毕业论文-高性能霍尔开关电路设计与验证

1、 大连东软信息学院本科毕业设计（论文）论文题目论文题目：高性能霍尔开关电路设计与验证 系 所： 电子工程系 专 业：电子信息工程（集成电路设计与系统方向） 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 导师职称： 讲师 高级工程师 完成日期： 2014年 4月 28日 大连东软信息学院Dalian 大连东软信息学院毕业设计（论文） 摘要 V高性能霍尔开关电路设计与验证摘 要高性能霍尔开关（ES3144）是基于双极半导体(Bipolar)工艺设计和生产的霍尔器件，器件内部集成了霍尔效应片、电压调节器、反向电压保护器、信号放大处理电路、施密特触发器和一个开集电极输出驱动三极管。ES3144具有较宽的工作电压

2、范围和较宽的工作温度范围，非常适合在汽车、工业电器和家电等产品中用作固态电子开关。在以下论文中主要论述是以电路分析为主，从课题的背景意义、关键技术、系统需求分析、系统设计、系统实现和系统测试这几大方面综合的理解整个电路的功能和性能，很好的诠释了高性能霍尔开关（ES3144）在产品开发和使用中的意义。论文中主要研究的是电路的组成和各部分的组成的功能意义，例如稳压、放大、增益、输出等相关内容，在逐一的介绍和理解理论知识，查找相关文献资料，确定组成部分的类型进行分析理解，再辅以实际的操作，查找并解决电路中出现的问题，进行有效的分析与验证，最后在进行电路的总体验证，以达到预期的功能和性能需求。关键词：

3、霍尔效应，霍尔传感器，固态电子开关大连东软信息学院毕业设计（论文） AbstractDesign and Verification of Unipolar Hall Effect SwitchAbstractES3144 is fabricated from Bipolar technology. It incorporates Hall effect plate, voltage regulator, reverse voltage protector, signal amplifiers, Schmitt trigger circuits, and transistor open-coll

4、ector output drivers. ES3144 has a wide working voltage range and a wide range of operating temperatures, it is very suitable for being used as solid state electrical switch in automotive, industrial electrical and electrical home appliances products.In the following paper mainly discusses on the ci

5、rcuit analysis is given priority to, from the background of the topic significance, key technologies, system requirement analysis, system design, system implementation and system test the several big aspects comprehensive understanding of the whole function and performance of the circuit, a good int

6、erpretation of the high performance hall switch (ES3144) in product development and use of significance.The thesis mainly studies the composition and the function of the composition of each part of the circuit, such as voltage, amplification, gain, output, and other related content, in one by one, t

7、he introduction of the knowledge and understanding theory, find the relevant literature, to determine the type of component analysis understanding, along with the actual operation, find and solve the problems arising from the circuit, for effective analysis and validation of the final circuit of the

8、 overall validation, in order to achieve the desired functionality and performance requirements.Key words: Hall effect, Hall Sensor, Solid electrical switch大连东软信息学院毕业设计（论文） 目录目 录 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc387736820 h IAbstract PAGEREF _Toc387736821 h II第1章绪 论 PAGEREF _Toc387736822 h 11.1 课题研究背景与意义

9、 PAGEREF _Toc387736823 h 11.1.1 霍尔传感器优点 PAGEREF _Toc387736824 h 11.1.2 产业发展应用 PAGEREF _Toc387736825 h 11.2 课题研究内容与方法 PAGEREF _Toc387736826 h 21.3 课题研究现状 PAGEREF _Toc387736827 h 2第2章关键技术介绍 PAGEREF _Toc387736828 h 32.1 关键技术一 PAGEREF _Toc387736829 h 32.1.1 双极晶体管 PAGEREF _Toc387736830 h 32.1.2 双极型三极管基本原

10、理 PAGEREF _Toc387736831 h 32.1.3 晶体管的结构 PAGEREF _Toc387736832 h 52.1.4 NPN型三极管 PAGEREF _Toc387736833 h 62.1.5 PNP型三极管 PAGEREF _Toc387736834 h 62.2 关键技术二 PAGEREF _Toc387736835 h 62.2.1霍尔效应 PAGEREF _Toc387736836 h 62.2.2霍尔电势 PAGEREF _Toc387736837 h 7第3章系统需求分析 PAGEREF _Toc387736838 h 83.1 系统设计目标 PAGERE

11、F _Toc387736839 h 83.2 系统功能需求 PAGEREF _Toc387736840 h 83.2.1 极限参数 PAGEREF _Toc387736841 h 83.2.2 电学特性 PAGEREF _Toc387736842 h 93.2.3 磁电转换特性 PAGEREF _Toc387736843 h 93.2.4 磁场特性 PAGEREF _Toc387736844 h 93.3 系统非功能需求 PAGEREF _Toc387736845 h 103.4 系统开发环境 PAGEREF _Toc387736846 h 103.5 系统可行性分析 PAGEREF _Toc

12、387736847 h 103.5.1 技术可行性 PAGEREF _Toc387736848 h 103.5.2 经济可行性 PAGEREF _Toc387736849 h 11第4章系统设计 PAGEREF _Toc387736850 h 124.1 系统设计指导原则 PAGEREF _Toc387736851 h 124.2 体系结构设计 PAGEREF _Toc387736852 h 124.3 电路详细设计 PAGEREF _Toc387736853 h 124.3.1 集成稳压器 PAGEREF _Toc387736854 h 124.3.2 平行霍尔效应元件 PAGEREF _T

