面垂直时的情况，当磁场方向与半导体薄片的表面不垂直时，假设磁场 方向与半导体薄片表面的法线存在着一个夹角0 ，则式( 1 5 ) 应推广为： = j 口k c o s 0( 1 7 ) 由上面的分析可知，霍尔电势的大小与电流强度、磁场强度及半导体薄片的霍尔 灵敏度成正比，对于一个给定的半导体薄片，它的霍尔灵敏度是恒定的，如果保 持流过它的电流恒定，则产生的霍尔电势的大小和极性只与作用于它的磁场的大 小及方向有关，因此，霍尔器件可以被用来作为测量磁场的大小和方向的传感器。 1 3 霍尔传感器的发展 从霍尔发现霍尔效应，到现在已有1 0 0 多年了，霍尔效应的应用主要经历了 三个阶段【1 0 1 。第一阶段是从霍尔效应的发现至l j 2 0 世纪4 0 年代前期。最初，由于金 属材料中的电子浓度很大，霍尔效应十分微弱，所以并没有引起人们的重视。这段 时期虽也有人利用霍尔效应制成磁场传感器，但实用价值不大，到了1 9 1 0 年有人 用金属铋制成霍尔元件，作为磁场传感器，但是由于当时未找到更合适的材料，研 究处于停顿状态。 第二阶段是从2 0 世纪4 0 年代中期半导体技术出现之后，随着半导体材料、制 造工艺和技术的应用，出现了各种半导体霍尔元件。特别是锗的采用推动了霍尔 元件的发展，相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器、磁罗盘、磁 头、电流传感器、非接触开关、接近开关、位置、角度、速度、加速度传感器、 压力变送器、无刷直流电机以及各种函数发生器、运算器等，应用十分广泛。 第三阶段是自2 0 世纪6 0 年代开始，随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔元 件和信号处理电路集成在同一个芯片上的集成霍尔传感器。这是霍尔传感器发展 的一个重要方向。因为采用集成传感器可简化电路设计，节省安装、调试时间， 减少系统部件，增加可靠性，同时由于生产的自动化程度高，可大大降低生产成 本。 由于硅集成电路技术发展最为成熟，同时硅材料本身就具有较强的霍尔效 第4 页 上海人学硕i ：论文c m o s 霍尔传感器的设计0 参数优化 应，采用硅平面工艺，把霍尔片和信号处理电路集成在同一个芯片上，不需要增 加特殊的工艺，因此采用硅为基材的集成霍尔传感器发展最快：这种集成霍尔传 感器具有体积小、功耗低、响应快、抗干扰能力强等诸多特点，在工业、通讯、 交通及仪器制造等领域获得了广泛的应用。按照它们的功能不同，可以分为线性 型和开关型。 霍尔传感器的发展趋势是高灵敏度、高精度和高稳定性，其发展受微电子技 术水平影响最大。 减小霍尔元件尺寸可以降低器件成本，而且在采用自对准技术的霍尔i c 中， 霍尔元件微型化对线圈的效率至关重要。霍尔元件微型化往往需要采用特殊制作 工艺，也有赖于工艺精度的提高。 1 4 双极锁存型集成霍尔磁敏传感器 本文研究一种开关型霍尔磁敏传感器芯片的设计，这种集成霍尔开关采用 c m o s i 艺混合信号集成电路技术，把用于信号检测的霍尔片与信号放大、比较 等模拟电路以及用于控制的数字电路集成在同一个芯片上，具有低功耗、高灵敏 度、双磁极检测等优点，同时磁场检测还具有非接触特点。它主要用于开关量的 检测，适用于多种便携式设备中。整个芯片主要有6 个部分构成，包括信号采集 电路、斩波放大电路、迟滞比较电路、时钟产生及开关控制电路、电压基准电路 以及电源保护电路，其原理框图如图1 2 所示。 