毕业论文-基于双极工艺的单线圈马达驱动电路版图设计与实现

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：基于双极工艺的单线圈马达驱动电路 版图设计与实现系 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 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 IV基于双极工艺的单线圈马达驱动电路版图设计与实现摘 要随着科学的发展和技术的进步，霍尔传感器已逐渐取得广泛应用。霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，也被称作霍尔效应（Hall effect）传感器，是一个换能器。霍尔效应是磁电效应的一种，它将变化的磁场

2、转化为输出电压的变化。这是霍尔（A. H. Hall，18551938）于1879年在研究金属的导电机构时发现的这一现象。后来发现半导体以及导电流体等都有这种现象，而半导体的霍尔效应要强于金属的霍尔效应，且半导体霍尔效应更强大。利用霍尔效应制成各种霍尔元器件，并在工业信息处理方面、检测技术方面和自动化技术等方面广泛地应用。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法，通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，可以判断半导体材料的导电类型和载流子浓度以及载流子迁移率等重要参数。由于霍尔传感器的种类不是单一的一种且用途广泛，所以在医疗、机械、检测等方面随处可见。霍尔效应传感器通常被用于计量车轮和车轴的速度、旋转计

3、数等应用方面上。其被应用在无刷直流电动机时，是被用来检测永磁铁的位置。所以霍尔传感器的应用愈发显得重要，也是集成电路长期以来研究的焦点之一。本文主要论述了霍尔传感器集成电路的设计与验证。包括开关型霍尔传感器的电路设计及电路分析，介绍开关型霍尔传感器的组成部分：集成稳压器、差分放大器、施密特触发器等。关键词：霍尔传感器，霍尔效应，集成电路版图 大连东软信息学院毕业设计（论文） AbstractThe Layout Design and Implementation of One Coil Motor Drive Circuit Based on Bipolar Technology Abstra

4、ctWith the development of science and technology progress, hall sensor has been widely used. Hall sensor is one of the based on Hall effect production of a magnetic field sensor, also known as the Hall effect sensors, is one kind of transducer. Hall effect is one kind of the magneto electric effect,

5、 it take the changing magnetic field trans into output voltage. This is A. H. Hall found this phenomenon in the research on the conductive mechanism of metal in 1879. Then found out that semiconductor, conductive fluid also has this effect. But semiconductor hall effect better than metal hall effect

6、, use of this phenomenon can made of every kinds of hall element, they widely used in industrial information processing, testing technology and automation technology etc. Hall Effect is the basic method of research semiconductor material performance. Through Hall Effect experiment measuring hall coe

7、fficient, can judge semiconductor material conduction type, carrier concentration and carrier mobility and other important parameters.Because the kinds of hall sensor is not a single and it have abroad purpose, so we can found it everywhere in medical treatment, machinery detection etc. Hall Effect

8、sensors are used for measuring the speed of the wheel and the speed of the axle, rotating counter and other applications. When it applied in brushless dc motor, can be used to detect the location of the permanent magnets. So hall sensor has become more and more important, it is also one of the integ

9、rated circuit research focus for a long time.This essay main discusses the hall sensor integrated circuits design and verification. Including switch type hall sensors circuit design and circuit analysis, introduces the switch type hall sensors components: integrated voltage regulator, differential a

10、mplifier, Schmitt trigger etc.Key words: Hall Sensors, Hall Effect, Integrated Circuit Layout 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 _Toc385885329 h IAbstract PAGEREF _Toc385885330 h II第1章绪 论 PAGEREF _Toc385885331 h 11.1 课题研究背景与意义 PAGEREF _Toc385885332 h 11.1.1 研究步骤 PAGEREF _Toc385885333 h 1

11、1.1.2 研究方式 PAGEREF _Toc385885334 h 11.1.3 研究设想 PAGEREF _Toc385885335 h 21.2 课题研究内容与方法 PAGEREF _Toc385885336 h 21.3 课题研究现状 PAGEREF _Toc385885337 h 2第2章关键技术介绍 PAGEREF _Toc385885338 h 32.1 关键技术一 PAGEREF _Toc385885339 h 32.2 关键技术二 PAGEREF _Toc385885340 h 5第3章系统需求分析 PAGEREF _Toc385885341 h 103.1 系统设计目标 P

12、AGEREF _Toc385885342 h 103.2 系统功能需求 PAGEREF _Toc385885343 h 103.3 系统非功能需求 PAGEREF _Toc385885344 h 113.4 系统开发环境 PAGEREF _Toc385885345 h 123.5 系统可行性分析 PAGEREF _Toc385885346 h 123.5.1 技术可行性 PAGEREF _Toc385885347 h 123.5.2 经济可行性 PAGEREF _Toc385885348 h 12第4章系统设计 PAGEREF _Toc385885349 h 134.1 系统设计指导原则 PA