13、oc387736855 h 134.3.3 恒流源电路 PAGEREF _Toc387736856 h 144.3.4 负载电路 PAGEREF _Toc387736857 h 144.3.5 偏置电路 PAGEREF _Toc387736858 h 154.3.6 差分放大输入端 PAGEREF _Toc387736859 h 164.3.7 施密特触发器 PAGEREF _Toc387736860 h 164.3.8 输出级电路 PAGEREF _Toc387736861 h 17第5章系统实现 PAGEREF _Toc387736862 h 185.1 环境配置 PAGEREF _Toc

14、387736863 h 185.2 功能模块实现 PAGEREF _Toc387736864 h 185.3 系统集成与调试 PAGEREF _Toc387736865 h 21第6章系统测试 PAGEREF _Toc387736866 h 266.1 测试概述 PAGEREF _Toc387736867 h 266.2 测试用例 PAGEREF _Toc387736868 h 266.2.1 性能测试 PAGEREF _Toc387736869 h 266.2.2 功能测试 PAGEREF _Toc387736870 h 27第7章结论 PAGEREF _Toc387736871 h 28参

15、考文献 PAGEREF _Toc387736872 h 29致 谢 PAGEREF _Toc387736873 h 30大连东软信息学院毕业设计（论文）- 第1章绪 论1.1 课题研究背景与意义21世纪，是人类全面进入信息电子化的时代，随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们更依赖于获取外界信息的采集技术，敏感元件及传感器是人类探知自然界信息的触角，它可以将人们需要探知的各种非电量信息转化为电量信息，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。如今，作为现代信息技术三大支柱之一的传感器技术，已成为21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。传感器品种繁多，原理也各式各样。自1879年美国物理学

16、家Edwin Herbert Hall发现霍尔效应以来，以此为基础的霍尔传感器已发展成一个品种多样的磁传感器产品家族，被越来越多地应用于工业控制的各个领域。而由此衍生的霍尔传感器产业也在近十几年逐渐发展壮大起来，日益生机勃勃。在我们的日常生活中已经开始普及霍尔产品的应用，学习并了解霍尔传感器的功能，我认为在微电子这门专业中是很有必要的。1.1.1 霍尔传感器优点 霍尔传感器具有许多优点，他们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾的污染或腐蚀。它的精度高、线性度好；霍尔开关传感器无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳

17、、位置重复精度高（可达m级）。其中取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围很宽，可达-55150。1.1.2 产业发展应用霍尔传感器产业发展的应用大致分为：直接应用和间接应用。前者是直接检测出受检测对象本身的磁场或磁特性，其中最具特色的当推是霍尔电流、电压类传感器/变送器，他们已成为当今电子测量领域中应用最多的传感器件之一，是测量控制电流、电压的新一代工业用电量传感器，是一种新型的高性能电气隔离检测元件，被广泛用于电力、电子、交流变频调速、逆变装置、电子测量和开关电源等诸多领域以及电焊机，发电及输电设备，电气传动，数控机床等工业产品上，它正在逐步替代互感器和分流器，并具有精度高、线性好

18、、频带宽、响应快、过载能力强和不损失测量电路能量等优点。后者是检测受检对象上人为设置的磁场，用这个磁场来作为被检测的信息的载体，通过它将许多非电、非磁的物理量例如力、力矩、压力、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等，转变成电量来进行检测和控制。其中诸如常见的在无刷电机，接近开关齿轮转速传感器，角度传感器以及微位移（压力、振动、加速度、液位）传感器等新兴产业的应用发展。1.2 课题研究内容与方法对电路进行仿真进行测试是否符合产品的电压、电流、功耗及其他的设计要求，在满足基本标准要求的情况下，进行产品的性能优化，以发挥此产品的最大性能指标。具体的方法

19、步骤如下：第一步：收集材料，数据分析并进行有关调查。收集各种文献实体资料（主要在实习单位收集参考产品说明等）和权威虚拟资料（通过互联网搜索获得）了解其他设计者的设计理念和设计思想，进一步完善该研究课题的功能；第二步：明确自己课题的研究方向，明确了解绘制版图所使用的软件，使用软件过程中所使用的快捷键，对虚拟机中的常用命令熟练掌握，提前熟悉版图中常用的工艺尺寸，节省因工艺尺寸错误而修改版图的时间；研究方法：1.文献查阅：通过文本书籍或者网络查阅来获得更全面的知识覆盖面，完成目前所研究的课题内容；2.书籍知识的积累：在原有校内学到的知识基础上，加深对集成电路设计的了解，广泛的接触各种集成电路版图设计