g n d 图1 2 双极锁存型霍尔磁敏传感器的结构框图 检测电路主要由一个霍尔片构成，用于检测磁场信号，并把磁场信号转换为 电信号，同时采用正交电流法实现对霍尔片感应电压与失调电压的分离。放大电 第5 页 上海人学硕f ：论文 c m o s 霍尔传感器的设计0 参数优化 路是一个斩波稳定放大电路，用于对霍尔片感应电压的放大和对其失调电压的抑 制，斩波稳定放大器本身的失调电压也由它自身抑制。迟滞比较电路用于把放大 电路的输出电压与基准电压进行比较，其结果为开关量，表明此时有无磁场存在， 然后输出信号。本文通过设计一个时钟产生及开关控制电路，产生信号采集电路、 斩波放大电路和迟滞比较电路所需的信号，使得整个采样、放大、比较电路能协 调工作。为了对整个芯片实现e s d 保护，设计了电源保护电路。当有e s d 电流流 过时，该保护电路工作，从而保护芯片内部的电路。 1 5 论文的主要工作 论文主要完成了以下工作： ( 1 ) 整个芯片的功能分析和单元模块的划分。 ( 2 ) 霍尔片失调电压抑制方法的研究。 ( 3 ) 电路的设计和仿真。 ( 4 ) 版图设计和验证。 ( 5 ) 设计了该芯片的测试电路。 1 6 论文安排 这篇论文的安排如下： 第一章介绍与本文相关的技术背景及其发展状况。 第二章介绍信号检测、放大电路的设计。 第三章介绍比较、判断及输出电路的设计。 第四章介绍数字控制电路的设计。 第五章介绍电源保护电路的设计。 第六章介绍基准电压产生电路的研究。 第七章介绍芯片版图设计及验证结果。 第八章介绍霍尔磁敏传感器芯片的测试电路的研究。 第九章总结本论文的工作，并对下一步工作提出展望。 第6 页 上海人学碗f ：论文 c m o s 霍尔传感器的墩计吩参数优化 第二章信号检测、放大电路 应用于便携式产品中的芯片，其功耗和集成度都有较高的要求，c m o s 工 艺因具有低功耗、高集成度和低成本等优点，因此在应用于便携式产品的集成 电路的设计中得到了广泛采用。本文研究的低功耗、接近式集成霍尔磁敏开关 的设计就是采用c m o s 工艺，制造用于检测磁场信号的霍尔片，并把它和信号 放大、处理及控制电路集成在同一个芯片上。 2 1 信号检测电路 2 1 1 c m o s 霍尔片 由于在相同的条件下，n 型半导体中的载流子迁移率比p 型半导体中的载 流子迁移大，从而n 型半导体具有更高的霍尔灵敏度，因此在c m o s 工艺中， 霍尔片一般是用n - w e l l 制造的。图7 6 是本设计采用的霍尔片的版图，它是在p 型衬底上形成一个低掺杂的n - w e u ，在n - w e l l 的上面再覆盖一个浅掺杂的p + 注 入，在n - w e l l 的四个顶角处进行矿注入，作为霍尔片的四个输入、输出端口。 由式( 1 6 ) 可知，霍尔灵敏度为： k = - p “d( 2 1 ) 上式中p 为平均电阻率，为电子的迁移率，d 为霍尔片的厚度，浅掺杂的p + 注入将增大平均电阻率并减小霍尔片的厚度，因而可以提高霍尔片的灵敏度。 此外，浅掺杂的p + 注入还使电流通路远离硅和氧化层的界面，在二氧化硅和 n - w e l l 之间充当一个静电屏蔽层，这个静电屏蔽层降低了表面效应的影响，可 有效地增加霍尔片的稳定性【1 。 本设计中霍尔片采用电压驱动形式，此时霍尔片的电流可表示为： j ；等 ( 2 2 ) 口a 式( 2 2 ) 中的v 为霍尔片的工作电压，a 、b 分别为霍尔片的长和宽，联立式( 1 6 ) 、 式( 2 1 ) 和式( 2 2 ) ，我们得到： 铂( 鲁) 曰 ， 第7 页 i ：海大学硕l ：论文c m o s 霍尔传感器的设计与参数优化 如果a = b ，则式( 2 3 ) 变为： = 以。