13、GEREF _Toc385885350 h 134.2 体系结构设计 PAGEREF _Toc385885351 h 134.3 电路功能设计 PAGEREF _Toc385885352 h 144.4 电路详细设计 PAGEREF _Toc385885353 h 144.4.1 集成稳压器 PAGEREF _Toc385885354 h 144.4.2 射耦对差分输入级 PAGEREF _Toc385885355 h 154.4.3 放大电路 PAGEREF _Toc385885356 h 164.4.4 输出级 PAGEREF _Toc385885357 h 18第5章电路实现 PAGER

14、EF _Toc385885358 h 195.1环境配置 PAGEREF _Toc385885359 h 195.2电路功能实现 PAGEREF _Toc385885360 h 195.3电路仿真 PAGEREF _Toc385885361 h 23第6章版图实现 PAGEREF _Toc385885362 h 266.1环境配置 PAGEREF _Toc385885363 h 266.2 版图设计 PAGEREF _Toc385885364 h 276.3 版图验证 PAGEREF _Toc385885365 h 296.3.1 验证方案 PAGEREF _Toc385885366 h 29

15、6.3.2 验证结果 PAGEREF _Toc385885367 h 31第7章结论 PAGEREF _Toc385885368 h 33参考文献 PAGEREF _Toc385885369 h 34致 谢 PAGEREF _Toc385885370 h 35附录 PAGEREF _Toc385885371 h 36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随着科学的发展和技术的进步，霍尔传感器已逐渐取得广泛应用。并且霍尔传感器已经与我们的生活息息相关，不论小到儿童玩具还是大到医疗设备、科研设备，都需要小小体积的霍尔传感器担当内部的成员，它的重要性不容忽视。因此

16、不同种类的霍尔传感器也不断地涌现。由于客户需求的提高和科技的发展，这就必然要求我们对霍尔传感器的研究和技术上的支持要能够不断适应新需求的变化，为业务发展的需要提供有效的帮助和支持。该课题为院外企业的指导项目，也是实际存在的项目。该课题是为了寻求采用桥式输出结构的一款风扇的驱动电路，使其可以应用在直流无刷电机和直流无刷风扇中，得到更大的性能改善。整个项目可以在指导老师的指导下，由个人独立完成。通过完成此次项目，从过程中对霍尔元件、集成电路的设计、双极工艺的工艺流程以及版图绘制的技巧有更加深刻的了解及认识。1.1.1 研究步骤第一步：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

17、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：明确课题的研究方向，理解并掌握电路基本知识，学习电路分析，模拟电路等相关知识。明确了解绘制版图所使用的软件，实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；第三步：明确研究课题所使用的工艺。掌握基本的工艺流程，在不同的工艺下需要注意的问题，以达到最佳的面积和功能。1.1.2 研究方式 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；书籍知识的积累：

18、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工艺；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。1.1.3 研究设想桥式结构的输出方式的难点在于需要共同驱动一组线圈，如果工作电压范围不够宽，工作电流将达不到预期效果，影响霍尔传感器的功能。1.2 课题研究内容与方法霍尔传感器是一种磁敏传感器，它是通过霍尔效应的原理制成的。近几年为充分满足信息采集的需求而快速发展起来的一种新兴传感器。这种霍尔具有宽泛的工作频带、灵敏的响应速度、体积袖珍、灵敏强、无触点、方便集成以及多功能化等优点，且方便与计算机和

19、其它数字化高端仪器接口。因而被广泛应用在自动监测及测量、自动报警及自动控制、信息传递、医药生物等多重领域。开关型霍尔传感器（集成电路霍尔开关）是把霍尔片产生的霍尔电压VH放大后驱动触发电路，输出电压是能反映变化的方脉冲。开关型霍尔传感器由稳压器、霍尔电势发生器（硅霍尔片）、差分放大器、施密特触发器以及OC门输出五个基本部分组成。将霍尔传感器输出的脉冲信号的频率（传感器将不同速度转变成不同频率的脉冲信号）实时地测量出来，要考虑信号的衰减、干扰等影响。在信号输出前应对其进行放大整形，需要计算出速度，再将所得的数据存储到串口数据存储器，再由外部测试仪器显示出来，操作工序比较繁琐。本方案中的算法是一种

20、大概算法，得到的是平均值，所以目前方案中对数值的精度得不到百分之百的保障，有待改善。内部结构相对简单，并且单线圈霍尔传感器的成本相对低廉，只需要对速度计算的精确度进行精密的改善。1.3 课题研究现状从事霍尔传感器产业领域的厂家基地就如雨后春笋般的不断涌现，这方面的人才抢夺竞争更是白热化。就如霍尔电流电压传感器为例，北有莱姆森社方舟华冠保定。南有中旭科技和株洲宁波分所，南有力源雅达等，深圳北疆等近几年实力也越来越强，不容忽视。以上这些厂家规模或大或小，技术力量有的强有的弱，有一份部分以前也是一脉相承，大家的产品或多或少存在着共通的特点，同时也各有各的特色，因而大家在市场领域上对产品应用的竞争衍变