20、工艺；3.院外指导老师的指导：在院外指导老师的指导下，解决没有通过文献查阅解决的问题并且获得更多的技术指导和绘图技巧。1.3 课题研究现状国际上的霍尔传感器产业发展以其智能化、集成化见长，它们正在逐渐的进入我国的市场，实际上在很多集成化领域，已随处可见它们的身影。这些大公司的产品具有很大的竞争实力，对国内的霍尔传感器厂家来说无疑是一种强力冲击。国内的霍尔传感器产业要想立于不败之地，除了要更加深入学习国外的先进技术外，更多的是应该学习人家的管理水平，这才是国内各传感器厂家的常见弊症所在。在霍尔传感器产业飞速发展的同时，也给霍尔传感器自身的发展提出了急迫需求。发展和应用得比较成熟的一些霍尔传感器，

21、已经在长期使用中逐步显现出自身存在的某些局限。为了充分发挥各自的优势，突破限制，拓展发展空间，必须开发新材料，发现新效应，发明新产品，将霍尔传感器产业推向新的发展高峰，这是我们当前的首要任务，也是时代给予我们的历史使命！大连东软信息学院毕业设计（论文）第2章关键技术介绍2.1 关键技术一2.1.1 双极晶体管双极性晶体管（Bipolar transistor），全称双极性结型晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT），俗称三极管，是一种具有三个终端的电子器件。双极性晶体管是电子学历史上具有革命意义的一项发明，其发明者威廉肖克利、约翰巴丁和沃尔特布拉顿被授予了19

22、56年的诺贝尔物理学奖。这种晶体管的工作，同时涉及电子和空穴两种载流子的流动，因此它被称为双极性的，所以也称双极性载流子晶体管。这种工作方式与诸如场效应管的单极性晶体管不同，后者的工作方式仅涉及单一种类载流子的漂移作用。两种不同掺杂物聚集区域之间的边界由PN结形成。双极性晶体管由三部分掺杂程度不同的半导体制成，晶体管中的电荷流动主要是由于载流子在PN结处的扩散作用和漂移运动。以NPN晶体管为例，按照设计，高掺杂的发射极区域的电子，通过扩散作用运动到基极。在基极区域，空穴为多数载流子，而电子为少数载流子。由于基极区域很薄，这些电子又通过漂移运动到达集电极，从而形成集电极电流，因此双极性晶体管被归

23、到少数载流子设备。双极性晶体管能够放大信号，并且具有较好的功率控制、高速工作以及耐久能力，所以它常被用来构成放大器电路，或驱动扬声器、电动机等设备，并被广泛地应用于航空航天工程、医疗器械和机器人等应用产品中。2.1.2 双极型三极管基本原理双极集成电路中的基本器件是NPN管，但在模拟电路中一般也需要PNP管，如运算放大器的输入级和输出级的有源负载都要使用PNP管。因为集成电路的工艺大部分是针对大量应用的NPN晶体管设计的，因此,在一般的情况下，PNP管都是在与NPN管制造工艺兼容的情况下制造的。虽然PNP管的单管性能不如NPN管，但在集成电路中，因为使用了PNP管，而使得电路性能得到了改善。图

24、2.1 三极管内部电荷运动图2.1中左边的蓝色区域为发射极，中间绿色区域为基极，右边蓝色区域为集电极。灰色的箭头为电子的流动方向示意，发射极注入的大部分电子移动到了集电极，少部分在基极与空穴复合。白色箭头为基极的多数载流子空穴的流动方向示意。NPN型双极性晶体管处于正向放大区的条件是：在发射结上具有正向偏置，而集电结具有反向偏置。NPN型双极性晶体管可以视为共用阳极的两个二极管接合在一起。在双极性晶体管的正常工作状态下，基极-发射极结（称这个PN结为“发射结”）处于正向偏置状态，而基极-集电极（称这个PN结为“集电结”）则处于反向偏置状态。在没有外加电压时，发射结N区的电子（这一区域的多数载流

25、子）浓度大于P区的电子浓度，部分电子将扩散到P区。同理，P区的部分空穴也将扩散到N区。这样，发射结上将形成一个空间电荷区（也称为耗尽层），产生一个内在的电场，其方向由N区指向P区，这个电场将阻碍上述扩散过程的进一步发生，从而达成动态平衡。这时，如果把一个正向电压施加在发射结上，上述载流子扩散运动和耗尽层中内在电场之间的动态平衡将被打破，这样会使热激发电子注入基极区域。在NPN型晶体管里，基区为P型掺杂，这里空穴为多数掺杂物质，因此在这区域电子被称为“少数载流子”。从发射极被注入到基极区域的电子，一方面与这里的多数载流子空穴发生复合，另一方面，由于基极区域掺杂程度低、物理尺寸薄，并且集电结处于反

26、向偏置状态，大部分电子将通过漂移运动抵达集电极区域，形成集电极电流。为了尽量缓解电子在到达集电结之前发生的复合，晶体管的基极区域必须制造得足够薄，以至于载流子扩散所需的时间短于半导体少数载流子的寿命，同时，基极的厚度必须远小于电子的扩散长度（diffusion length，参见菲克定律）。在现代的双极性晶体管中，基极区域厚度的典型值为十分之几微米。需要注意的是，集电极、发射极虽然都是N型掺杂，但是二者掺杂程度、物理属性并不相同，因此必须将双极性晶体管与两个相反方向二极管串联在一起的形式区分开来。2.1.3 晶体管的结构一个双极性晶体管由三个不同的掺杂半导体区域组成，它们分别是发射极区域、基极