v b( 2 4 ) 上式中是霍尔片的工作电压，在我们的设计中，霍尔片的工作电压设计为 3 3 v 。儿是个材料参数，在n - w e u 的次表面层以约为1 1 0 0 伽2 ，v s 1 2 1 。根据 外界磁场强度的大小，由式2 4 可得到相应的感应电压。本设计中的霍尔片采 用正方形对角线连接的结构，其触发点和释放点分别被设计为5 0 m t 和5 , 0 m t ， 由式2 - 4 近似估算得到其对应的霍尔电压分别约为1 8 1 5 m v 、1 8 1 5 m v 。 2 1 2 霍尔片的失调电压 在直流状态下，霍尔片可以看作是一个由分布电阻构成的文氏桥，如图2 1 所示，当在h l 端接电源v c c ，h 3 端接地，理想情况时，r i = r 2 = r 3 = r 4 = r ， h 2 、h 4 端对地的直流电位为比以，两端之间的电势差为零。当有磁场作用于 霍尔片时，就会在h 2 和h 4 的两端产生感应电势，感应电势的极性是由磁场方 向和电流的方向共同决定，这个感应电势经过放大、控制处理后就可以去驱动 输出电路。 图2 1 文氏桥等效电路 实际的霍尔片由于材料的各向异性、杂质分布的不均匀、几何结构的非对 称以及压阻效应等的影响，在有电流流过时，即使没有外加磁场，其输出电势 差也不为零，这个电势差就是霍尔片的失调电压v 。由于霍尔片输出的霍尔电 势一般都较微弱，而霍尔片的失调电压则相对较严重，若其与霍尔电势可比拟， 则不但会严重影响整个芯片的性能，甚至会使芯片实效，因此失调电压的抑制 第8 页 l ：海人学硕j j 论文 c m o $ 霍尔传感器的设计j 参数优化 是霍尔传感器正常工作的必要条件。 2 1 3 霍尔片失调电压的抑制 霍尔片失调电压的产生主要包括两个方面，一个是工艺的原因，包括材料 的各向异性、杂质扩散的不均匀、几何结构的非对称等。另一个原因是外界机 械压力通过压阻效应引起的，通常是在封装时造成的。 首先，针对压阻效应对霍尔片失调电压的影响，在版图设计时，我们把霍 尔片放置在整个芯片中压力梯度最小的中央部位”】，从而减小压阻效应对霍尔 片的影响，减小霍尔片产生的失调电压。显然，仅仅从版图上采取方法是不能 完全消除霍尔片的失调电压的，因此，我们还必须在电路上采取措施实现对霍 尔片失调电压的抑制。 图2 2 双霍尔元件法消除失调电压 一种消除霍尔片失调电压的方法就是双霍尔片法【1 4 1 ，它是在同一个芯片的 相邻位置上，制造两个相同形状和大小的霍尔片，并把它们按图2 2 所示的方 法连接起来。此时每个霍尔片的输出电压是它的感应电压v h 和它的失调电压 的和，由于作用于两个霍尔片的磁场的方向是一样的，由图中的电流方向， 我们知道在两个霍尔片的输出端得到的感应电压的方向是相同的。因为两个霍 尔片是在同一个芯片的相邻位置上，在相同的工艺过程和外界压力的影响下， 可以近似的认为导致桥路电阻失衡的位置出现在两个霍尔片的相同位置，如果 我们假设图2 2 中的电阻r 1 、r 2 、r 3 保持不变，r 4 的电阻改变r ，显然在两 个霍尔片的输出端得到的失调电压是大小相同、极性相反的一对互补信号，因 此并联后输出端的失调电压为零。同样的效果也可以用四个霍尔片对称排列来 实现霍尔片失调电压的消除。 第9 页 上海人学硕i ：论文c m o s 鞲尔传感器的设计0 参数优化 但是这种采用多个霍尔对称排列，以完全相同的霍尔片来消除霍尔片的失 调电压，占用了很大的芯片面积，因此提高了制造成本。