21、的越来越激烈；在国际上，以其智能化、集成化的优势，将霍尔传感器产业发展的越发壮大，它们也正一步步向我国的市场接近，实际上我们在很多集成化领域已经随处可见它们的身影。这些大公司的产品都具有非常大的竞争实力，因此我们更应加强对霍尔传感器的研究，为其能研发出新型种类的市场做出强有力的占领。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（1）霍尔效应受到不同方向的 HYPERLINK /view/8998.htm t _blank 洛伦兹力而在不同方向上聚集，在聚集起来的电子与空穴之间会产生电场，此电场将会使后来的电子和空穴受到电场力的作用而平衡掉磁场对其产生的 HYPERLIN

22、K /view/8998.htm t _blank 洛伦兹力，使得后来的电子和空穴能顺利通过不会偏移，此称为霍尔效应。而产生的内建电压称为霍尔电压。图2.1介绍了霍尔效应原理。图2.1 霍尔效应原理如果将一块载流导电板放入垂直于它的磁场中，当有电流通过导电板时，将在它的上、下两侧产生一个电位差。实验发现在磁场不太强的情况下，该电位差VH与电流强度I和磁感应B成正比，与导电板的厚度d称反比，式（2-1）为霍尔电势的计算公式（2-1）其中，I为电流强度，B为磁感应强度，VH为霍尔电势或电压，k为霍尔（灵敏度）系数。带电粒子在磁场运动时，将受到洛伦兹力的作用，使带电粒子发生偏转，产生一个垂直于其运动

23、方向的电动势，这就是霍尔电势的形成原理。（3-1）（2）霍尔元件 = 1 * GB3 霍尔元件霍尔元件也可以成为霍尔式传感器，它可以利用霍尔效应的原理将被测量（如电流、位移、压力及磁场等）转换成电动势的一种传感器。霍尔元件的作用是利用霍尔效应来产生输出电压，由于霍尔元件产生的电动势非常低，应用时需要外接放大器，很不方便。而随着半导体集成电路技术的发展，将霍尔元件与半导体集成电路一起制作在同一块N型硅外延片上，就构成了霍尔集成电路。从而霍尔集成电路通过霍尔元件产生的霍尔电动势来驱动开关器件。图2.2-2.4介绍了霍尔元件的结构。图2.2 体形结构示意图2.3 改进形结构示意图2.4 薄膜形结构示

24、意 = 2 * GB3 霍尔集成电路霍尔集成电路是将霍尔元件和放大电路等集成制造在一个半导体芯片上，从外型结构看与分立型霍尔元件完全不同，它的引出线形式由电路功能决定。图2.5介绍了霍尔集成电路的基本原理。图2.5 霍尔集成电路原理2.2 关键技术二（1）双极型集成电路在半导体内，少数载流子和多数载流子两种极性的载流子（即电子和空穴）都参与有源元件的导电，如通常的NPN双极型或PNP双极型晶体管。以这类晶体管为基础的单片集成电路，称为双极型集成电路。双极型集成电路是1958年出现的最早制成集成化的电路。双极型集成电路主要以硅材料为衬底，在平面工艺基础上采用埋层工艺和隔离技术，以 HYPERLI

25、NK /wiki/%E5%8F%8C%E6%9E%81%E5%9E%8B%E6%99%B6%E4%BD%93%E7%AE%A1 o 双极型晶体管 t _blank 双极型晶体管为基础元件。并且它拥有数字集成电路和 HYPERLINK /wiki/%E7%BA%BF%E6%80%A7%E9%9B%86%E6%88%90%E7%94%B5%E8%B7%AF o 线性集成电路 t _blank 线性集成电路两种类型。双极型集成电路是在硅 HYPERLINK /wiki/%E5%B9%B3%E9%9D%A2%E6%99%B6%E4%BD%93%E7%AE%A1 o 平面晶体管 平面晶体管的基础上发展起

26、来的，双极型数字逻辑集成电路是最早的。在数字逻辑集成电路的发展过程中，出现过多种不同类型的电路形式。直接耦合晶体管逻辑电路（DCTL）是第一种双极型数字逻辑集成电路，因存在严重的“抢电流”问题而不实用。逻辑门 HYPERLINK /wiki/RTL%E7%94%B5%E8%B7%AF o RTL电路 电路（RTL）是第一种有实用价值的双极型集成电路。早期的数字逻辑系统曾采用过 RTL电路，后因基极输入回路上有电阻的存在，开关速度被限制。此外，RTL逻辑电路的抗干扰性较差，使用时负载又不能多，因而被淘汰。电阻-电容-晶体管逻辑电路（RCTL）是为了改善RTL电路的开关速度而提出来的，即在RTL电