27、区域和集电极区域。这些区域在NPN型晶体管中分别是N型、P型和N型半导体，而在PNP型晶体管中则分别是P型、N型和P型半导体。每一个半导体区域都有一个引脚端接出，通常用字母E、B和C来表示发射极（Emitter）、基极（Base）和集电极（Collector）。图2.2 NPN型双极性晶体管的截面简图基极的物理位置在发射极和集电极之间，它由轻掺杂、高电阻率的材料制成。集电极包围着基极区域，由于集电结反向偏置，电子很难从这里被注入到基极区域，这样就造成共基极电流增益约等于1，而共射极电流增益取得较大的数值。从右边这个典型NPN型双极性晶体管的截面简图可以看出，集电结的面积大于发射结。此外，发射极

28、具有相当高的掺杂浓度。在通常情况下，双极性晶体管的几个区域在物理性质、几何尺寸上并不对称。假设连接在电路中的晶体管位于正向放大区，如果此时将晶体管集电极和发射极在电路中的连接互换，将使晶体管离开正向放大区，进入反向工作区。晶体管的内部结构决定了它适合在正向放大区工作，所以反向工作区的共基极电流增益和共射极电流增益比晶体管位于正向放大区时小得多。这种功能上的不对称，根本上是缘于发射极和集电极的掺杂程度不同。因此，在NPN型晶体管中，尽管集电极和发射极都为N型掺杂，但是二者的电学性质和功能完全不能互换。发射极区域的掺杂程度最高，集电极区域次之，基极区域掺杂程度最低。此外，三个区域的物理尺度也有所不

29、同，其中基极区域很薄，并且集电极面积大于发射极面积。由于双极性晶体管具有这样的物质结构，因此可以为集电结提供一个反向偏置，不过这样做的前提是这个反向偏置不能过大，以致于晶体管损坏。对发射极进行重掺杂的目的是为了增加发射极电子注入到基极区域的效率，从而实现尽量高的电流增益。2.1.4 NPN型三极管图2.3 NPN型双极性晶体管的符号（注意图中的箭头指向外侧）NPN型晶体管是两种类型双极性晶体管的其中一种，由两层N型掺杂区域和介于二者之间的一层P型掺杂半导体（基极）组成。输入到基极的微小电流将被放大，产生较大的集电极-发射极电流。当NPN型晶体管基极电压高于发射极电压，并且集电极电压高于基极电压

30、，则晶体管处于正向放大状态。在这一状态中，晶体管集电极和发射极之间存在电流。被放大的电流，是发射极注入到基极区域的电子（在基极区域为少数载流子），在电场的推动下漂移到集电极的结果。由于电子迁移率比空穴迁移率更高，因此现在使用的大多数双极性晶体管为NPN型。2.1.5 PNP型三极管图2.4 PNP型双极性晶体管的符号（注意图中的箭头指向内侧）双极性晶体管的另一种类型为PNP型，由两层P型掺杂区域和介于二者之间的一层N型掺杂半导体组成。流经基极的微小电流可以在发射极端得到放大。也就是说，当PNP型晶体管的基极电压低于发射极时，集电极电压低于基极，晶体管处于正向放大区。 2.2 关键技术二 2.2

31、.1霍尔效应图2.5 霍尔效应原理若将金属或半导体薄片垂直于磁感应强度为B的磁场（磁场方向为z方向）中，如图2.5所示，当垂直磁场方向上有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场（EH）。这种物理现象成为霍尔效应。 2.2.2霍尔电势若薄片为N型半导体，电流I（称为控制电流）自左向右，那么半导体中的多数载流子电子将沿着与电流I相反的方向运动（速度为），外磁场B使电子受到磁场力FL（洛伦兹力）的作用而发生偏转（如图中虚线所示），结果在半导体的后端面上电子有所积累带负电，而前端面上缺少电子带正电，因此在前后面间形成电场，积累越多，此电场越强。该电场产生的电场力FE会阻止形成电流的其它电子继

32、续偏转而积累；当FL与FE相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后两段之间（即垂直于电流和磁场的方向）存在的电场就称为霍尔电厂EH，相应的电势称为霍尔电势UH。第3章系统需求分析3.1 系统设计目标此高性能霍尔开关（注：此课题为公司实体项目，产品代号ES3144，下文中出现本课题名均用代号表示）的设计受众面非常广，在各种电器类商品领域均可使用到，尤其是测量类的电子器件上有用非常频繁，现今的科技发展速度很快，更新换代的速度变得更加迅速以适应现在的发展状态，所以在设计的时候考虑的各种因素就比较多，不仅要在现今产品上使用，同时也要在以后的发展更新中留有一定的技术空间以求保证产品的再开发利用。

33、想要成功的设计出有效的电路来保证芯片能够正常的表现出其性能和功能，我们必须满足以下各表图的参数条件。3.2 系统功能需求根据需求调研结果确定本系统主要包括以下功能模块，如表3.1。表3.1 功能模块功能编号功能名称功能描述1电压调节器在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时保持输出电压稳定2信号放大处理电路即运算放大部分，对信号进行处理放大3霍尔效应片将被测量（如电流、磁场、位移及压力等）转换成电动势4施密特触发器是对波形进行整形的整形电路5开集电极输出驱动三极管对信号进行输出3.2.1 极限参数芯片超过极限参数，可能会造成永久性伤害。长时间处于极限条件下可能影响器件的可靠性。为保障器