本文的设计对这种方 法进行了改进，采用正交电流法，只需一个霍尔片，即可实现对磁场信号的检 测和对失调电压与感应电压的分离，在信号检测电路之后采用一个斩波稳定放 大器实现对霍尔片失调电压的抑制，同时实现对有效信号霍尔电势的放大，此 外这种斩波稳定放大电路还可以对自身失调电压的实现抑制并且具有非常高的 输入阻抗。这种方法不存在多个霍尔元件的匹配问题，经仿真证明具有很好的 效果。 2 1 4 正交电流法 ( a )( b ) 图2 3 正交电流法 正交电流法就是在一个霍尔片上，交替地改变输入电流的通路，使输出感 应电压周期性地分别从两对正交的端口输出，利用感应电压和失调电压极性的 不同变化，实现对失调电压和霍尔电势的分离f 阍。 在时钟正半周，如图2 3 ( a ) 所示，分别把霍尔片的h 1 、h 3 端接入电源和地， 电流由h 1 流向h 3 ，在如图所示的磁场作用下将产生如图所示极性的感应电压； 在时钟的负半周，如图2 3 ( b ) 所示，霍尔片的h 2 、h 4 端分别被接入到电源和地， 电流由h 2 流向h 4 ，在如图所示的磁场作用下将产生如图所示极性的感应电压。 假设在同一时钟的高、低电平时分别把h 1 和h 2 连接至后级差分放大器的同一 个输入端，而h 3 和h 4 则连接至差分放大器的另一个输入端，则在同一时钟信 号的高、低电平时，接入到差分放大器的霍尔感应电势的极性是相反的。而失 调电压的极性则总是相同的，这可以通过以下的假定来说明。假定此时的失调 第1 0 页 l ：海人学硕i ：论文c m o s 霍尔传感器的设计0 参数优化 电压是由于某种原因( 如压阻效应) 导致h i 、h 2 端之间的等效电阻变大，由 于r i = r 3 = r 4 = r ，r 2 r ，则图2 3 ( a ) 所示电路的失调电压v m n 4 为( r ( r 十r 2 ) 1 2 ) v c c ，其极性与此时的感应电压的极性相同；图2 3 ( b ) 所示电路的失调电 压v m 也为( r ( r + r 2 ) 1 2 ) v c c ，其极性与此时的感应电压的极性相反， 即在同一个时钟的高、低电平时，霍尔片的失调电压的极性保持不变。改变霍 尔片的电流方向或改变接入到后级差分放大器的连接方式，就可得到不同极性 组合的霍尔电压和失调电压，但在每个时钟周期内，都是一个半周为霍尔电压 和失调电压的和，另一个半周为它们的差，因此，要得到霍尔电压、抑制失调 电压就可以根据失调电压在这两个半周内的极性分别采用相加或相减的方法来 实现。在失调电压极性不变时，采用相减的方法，在失调电压相反时采用相加 的方法。 2 1 5 正交电流法的电路实现 图2 4 检测电路 要实现电流交替地由霍尔片的两对端口输入及感应电势由相应的另外的一 对端口输出，可通过在霍尔片的四个端口分别加上开关来实现。如图2 4 所示， c k i 和c k 2 是一对互补时钟。当c k i 为高电平时，c k 2 为低电平，m 2 、m 4 管导通，m i 、m 3 管截止，同时传输门t l 、t 3 导通，t 2 、t 4 截止，电流由霍 尔片的h 2 端流向h 4 端，霍尔片的输出电压由h 1 、h 3 端经传输门t 1 、t 3 输 出至放大电路的输入端。当c k l 为低电平时，c k 2 为高电平，m i 、m 3 管导通， 第l i 页 上海大学硕。