27、路的电阻上并接电容。实际上 RCTL电路也未得到应有的发展。二极晶体管逻辑门电路（ HYPERLINK /wiki/DTL%E7%94%B5%E8%B7%AF o DTL电路 t _blank DTL）是继 RTL电路之后为提高逻辑电路的抗干扰能力而提出来的。DTL电路在线路上采用了电平位移二极管，抗干扰能力可通过调节电平位移二极管的个数达到预期效果。常用的 DTL电路的电平位移二极管，是用两个硅二极管串接而成，其抗干扰能力可提高到1.4伏左右。高阈值逻辑门电路（ HYPERLINK /wiki/HTL%E7%94%B5%E8%B7%AF o HTL电路 HTL）是在 DTL电路的基础上派生出

28、来的。HTL电路采用反接的齐纳二极管代替DTL电路中电平位移二极管，使电路的阈值提高到约7.4伏左右。可变阈值逻辑电路（VTL）是另外一种DTL电路系列的变形电路。TTL逻辑电路是在DTL逻辑电路基础上演变而来的，于1962年研制成功。为了降低电路功耗并且提高开关速度，TTL电路在线路结构上经历了三代电路形式的改进，以上均属饱和型电路。（2）双极型集成电路制造工艺双极集成电路的基本工艺可以粗略的分为两种：一种是在元器件间要做电隔离区。隔离的方法有很多种，如PN结隔离，全介质隔离等等。采用这种制造工艺的双极集成电路，如线性/FCI，TTL/DTL,STTL电路，这个三种电路的制造工艺基本相同，其

29、中线性/ECL比TTL电路少掺金工序，STTL电路工艺虽不掺金，但多了制作肖特基势垒二极管（SBD）的工序。另一类隔离为元器件之间的自然隔离。因为每次光刻后，氧化、扩散前都要进行化学清洗，所以总的工序约40道左右。图中只列出了主要的工序，没有列出化学清洗及中测后的工序，如裂片，压焊、封装等后工序，但是对后工序也有足够的重视，因为后工序所占成本比例较大，对产品的成品率的影响较大。以下为典型的PN结隔离的掺金TTL电路工艺流程。衬底制备一次氧化隐埋层光刻隐埋层扩散外延淀积热氧化隔离光刻隔离扩散再氧化基区光刻基区扩散再分布氧化发射区光刻背面掺金发射区扩散再分布及氧化对接触孔光刻铝淀积反刻铝铝合金淀积

30、钝化层压焊部分光刻中测由典型的PN结隔离掺金TTL电路工艺来介绍一下双极集成电路中原器件的形成过程及结构。 = 1 * GB3 ：衬底选择，对于典型的PN结隔离双极集成电路来说，衬底一般选用P型硅。 = 2 * GB3 ：第一次光刻N型掺杂隐埋层扩散孔光刻。 = 3 * GB3 ：外延层淀积，淀积时应该考虑外延层电阻率和外延层的厚度。 = 4 * GB3 ：第二次光刻P型掺杂隔离扩散孔光刻。 = 5 * GB3 ：第三次光刻P型基区扩散孔光刻。 = 6 * GB3 ：第四次光刻N型掺杂发射区扩散孔光刻。 = 7 * GB3 ：第五次光刻引线接触孔光刻。 = 8 * GB3 ：第六次光刻金属化内

31、连线光刻。集成电路中的元器件都做在同一衬底上，因此，其结构与分立器件有很大的不同。所谓理想本征晶体管是指在对其进行分析时，不考虑寄生效应。实际中集成电路中的双极晶体管分为三结四层结构。（3）双极型晶体三极管的工作原理及特点当晶体管处在发射结正偏、集电结反偏的放大状态下，发射区向基区注入电子；电子在基区中边扩散边复合，形成基区复合电流，为基极电流的主要组成部分；电子被集电区收集，形成集电区收集电流，为集电极电流的主要组成部分。双极型集成电路的制造工艺，是在平面工艺基础上发展起来的。与制造单个双极型晶体管的平面工艺相比，具有若干工艺上的特点。 = 1 * GB3 双极型集成电路中需要将各个元件之间