34、件正常工作，不得超过极限参数，如表3.2。表3.2 极限参数Supply Voltage, VDD （电源电压）24VReverse Voltage, VDD （反向电压）-24VOutput Voltage, Vout （输出电压）30VOutput Current, Iout （输出电流）25mAMagnetic Flux Density，B （磁感应强度）No limitOperating Temperature Range, TA （工作温度范围）-40 to +150 Storage Temperature, Ts （储存温度）-65 to +Maximum Junction Tem

35、perature., Tj （最高接面温度）+150 Lead Temperature（Solding, 5 sec） （焊接温度）+250 Package Power Dissipation, Pd （功耗）TO-92S （直插型）550 mWSOT23-3L（贴片型）230 mW3.2.2 电学特性芯片想要正常工作并表现出应有的性能，则必须满足一系列的电学特性，如表3.3。表3.3 电学特性DC Operating Parameters: TA = 25, VDD = 12VDC (unless otherwise specified).参数符号测试条件最小值典型值最大值单位工作电压VDD

36、Operating 3.5 24 V 工作电流IDDBBOP 0.3 0.5 V 输出漏电流IOFFBBRP, VOUT = 20V 0.01 10.0 A 输出上升时间trVDD = 12V, RL = 1.1K O, CL = 20pf 0.04s输出下降时间tfVDD = 12V, RL = 1.1K O, CL = 20pf 0.1870.0s3.2.3 磁电转换特性磁电转换是保证信号输入的重要环节，被测量通过霍尔板被转换成电动势信号，为整个电路提供信号的输入，如图3.1就是磁电转换图。图3.1 磁电转换图3.2.4 磁场特性 表3.4 磁场特性参数符号（测试条件）最小值典型值最大值单

37、位工作点BOP（Ta=25A5070GsB70100C100150释放点BRP（Ta=25A2040GsB4070C70120磁滞BHY（Ta=2535Gs在整个霍尔效应中，由工作点、释放点和磁滞构成整个磁场循环，我们称它为磁滞回线，是保证霍尔器件能否正常工作的重要指标，如表3.4即为磁场的特性。3.3 系统非功能需求 （1）性能1、内带反向电压保护；2、快速上电工作；3、内部温度补偿；4、工作温度范围：-40到1505、宽工作电压：+3.8V到24V；6、超小无铅封装。 （2）成本工作电路并不复杂，耗费人力少，易于修改各类参数满足客户要求，产品适用范围较广，相对制造成本较其他同类产品相比低廉

38、，耐用。3.4 系统开发环境 软件环境：Debian.GNU/Linux,Linux 5.2.0-4-686-pae/Cadence 00.5.983.5 系统可行性分析3.5.1 技术可行性本课题是以Linux系统为基础，使用EDA工具Cadence开发研究，其Symbol数据库采用Cadence其下的Analoglib直接使用，Layout则为自己组建单一模块，最后进行调用整合连接绘制完整；EDA工具Cadence使用及操作十分简单，易上手，数据库类型齐全，数据模型调用方便，DRC，LVS，仿真一体流水式，大大降低工作量和难度。现今霍尔片与常规电路连接方式已经普及，可以用多种方式连接使用，

39、并且使芯片的面积最小化，本论文设计并验证的为霍尔传感器重的开关型。当霍尔器件所在位置的磁场还没有达到工作点之前，器件为高电平输出，当磁场继续增大到工作点（!op）时，霍尔片输出的电压经过差分放大器的信号处理放大后，被送到施密特触发器中，使它翻转导通，即门电路输出端由高电平变为低电平，我们称此为“开”状态.反之，当磁场减小至释放点（!rp）的时候，门电路输出端截止，则由低电平变为高电平，称为“关”状态。在与放大器结合后，经过信号的放大处理完全可以输出所需要的信号，并且根据霍尔效应的原理可以将多种测量值进行处理放大以达到所需的目标。随着稀土永磁体材料的出现和集成电路制造工艺及设计工具的迅速发展，硅

40、型霍尔传感器开始得到广泛应用和发展。相比过去的接触式传感器，霍尔传感器具有低成本、宽工作温度范围、高灵敏度、耐机械应力和耐久性强等特点，并且还能适应于恶劣的工作环境。特别是采用新一代技术制造的霍尔传感器，其产品性能得到很大程度的改进和提高。3.5.2 经济可行性对于目前的电子产品的经济体系来看，我们生活中的大部分物品都被电子产品所代替，更加方便和快捷，而ES3144作为一款高性能的霍尔传感器，使用它的电子产品逐年增多，适应能力强，体积小，重量轻，成本低，收益高都成为它普及的种种优势，在这个以电子信息通讯为主的高科技时代，虽然相对的在所有电子产品的使用中，它的适用范围还不是非常的普及，但是以现在