i ：论文 c m o s 霍尔传感器的设计i j 参数优化 m 2 、m 4 管截止，同时传输门t 2 、”导通，t l 、t 3 截止，电流由霍尔片的 h l 端流向h 3 端，霍尔片的输出电压由h 2 、h 4 端经传输门t 2 、t 4 输出至放 大电路的输入端。由前面的分析可知，在时钟c k i 的高、低电平时，由o u t l 、 o u t 2 输出的感应电势的极性是相反的，而失调电压的极性则是相同。 设计中，这对时钟对的频率是由霍尔片的响应速度和后级斩波稳定放大电 路中的滤波电容的大小共同决定的。霍尔片要有效的工作，其开关速度必须小 于其响应速度，一般开关频率要小于1 6 0 k h z 1 5 1 。如果后级滤波电容设计较小， 为了减小滤波电容漏电的影响，这是时钟的频率要设计较高，但如果滤波电容 过小，传输门寄生电容的影响就会加大，从而会影响到斩波稳定放大电路的精 度。而如果后级的滤波电容设计较大，则不但会增加版图面积，而且会限制时 钟的频率，这样也会造成因两个电容漏电时间不一样而影响斩波稳定放大器的 精度。此外，考虑到本设计主要用于便携式设备中开关量的检测，低功耗的要 求限制了放大电路的工作电流，也就限制了放大电路的带宽。本设计中滤波电 容的值取2 p f ，这对时钟对的频率设计为8 0 k h z 。 1 2 纾m ，：v d s l 三8 。加0 m 4 0ka m b b ) 图2 5 ( a ) 输出直流电平的仿真电路；( b ) 仿真波形 为了提高在霍尔片上的有效工作电压，应减小在开关m i m 4 上消耗的电压 降，因此四个作为开关的m o s 管的宽长比要设计得较大，同时为保证由霍尔元 件输出的直流电平为v c c 2 ，应保证在p m o s 管和n m o s 管上消耗的电压降相同， 因此设计中应保持( w l ) p ( w l ) n = ，采用图2 5 ( a ) 所示的电路模拟 第1 2 页 上海大学硕l 论文c m o s 霍尔传感器的设计j 参数优化 霍尔元件的输出直流电平及两个m o s 开关的管压降，其仿真结果如图2 5 ( b ) 所 示。图2 5 ( a ) 中所示p m o s 管和n m o s 管尺寸除根据式( w l ) p ( w l ) n = p n 仉p 之外，又进行了微调。图2 5 ( a ) 中的两个电阻r 是用来模拟霍尔片两个对角间的 等效电阻，在实际霍尔片中通常r 的值要大于2 k q 。仿真结果表明采用如图所示 的晶体管尺寸，在较大的电流范围内，输出直流电压都保持在v c c 2 = i 6 5 v ，且 m 1 和m 2 的管压降相对于电源电压都非常小。 2 2 信号放大电路 2 2 1 普通差分大器构成的放大电路 r 1l 毪 r r 1r 2 图2 6 单运放闭环系统的差模和共模输入阻抗 由于霍尔片输出的感应电势是很微弱，无法直接驱动后级电路，因此我们必 须对霍尔电势进行放大处理。图2 6 是一个普通差分放大器构成的放大电路【1 6 】， 它可用来实现对微弱信号的放大，由图2 6 ( a ) ，我们很容易得出由一个差分放 大器构成的闭环电路的差模输入阻抗为： r “= 2 r 1( 2 5 ) 由图2 6 ( b ) ，我们得到其共模输入阻抗为： = ( r l + 置2 彳( 2 6 ) 显然这种结构的输入阻抗受到外围电阻的限制，很难做得非常大，如果采用这种 结构的放大电路，它必然会影响前级霍尔元件的工作。 此外，由于正交电流法只是实现了对霍尔片的感应电势和其失调电压的分 离，对失调电压的抑制还必须由后级电路来实现，显然如果采用图2 6 所示电路， 这一点将无法实现。