32、进行电隔离。集成电路的制造，先是把硅片划分成一定数量并且相互隔离的隔离区；然后再在各隔离区内制作晶体管和电阻元件等。在常规工艺中大多采用PN结型隔离，即用反向PN结使各个元件之间相互绝缘。除了 HYPERLINK /wiki/PN%E7%BB%93 o PN结 PN结型隔离以外，偶尔也可采用介质的隔离方法或两者混合隔离的方法。 = 2 * GB3 双极型集成电路版的图需添加隐埋层。通常要从双极型集成电路中晶体管集电极的底层引出向上的连接点，因此可以增加集电极的串连电阻，但是这样对电路的性能没有任何好处。因此要将减小集电极串连电阻的阻值，可以在制备晶体管时将集电极的下面扩散一层隐埋层，这样可以为

33、集电极产生电流低阻并且可以减少集电极串联电阻的阻值。隐埋层简称埋层，是隐埋在硅片体内高度掺杂的低电阻区。隐埋层在制作集成电路之前预先“埋置”在晶片内。其工艺过程是在 P型硅片上预计制作集电极的正下方某一区域里，先扩散一层高浓度的 HYPERLINK /wiki/%E6%96%BD%E4%B8%BB%E6%9D%82%E8%B4%A8 o 施主杂质 施主杂质（即N+区）；然后在其上继续外延一层N型硅的单晶层。便可将N+区隐埋在N型外延层下面，再利用这一外延层完成晶体管制作。 = 3 * GB3 双极型集成电路版图通常采用扩散电阻。在电路中制备电阻的工艺通常按电阻的阻值大小选择，大多数是利用晶体管

34、的基区P型扩。与此同时，也需要制作每方约 150欧厘米200欧厘米的P型扩散电阻。但是扩散电阻存在许多的缺点，如较大的阻值误差、高温度系数以及寄生效应等。大部分情况选用扩散电阻，有时也会采用硅单晶体电阻。 = 4 * GB3 双极型的集成电路元器件之间需要互连线的衔接，通常将金属铝薄层作为金属互相连接的线。单层互连线布线时很难免除相互交叉的情况，在需要时可采用浓磷扩散低阻区的方法，也被称为磷桥连接的方法。 = 5 * GB3 双极型集成电路有可能出现寄生现象。双极型电路中的纵向 HYPERLINK /wiki/NPN%E6%99%B6%E4%BD%93%E7%AE%A1 o NPN晶体管 NP

35、N晶体管比分立的晶体管多了一个PN结以及一层P型衬底，它的结构是四层三结，多出的P型衬底作为所有器件的公共衬底，多出的一个PN结为隔离结（也被称为衬底结）。由于双极型集成电路是四层三结的结构，因此会产生特别的寄生效应，分别为：无源寄生效应、有源寄生效应和扩散电阻寄生电容。隔离电容是集电极N型区与衬底P型区或者隔离槽共同产生的PN结形成的电容。衬底和隔离分别接电位最低处，所以这个寄生电容为集电极对地的电容。扩散电阻寄生电容由扩散电阻的P型区与集电极外延层的N型区产生的PN结电容，也属于无源寄生效应。这一PN结电容总是处于反偏置工作状态。有源寄生效应即 PNP寄生晶体管。在电路中，NPN晶体管的基

36、区、集电区和衬底构成了PNP寄生晶体管。在通常情况下，由于PN结的隔离，衬底与外延层之间总是反向偏置。只有当电路工作时，NPN管的集电结正偏，寄生PNP管才能进入有源区。（4）双极型晶体三极管的结构双极型晶体三极管是在同一个硅片上制造出三个不同的掺杂半导体区域组成的，这三个不同的半导体区域分别为基极区域、集电极区域、发射极区域，并且形成两个PN结，就构成了晶体管。发射区与基区之间的PN结称为发射结，集电区与基区间的PN结称为集电结。每一个半导体区域都会引出一个引脚端，通常用字母B、C和E来表示，它们分别代表基极（Base）、集电极（Collector）和发射极（Emitter）。而这些区域在N

37、PN型晶体管中分别是N型P型N型的半导体结构，在PNP型晶体管中则分别是P型N型P型半导体结构。图2.5介绍了NPN管的基本结构和符号。图2.5 NPN管的基本结构及符号（5）双极型晶体三极管的电流放大作用放大是对信号最基本的处理。在实际生产和科学实验中，从传感器获得的电信号都非常微弱，只有经过信号放大后才能做进一步的处理和操作，或者使之具有足够的能量来推动系统的执行机构三极晶体管是放大电路的核心元件，它能够控制能量的转换，并且可以不失真地放大输出任何微小的输入变化。在进一步探索提高饱和型电路开关速度的同时，发现晶体管多余载流子的存储效应是一个极重要的障碍。存储现象实质上是电路在开关转换过程中