41、的科技发展速度我想在以后的电子产品生产中用到的会越来越多。而在专业领域中量子霍尔效应和等离子霍尔效应的发现加速了这一产业的发展，成为其扩大电子产品多样化的又一助力。第4章系统设计4.1 系统设计指导原则本课题中霍尔元件和其他常规的电路结合不需要复杂的电路连接，直接以霍尔元件的功能可以把被测非电量向的电量参数进行转化使其直接成为整个电路的输入端，同时平行霍尔效应使灵敏度更高，四霍尔效应片的设计有效的减小了误差，使补偿电路更加简洁，整个芯片的面积更小，性能效果更佳。 4.2 体系结构设计系统体系架构如图4.1所示。VoltageVoltageRegulatorHall PlateAmpVDD 电源

42、 GND 地Output 输出稳压调节器霍尔效应片信号放大处理电路波形整形开集电极输出驱动三极管图4.1 系统体系结构4.3 电路详细设计4.3.1 集成稳压器集成稳压器也叫电压调整器，它能使输入电压V1或输出电流I0在一定范围内变化时，保持输出V0不变。它被广泛用于各类电子设备中，用来取代分立器件组成的稳压电源。由于它的使用便捷、体积较小、各项性能良好、可靠性高并且成本低，因此发展较快，成为模拟集成电路中的一种非常重要产品。目前有两种稳压器，一种是开关式稳压器，另一种是串联式稳压器。串联式稳压器是对输出电压的变化进行采样，经与基准电压比较放大后，控制串联在输入电压与输出电压之间的功率晶体管（

43、调整元件），调节调整管两端的电压，可以使输出电压稳定，调整管工作在线性区。开关式稳压器则是将输出信号采样后，再经过变换，去控制负载串联或并联的开关的导通与截止，然后利用电感的储能元件，将脉冲式电流转换成为负载中连续的稳定电流。开关式稳压源比串联式稳压器的工作效率较高，输出电压的变化范围广，但其电路复杂，而且需要外接电感或变压器，因而使用受到限制。所以在本课题中所使用的就是串联式集成稳压器。 图4.2 串联式集成稳压器框图串联式集成稳压器主要由基准电压源、误差放大器和调整原件三部分组成，如图所4.2示。此外，还有启动电路、保护电路（过流、过热、安全工作区保护等）及偏置电路。当输入电压V1或输出电

44、流I0变化时，通过取样电阻给误差放大器的反相输入端一个反馈信号，再与基准电压VREF比较，并经过放大后，去控制调整元件，则它工作点作会有一定的变化，从而使输出电压V0保持不变。4.3.2 平行霍尔效应元件 图4.3 平行霍尔效应示意图本设计是采用标准双极（Bipolar）工艺制成的霍尔元件，由于电流在外延层内平行于芯片表面流动，因此又称为平行霍尔元件。它在P型硅芯片上分别外延生长出平行于芯片表面的2个n型电流和霍尔电极，芯片垂直于磁场R。当外延层内的主电流通过芯片表面时，它的灵敏度与垂直于它的磁场相关。同时，外延层的杂质密度与厚度相关。这种霍尔元件的特点是灵敏度较高，一般为300V/AT，且与

45、双极集成电路兼容，因此广泛用于霍尔集成电路中。4.3.3 恒流源电路 恒流源电路被广泛用作偏置电路和有源负载。其基本形式为镜像电流源电路，为了简化制造工艺，提高恒流源性能以及适应不同的要求，出现了多种电路形式。恒流源是输出电流保持恒定的电流源，而理想状态下恒流源应该具备以下特点：(1)不会因为负载（输出电压）变化而变化；(2)不会因为环境温度影响而变化；(3)内阻会为无限大（以便使电流可以全部流出到外面）；能够提供恒定电流的电路，则被称为恒流源电路，又被叫做电流镜电路。在本设计中最主要使用的为PNP恒流源。在双极型模拟集成电路中，一般选用NPN管作为电路的放大器件，因此需要互补的PNP管作为有

46、源负载，用来增加电路的增益效果，所以越来越多的电路中使用PNP恒流源，在双极型模拟电路中应用极广。各种类型的NPN恒流源都可以转化为PNP恒流源，只要以PNP管代替NPN管，随即改变电源的接法和电流的方向。如图4.4所示的就是PNP基本型恒流源及其改进型电路。 图4.4 pnp恒流源电路4.3.4 负载电路在本设计中，电路中最常用的是有源负载，是一种主动式负载，能够表现出稳流非线性电阻特性，它可以是电路设计中的元件，也可以一类测试设备。在电路设计中，有源负载是一种由有源器件组成的电路元件。晶体管等有源器件对小信号产生高阻性，但不需要很大的直流电压降，这种特性类似于阻值很大的电阻。这类交流负载阻

47、抗某类放大器的交流增益。有源负载常为电流镜的输出部分，并可以理想化的方式表示成电流源。有源负载仅是恒流电阻，仅为整个电流源的一部分，因为电流源也包括恒压源。在集成电路中，为了减小芯片面积和减少补偿元件，希望单级有足够高的电压增益，以减少放大器增益的级数。经过多重的分析，采用有源负载的放大器有如下的优点：(1)有源负载的交流阻抗很大，所以使每级放大器的电压争议提高，因而可以减少放大器的级数，简化频率补偿。(2)有源负载的直流电阻很小，所以为获得高的电压增益不需要很高的电源电压，因而有源负载放大器可以再低压、小电流下工作；而且因为电源电压及电流的下降，可使输入电流下降，也即提高了输入阻抗。(3)采