在本设计中，我们采用一种斩波稳定放大电路可实现对霍尔 第1 3 页 上海人学硕i ：论文 c m o s 霍尔传感器的设计1 锺 数优化 电势的放大和霍尔失调电压的抑制。这种斩波稳定放大器不但具有非常高的输入 阻抗，而且它还能自动抑制斩波放大器本身产生的失调电压。 2 2 2 斩波稳定放大电路的工作原理 运算放大器的许多不理想的特性属于低频或直流噪声的范畴。这些不理想的 特性包括1 f 噪声和输入失调电压。用电路来减小或消除这些不理想特性是可能 的。一种解决方法是用斩波稳定电路7 1 。 m l ( t ) m 2 ( t ) 图2 7 斩波稳定概念示意图 斩波稳定的概念已经在精密直流放大器设计中使用了很多年。图2 7 说明了 斩波稳定的原理。在输入信号和输出信号之间插入了两个乘法器，它们被幅度为 + l 和1 的斩波方波所控制。在第一个乘法器之后，v a 信号被调制搬移到斩波方波 的奇次谐波频率上，成为高频信号。在v b 处，放大器a 的失调电压v 。和反映噪声 源的信号v n 被加在频谱上。在第二个乘法器之后，v 。m 被解调为原来的信号，而 不需要信号的频谱已经被搬移到斩波方波的奇次谐波频率上。如果斩波频率远大 于信号带宽，那么信号通带内不需要的信号将被大大减小。因为不需要的信号包 含了放大器的1 f 噪声和失调，它们的影响被混频至希望的工作频率范围以外【1 8 1 。 图2 8 ( a ) 说明了斩波稳定的原理是如何应用到c m o s 运算放大器的。乘法器 用两个交叉耦合开关实现，它们受两个不重叠的时钟控制。图2 8 ( b ) 说明了图2 8 ( a ) 的操作。当由i 导通和巾2 断开时，不需要的等效输入信号等于第一级和第二级不 需要的输入信号除以第一级增益之和。因此，在这个相位期间，输入等效噪声是： 慨) v u l + 等 ( 2 7 ) 在图2 8 ( c ) 中，由t 断开且由2 导通，假设前个相位期间不需要的信号没有变化， 不需要的等效输入信号等于前一个值的负数。币2 相位期问的输入等效噪声是： k z ) - - - - - - v u l4 - 等( 2 8 ) 在整个周期内的等效输入噪声的平均值可以表示为： 第1 4 页 上海人学硕i ：论文 c m o s 霍尔传感器的设计与参数优化 仟均) ；型业2 趔= 等 ( 2 9 ) 通过斩波作用，消除了不需要的等效输入信号。因此，斩波稳定运算放大器 的等效输入噪声( 尤其是l f 噪声) 可以被大大减小。 v u e q a l ( b ) a la z ( c ) 图2 8 ( a ) 一般的斩波稳定电路；( b ) 由l 相位期间的等效电路；( c ) 由2 相位期间的 等效电路 2 2 3 斩波放大电路的具体实现 本设计中的斩波稳定运算放大器是由两个同样的运算放大器再加上一些开 关电路组成的，其结构如图2 9 所示。其中的两个闭环运放组成一个仪用放大器， 第1 5 页 上海人学顾k 论文c m o s 霍尔传感器的设计j 参数优化 实现差模输入差模输出，能较好的抑制电源干扰及其他共模干扰信号，其作用类 似于一个差分放大器，实现放大的功能，设计时放大倍数设簧为5 0 。与图2 7 所 示的由普通差分放大器构成的闭环系统相比，斩波稳定放大器中的两个运放都工 作在同相结构，其输入电阻非常大，因而对前级电路- f 言号检测器件霍尔片的 影响非常小“9 1 。在理想状态下，第一级放大器的放大倍数为： 彳们= ( r 1 + 2 r 2 ) r i ( 2 1 0 ) a v l 的值仅取决于电阻r i 、r 2 的比值。 