38、由多余载流子所引起。要提高电路开关速度,除了减少晶体管 HYPERLINK /wiki/pn%E7%BB%93%E7%94%B5%E5%AE%B9 o pn结电容 PN结电容，或者设法缩短多余载流子的寿命以外，就得减少和消除晶体管内载流子存储现象。60年代末和70年代初，人们开始在集成电路中利用熟知的肖特基效应。在TTL电路上制备肖特基势垒二极管，把它并接在原有晶体管的基极和集电极上，使晶体管开关时间缩短到1纳秒左右；带肖特基势垒二极管箝位的TTL门电路的平均传输延迟时间达24纳秒。肖特基势垒二极管-晶体管-晶体管逻辑电路（STTL）属于第三代 TTL电路。它在线路上采用了肖特基势垒二极管箝位

39、方法，使晶体管处于临界饱和状态，从而消除和避免了载流子存储效应。与此同时，在TTL电路与非门输出级倒相器的基极引入晶体管分流器，可以改善与非门特性。三极管带有肖特基势垒二极管，可避免进入饱和区，具有高速性能；输出管加上分流器，可保持输出级倒相的抗饱和程度。这类双极型集成电路，已不再属于饱和型集成电路，而属于另一类开关速度快得多的抗饱和型集成电路。此外，在双极型集成电路的发展过程中，还有许多其他形式的电路。例如， HYPERLINK /wiki/%E5%8F%91%E5%B0%84%E6%9E%81%E5%8A%9F%E8%83%BD%E9%80%BB%E8%BE%91%E7%94%B5%E8%

40、B7%AF o 发射极功能逻辑电路 发射极功能逻辑电路（EFL）、互补晶体管逻辑电路（CTL）、电流参差逻辑电路（CHL）、抗辐照互补恒流逻辑电路（C3L）、三态逻辑电路（TSL）、和非阈值逻辑电路（NTL）等。第3章系统需求分析3.1 系统设计目标单线圈霍尔电路（该课题为公司产品项目，产品代号YLS477，在下文中均用代号YLS477表示该产品）为一款风扇驱动电路，电路最大的特点是输出采用桥式结构，共同驱动一组线圈，应用时不需要外部电学器件。采用这种结构，对于客户应用，不仅简单，而且相对双线圈，成本要比较低。它的工作电压范围宽，平均工作电流达300mA，是片上集成霍尔传感器的双极集成电路，广

41、泛应用于直流马达。主要用于电子转换的直流无刷电机控制系统和直流无刷风扇等。3.2 系统功能需求根据需求调研结果本系统主要包括以下功能模块：电压调节器模块，输入模块，运算放大器模块，整形模块以及输出五大功能模块。功能模块、功能描述、电学特性、极限参数以及磁特性说明如表3.1-3.4所示。表3.1 功能模块及其功能描述模块编号功能名称功能描述1电压调节模块即集成稳压器，在输入电压或输出电流发生变化时，保持输出电压不变2输入模块通过霍尔效应板将被测量转为对应的电动势3运算放大模块对信号进行放大处理4整形模块通过施密特触发器对输出的不规则波形进行整形5输出模块将信号输出表3.2 电学特性特性符号条件最

42、小典型最大单位电源电压Vcc3.520V输出CE电压上管VceVcc=3.5V, IL=100mA0.8V输出CE电压下管0.2输出饱和电压上管Vce（sat）Vcc=14V, IL=300mA1.31.6V输出饱和电压下管0.30.6输出漏电流（驱动管）IcexVcc=14V11uA消耗电流IccVcc=20V, 输出开路1625mA输出上升时间TRVcc=12V, RL=820, CL=20pF10us输出下降时间TFVcc=12V, RL=820, CL=20pF1.5us转换时间差tVcc=12V, RL=820, CL=20pF10us表3.3 极限参数参数特性符号数值单位电源电压V

43、CC25V磁通量密度B无限制输出“on”电流连续值IC0.3A保持值0.35峰值（启动时）0.5工作温度范围TA-2085存贮温度范围TS-65150封装能量耗散PD500mW最大节温Tj150表3.4 磁特性参数符号最小典型最大单位A级操作点Bop10-50高斯释放点Brp-50-10高斯磁滞Bhy-70-高斯B级操作点Bop5-70高斯释放点Brp-70-5高斯磁滞Bhy-70-高斯C级操作点Bop-100高斯释放点Brp-100-高斯磁滞Bhy-70-高斯D级操作点Bop-125高斯释放点Brp-125-高斯磁滞Bhy-70-高斯3.3 系统非功能需求（1）电路性能YLS 477直流无刷

44、马达电路希望在当负载变动时，速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以马达内部装有能感应磁场的霍尔效应传感器，作为速度之闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。在无刷电机控制系统中应用霍尔元件，其主要原因是利用了电机定子中产生的感应电压，将电机运行在利用感应电压时，由于电刷接触电阻阻值的变化而造成速度不稳定的缺点克服了，特别是由于霍尔传感器卓越的性能，因此将霍尔传感器应用在电机控制技术上非常方便且应用面很广。它的工作温度范围在-20到85之间，+3.5V到20V宽裕的工作电压，并且采用小型封装的形式，加之与速度传感器相比成本低是YLS 477电路的最大优势。（2）成本本款电路最大的特点是