48、用有源负载差分输入极，可不需要额外元件即可实现“单端化”。4.3.5 偏置电路晶体管构成的放大器要做到不失真地将信号电压放大，就必须保证晶体管的发射结正偏、集电结反偏。即应该设置它的工作点。所谓工作点就是通过外部电路的设置使晶体管的基极、发射极和集电极的设置使晶体管的基极、发射极和集电极处于所要求的电位（可根据计算获得）。这些外部电路成为偏置电路。首先就偏置电路的作用来说，我们以常用的共射放大电路举例，主流是从发射极到集电极的Ic，偏流就是从发射极到基极的Ib。相对与主电路而言，为基极提供电流的电路就是所谓的偏置电路。偏置电路往往有若干元件，其中有一重要电阻，往往要调整阻值，以使集电极电流在设

49、计规范内。这要调整的电阻就是偏置电阻。其次对于静态工作点，不仅关系到放大电路对输入信号能否不失真地放大，还对放大电路的性能指标有重大影响，因此，应该选择合适的、稳定的静态工作点。这可以通过稳定偏置电路或电流源电路来实现。如图4.5所示的电路是广泛采用的一种电流负反馈式偏置电路。下面来分析一下该电路。图4.5 反馈式偏置电路(1)电路组成Rb1、Rb2和Re组成放大电路的偏置电路，其中Rb1为上偏置电阻，提供基极偏流，IBQ，Rb2为下偏置电阻，对流经Rb1的电流起分流作用，Re为发射极电阻，起电流负反馈作用，Ce为发射极交流旁路电容。(2)稳定静态工作点原理当温度上升时，由于三极管参数(ICB

50、O、)的影响，使ICQ增大，发射极电位VEQ=IEQRe亦随之增大，又因为极基电位VBQ为固定值，必然导致加到发射结的正偏电压VBEQ减小，IBQ随之减小，促使ICQ减小。这样就牵制了ICQ的增大，从而使ICQ基本不随温度变化，稳定了静态工作点。这种自动调节过程为直流电流负反馈。Re越大，直流负反馈的作用就越强，ICQ温度稳定性也就越好。4.3.6 差分放大输入端运算放大器的输入级是运放中最重要的组成部分，运放中的大部分重要性能参数，如输入失调电压、输入阻抗、输入电压范围、失调电流、共模抑制比等都是有输入级决定的。在一般情况下，运算放大器的输入级都采用匹配性能较好，输入失调和温度漂移非常小的射

51、极耦合对（简称射耦对）差分放大电路。它的输入阻抗高，输入失调小。漂移小，并且制作工艺简单。用集成化的办法可把差分输入级做得非常对称，两个差分输入端做得非常接近，使外界感应到两输入端的干扰的干扰信号是幅度相等、相位相同层的共模信号，而对称的差分放大级对巩膜干扰信号有很强的抑制能力，所以差分输入级的抗干扰能力较强。图4.6 差分放大输入级4.3.7 施密特触发器施密特触发器是一种脉冲型整形电路，电路中变化缓慢的信号或是变化不规则的信号都可以转换为陡变信号，理想中的施密特触发器传输曲线如图4.7（a）所示，这种曲线非常相似磁滞回线，其特性中两个最重要参数是前沿触发电压V+和后沿触发电压V-。前沿触发

52、电压V+是输入电压增加过程中引起电路翻转动作的触发电压，后沿触发电压V-是输入电压减小过程中引起电路翻转动作的触发电压。由于V-V+,所以施密特触发器可以作为一种特殊的门限开关。具有反向性质的施密特触发器其逻辑符号如图4.7（b）所示。图4.7 施密特触发器原理及符号施密特触发器的波形整形原理可以由图最终得到说明。在tt1时，不规则或受到干扰的输入脉冲缓慢增加，但在ViV+这段时间内，施密特触发器不动作，仍保持其高电平输出VOH。在t=t1时刻，输入电压等于前沿触发电压V+，导致施密特触发器翻转输出电平VOL。翻转至高电平VOH。图4.8 施密特触发器状态工作图4.3.8 输出级电路输出级必须

53、能向负载输出一定的功率，模拟集成电路对输出级的要求主要是：(1)输出电压或输出电流幅度大，能向负载输出规定数量的功率，而且静态功耗小；(2)输入阻抗高、输出阻抗小，在前级放大器和外界负载间进行隔离；(3)能满足频率响应的要求；(4)具有过载和短路保护；大连东软信息学院毕业设计（论文）第5章系统实现5.1 环境配置软件环境：Debian.GNU/Linux,Linux 5.2.0-4-686-pae/Cadence 00.5.98实现系统的主要方法利用Cadence下的版图和电路绘制、校对和仿真功能，对电路和版图进行分析验证，以保证系统的功能实现。5.2 功能模块实现（1）模块一实现（稳压）图5