由于仪用放大器的负载是后级的滤波电容，设计中电容c 1 和c 2 的值都取 2 p f o 图2 9 斩波稳定放大器 图2 9 中各传输门的控制时钟信号的时序如图2 1 0 所示，斩波稳定放大器的输 入信号v i l 、v i 2 分别是信号检测电路输出的o u t l 信号和o u t 2 信号。如前所述， 加到两个运算放大器同相端的霍尔电势在时钟c k i 的高、低电平时，大小相同、 极性相反，而加到两个运算放大器同相端的霍尔元件的失调电压则大小相同、极 性相同，同时斩波稳定放大器本身存在的等效失调电压v o s 也加在这两个同相输 入端，它在时钟c k l 的高、低电平时大小相同、极性相同。在最差情况时，输入 的霍尔片的失调电压极性正好和斩波稳定放大器的失调电压的极性相同。 在c k i 为高电平、c k 2 为低电平、c k 3 为低电平时，v “和v i 2 经过传输门开 第1 6 页 上海人学硕 ：论文c m o s 描尔传感器的设计与参数优化 关，即实现高频调制，再叠加上运算放大器的失调电压，经仪用放大电路放大后， 再经传输门开关，将信号解调为原来的低频信号，对电容c l 充电。设v i i v 砬， 则充电结果见图2 i i ( a ) 。 t r a n _ i n tr e 。p o 一 6o 4 ：c k 三一，al1口 三： 笛兰口口口工 三二：酋口口口 ”。 t i m e ( 8 ) 5 。 图2 1 0控制时钟的波形 ( a ) 第1 7 页 上海大学硕j ：论文 c m o s 霍尔传感器的设计与参数优化 唧c z 田 ( c ) 图2 1 1 在对应时钟控制下，斩波稳定放大器工作原理示意图 当c k 2 为高电平、c k i 为低电平、c k 3 为低电平时，v i i 和v i 2 ( 此时包含的霍 尔失调电压与c k i 为高电平、c k 2 为低电平时的霍尔失调电压大小相同、极性相 反) 经过同样的调制、解调过程，经过放大的信号对电容c 2 充电。设v i l v i 2 ，则 充电结果见图2 1 l ( b ) 。 当c k 3 为高电平、c k i 和c k 2 均为低电平时，作为调制、解调用的传输门开 关全部关闭，m 1 6 - o m 2 3 开启，由于存储在c l 、c 2 上的霍尔电势的极性相同，而 霍尔失调电压的极性相反，c 1 、c 2 进行关联，其值取平均后，加到电容c 3 上， 这样就消除了不需要的霍尔失调电压。另外，由于前述2 2 2 章节的叙述，该电路 对运算放大器本身的失调和噪声也有一定的抑制作用。设v i l v i 2 ，则充电结果 见图2 1 1 ( c ) 。 从而该电路实现了对霍尔电势的放大、对失调电压的抑制。同时由于c l 、 c 2 的存在，能有效的抑制瞬间磁场的干扰。 2 2 4 运算放大器的设计 2 2 4 1 运放设计的参数 运算放大器( 简称运放) 是模拟集成电路设计中一个非常重要、也是应用非 第1 8 页 上海人学硕l ：论文 c m o s 鞲尔传感器的设计i 参数优化 常广泛的单元模块，在我们的斩波稳定放大器中只用到一个运算放大器。在理想 状态时，运放可以看成是一个具有无穷大增益、无穷大输入阻抗和无穷小输出阻 抗的放大器。实际的运放与理想运放相比，具有很大的差别。对于采用c m o s 工 艺的运放，其输入电阻一般都非常大，可以近似看作无穷大，但其增益不可能做 成无穷大，输出电阻也不可能为零，不同运放的增益和输出电阻变化也较大。而 且在开环状态时，运放虽然具有非常高的增益，但是其增益受温度和电源变化的 影响很大，稳