45、输出采用桥式结构，共同驱动一组线圈。这种结构相对双线圈，成本比较低。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 技术可行性本课题使用EDA工具Cadence软件开发研究，以Linux操作系统为基础，YLS 477电路中Symbol的模型完全可以从Cadence软件下的AnalogLib库中直接调用，Layout则需要自己组建单元模块，版图工艺层为公司预先设置好的库，无需重新设置即可使用，最后进行调用整合连接直到绘制完毕；EDA工具Cadence软件使用及操作较简

46、单，容易理解，易上手，各类库的类型齐全，Symbol模型调用方便；在完成单元模块设计后进行DRC设计规则检查，LVS电路验证及仿真一体，节省了很多时间并且降低了工作难度。3.5.2 经济可行性YLS 477电路有反馈环节，通过反馈提高精确度、缩短响应时间，适合于对电路的响应时间及稳定性要求较高的设备。YLS477电路有助于提高系统的精度和稳定性，从而提高生产效率和品质。第4章系统设计4.1 系统设计指导原则YLS477利用磁敏传感器的特性将磁学量信号转换成电信号，通过电路将信号整形输出，霍尔元件和其它常规的电路结合不需要其它复杂的电路连接信号，电路中器件种类少，识别简单且电路规模小，灵敏度高，

47、传播速度快，性能佳。制造商可根据商家的需求选取对应类型的霍尔元件制造不同的检测仪器，种类繁多的霍尔元件即减少了商家成本的担忧又节省了不必要浪费的资源，且霍尔元件的检测范围广，可以检测10-14T到25T以上的磁场，应用广泛。4.2 体系结构设计YLS477的体系结构大概分为4个组成部分，分别为：电压调节部分、输入级、运算放大部分以及输出级。电压调节部分是为了当输入电压发生变化时，通过内部的反馈电路对电路内部的电压进行比较和调节，保持输出电压的稳定，以确保电路的稳定性；输入级通过带有霍尔效应的霍尔元件输入一对差分信号，在电路内进行放大整形；运算放大部分是YLS477电路的核心，通过两次运算放大，

48、将不规则的差分输入信号对变为两条规范的方波，从而为电路的稳定和良好的性能做了可靠的保障；输出级采用交叉有效的方式将两条信号对称输出。图4.1介绍了YLS477电路的体系结构。图4.1 YLS477电路体系结构4.3 电路功能设计YLS477电路共设计了四个功能模块，分别为电压调节模块、输入模块、运算放大模块及输出模块。为了保持电路稳定，输出信号精确，我们在电路电源后设置了电压调节模块。在电压调节模块中，采用集成稳压器作为电压调节的器件，在输入电压或者输入电流发生变化时，电压调节模块可以起到保持电压稳定的作用，而集成稳压器大致由基准电压源、取样电阻、误差放大器和调整元件四个部分组成。在本电路设计

49、中，误差放大器和调整元件在同一部分电路中，在经过信号比较放大后直接根据取样电路的反馈来调整电压，并将信号输出；在得到稳定的电压后，电路进行信号输入，先通过带有霍尔效应的霍尔元件，将被测量转换为相应的电动势，在通过射耦对差分输入的方式将信号输入；在信号输入后，电路要进行的工作就是将电路信号放大知道达到理想的放大倍数。本电路共有两级放大，在一级放大后，得到的波形并不能达到要求，经过二级放大后，输出波形达到了矩形波。但由于二级放大后得到的矩形波还有些不平稳，所以在输出模块中添加了施密特触发器，从而实现了对输出波形整形的效果。图4.2介绍了YLS477电路各个功能模块及连接方式。图4.2 YLS477

50、电路功能模块4.4 电路详细设计4.4.1 集成稳压器集成稳压器也称为电压调整器，主要由基准电压源、误差放大器、取样电路和调整原件四部分组成。当输入电压或者输出电流在一定范围内变化时，它可以保持输出电压不变。集成稳压器被广泛应用于各种电子设备中，取代了分立器件组装的稳压电源。它凭借成本低、体积小、性能良好、可靠性高、使用方便等优点迅速发展，成了模拟集成电路中一种重要的组成部分。目前稳压器可分为两大类，一类是串联式集成稳压器，另一类则为开关型集成稳压器。本课题采用的是稳压器为第一类，第一类稳压器是对输出的电压变化结果进行取样，用采样电路与基准电压比较并放大后，控制串连在输入电压与输出电压之间的调