54、.1 稳压调节器如图5.1所示，为稳压调节器部分，是一个串联式集成稳压器，其内部主要有启动和过热保护电路，基准源和误差放大器电路，取样电阻和调整管组成；启动电路给稳压器中的恒流源电路建立起始工作点，以及对稳压器进行输入过压保护并消去输入电压中的波纹，由于集成稳压器是功率集成电路，消耗的功率较大，芯片的温度较高。为了使他长期工作于高温下而并不至于损坏，必须在稳压器中设置过热保护电路。对于双极及集成电路，硅片上的结温不能超过+200，在大部分双极型集成电路的设计中，最高工作温度稳定在+100170。为了确保这一点，可以设计一个过热保护电路，当硅片的温度超过了允许值时，过热保护电路自动将功率电路切断

55、，直至温度下降到安全区。 当输入电压或输出电流变化时，通过取样电阻给误差放大器的反相输入端输入一个反馈信号，在与基准电压进行比较，并经过放大后，去控制调整元件的工作点作一定的变化，从而使输出电压保持不变。由以上分析可见，可将它看成为一个负反馈式放大器，由误差放大器、调整元件构成基本放大器，未调节的输入电压为供电电源电压，基准电压源供给的基准电压为输入信号，稳定的输出电压为输出信号，取样电阻为反馈网络。在此部分中值得一提的是还有着一个以NPN为原型改造的旁路电容，作用是滤除杂波。即有以上部分组成了一个完整的集成稳压器。（2）模块二实现（霍尔效应片输入）图5.2 霍尔效应片输出端本课题中以霍尔效应

56、片作为输入信号的提供者，霍尔效应片能把大部分的被测量转换（位移、电压、磁力等）为电信号，使整个电路的关键点成立；即主要使用的是电阻负载式射耦对差分输入级，图5.2为电阻负载式射耦对差分输入级的电路图，此电路的优点是电路简单、所用元件少，因而对称性好、制作容易。缺点是电压增益小，因为是电阻负载，所以单端化和电平位移电路复杂，输入最大共模电压VICM范围小。（3）模块三实现（信号放大处理）图5.3 运算放大器运算放大器的设计相对比较复杂，如图5.3所示，内部电路种类较多，差分放大对，此电路主要是以电阻和PNP型恒流源作为负载，放大由输入级过来的信号并有效的减小零点漂移。由于不加偏置电路，信号只有一

57、个半周在基极中产生电流，而且这个半周的一部分会小于三极管的阀值电压，因此三极管只能放大这个信号的不足一个半周。想要放大整个信号周期就需要加偏置电路，本课题中主要是下偏电流较多，所以以放大作用为主的三极管组合偏置电路使整个三极管的工作更加稳定。此运算放大器分为两级运行，即一级放大部分和二级放大部分，作用就是使整个电路的信号放大的倍数更大，三极管更加稳定，再加上施密特触发器在二级放大部分后对整个即将输出的信号进行整形，滤除杂波，使输出更加稳定。（5）模块五实现（输出）图5.4 开集电极输出驱动三极管在本设计电路中，如图5.4所示输出部分组成为驱动电路和一个三极管进行输出，驱动电路为固定的负载提供提

58、供相对应的电流电压功率等环境，其实质就是一个功率放大器，从而满足负载的额定功率使得负载可以正常工作，从而相应微弱的信号，这样的设计使输出的结果更为稳定，让整个电路对各种环境下的使用都有所响应。5.3 系统集成与调试（1）电路图5.5 电路图如图5.5所示，将集成稳压器，运算放大部分和输出部分进行相连，整个电路就完成了，进行保存后进行电路之间的节点查错，查找节点是否有漏或交错的问题，下一步就是对照版图进行查错。（2）版图图5.6 版图如图5.6所示，整个版图的绘制主要是使用Cadence来完成的，使用的是0.4m工艺，初步进行单一器件的layout建立，完成后根据所给出的布局图进行布局，调用器件

59、的Layout进行布局组合，最后搭建金属层，完成版图。（3）DRCDRC为版图设计规则检查，具体流程为open-layout-Verify-DRC，检查出错误后，根据下方提示修改版图尺寸。图5.7 DRC程序并成功运行（4）LVS如图5.8所示，LVS前先要经过Extract，即版图中的电路提取，其中PNP和电阻需要用特殊的标识层来表示，在进行Extract后即可表示出来。Extract后会出现版图上的细节错误，类似DRC校验，根据工具栏里的错误内容修改版图。无错误后方可进行LVS。图5.9就是Extract的执行程序已经成功通过。图5.8 Extract后的版图图5.9 Extracted改

60、错后的结果如图5.10所示，由于版图中某新部分会出现无用的器件，在版图中也许充当着备用的作用或让版图的布局更佳均匀，这些器件在电路中并无实际意义，所以在进行LVS的电路图中可以进行删减，部分器件在extract中无法提取出来，也可在LVS的电路图中进行删减，最后进行版图电路与电路图的对比，进行错误的查找。图5.10 用于LVS的电路在LVS后的错误查找中一共出现了43处错误，大部分原因为连接问题，其他一些为版图中缺失某些特殊的图层，最后一些则为“假错”，即规则内部设定上的错误，对以后的芯片流片生产并无大碍。如图5.11，即为LVS执行程序已经成功通过。图5.11 LVS执行进程（5）仿真如图5