51、整元件（功率晶体管），调整调节管端点的电势差，使输出电压变得相对稳定，使调节管在线性区工作。而第二类稳压器则是将输出信号取样后通过变换，去控制与负载串联或并联的开关的导通与截止期，然后利用电感储能器件将脉冲信号转换为负载中连续的稳定电流。虽然开关式稳压器比串联式稳压器的工作效率高，输出电压变化范围广，但是开关式稳压器的电路复杂，并且需要外接变压器或其他器件，所以串联式稳压器是我们优先考虑的选择。图4.3介绍了串联式集成稳压器的基本结构。图4.3 串联式集成稳压器基本结构4.4.2 射耦对差分输入级运算放大器的输入级是运放电路中的重要组成部分，运放的许多重要性能参数，包括输入失调电流及输入失调电

52、压、输入电压限度、输入时对交流电的阻碍、共模抑制比等都是由电路的输入级决定的。在大部分情况下，运算放大器的输入级都采用匹配性能佳、输入失调和温度漂移都为极小的射极耦合对（简称射耦对）差分放大电路。它输入时不但对交电流的阻碍高、输入失调和漂移非常小，并且制作工艺简单。可以用集成化的办法把差分输入级做得极为对称，两个差分输入端也需非常接近，这样可以使外界电路感应到差分输入端的干扰信号有相等的幅度、相同相位的共模信号，而对称的差分放大级对共模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。4.4.3 放大电路（1）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

53、射结正偏且集电结反偏。也应该设置它的工作点，工作点就是通过外部电路的设置使晶体管的基极、集电极和发射极处于所要求的电位。而使它们达到要求的这些外部电路就称为偏置电路。偏置电路为基极提供的电流称为基极电流。（2）有源负载有源负载又称主动式负载，是一种表现出稳流非线性电阻特性的元件或电路。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，也可以是一类测试设备。晶体管等有源器件对小信号产生高阻抗，但是不需要大的直流电压降，这种特性类似于一个大电阻。这类交流大负载阻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电流源。并且有源负载常用于运算放大器的差分输入级，能大大增

54、大放大器的增益。由于在集成电路中制造大电阻有困难，而在一般的电阻负载射耦合对或电阻负载共射极放大器中，晶体管的输出电阻远远大于负载电阻。因此希望有一种负载电阻，对直流而言，其阻值很小，所以电流很大。而对交流而言，其阻值很大，使电路的电压得到很大的增益。图4.4介绍了电阻负载及有源负载的共射放大器电路图。图4.4 电阻负载及有源负载的共射放大器（3）恒流源电路能够提供恒定电流的电路为恒流源电路，其基本形式为镜像电流源电路，恒流源电路被广泛用做偏置电路和有源负载。为了简化制造工艺，提高恒流源性能以及适应不容的要求，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，而理想的恒流源具有不因负载或输

55、出电压及环境温度变化而变化的特点，且内阻无限大。恒流源电路种类繁多，有双极型比例恒流源电路、精密匹配电流镜、温度稳定恒流源、现电流恒流源、威尔逊（Wilson）恒流源、PNP恒流源和JFET恒流源。图4.5介绍了基本恒流源电路。图4.5 基本恒流源电路在YLS477电路中，大部分均采用PNP恒流源和部分小电流恒流源。在双极的模拟集成电路中，一般会选用NPN管作为电路的放大器件，但它需要与它互补的PNP管作为有源负载，用来增加增益效果，因此PNP恒流源电路在双极模拟集成电路中广泛应用。且PNP恒流源设计极其简单，只要将PNP管代替NPN管并改变原来NPN恒流源电路的电流方向及电源接法，各种NPN

56、恒流源电路都可以改为PNP恒流源电路；通过双极型小电流恒流源电路可获得微安量级的输出电流，相比其他形式的恒流源电路，若想获得符合如此小的输出电流，则需要很大的电阻，从集成电路工艺角度出发，这既是技术上的挑战也是成本上的浪费。而小电流恒流源电路利用晶体管不同工作电流时的基极-射极电压差来控制输出电流，即可达到微安量电流的要求。图4.6介绍了PNP基本恒流源电路及小电流恒流源电路。图4.6 PNP基本恒流源电路及小电流恒流源电路（4）施密特触发器施密特触发器与一般触发器不同，它采用电位触发的方式，其状态由输入信号电位维持，对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号，有不同的阈值电压。它的作用

57、是将变化缓慢或者不规则的信号转换为陡变信号。4.4.4 输出级YLS477电路采用互补桥式输出级电路，是指用两种极性的元件完成的放大或震荡电路。由于YLS477是驱动电路，输出的一对信号可直接控制马达工作。电路工作时互补元件轮流导通，这样可克服单极性元件在工作时出现的所谓倒相问题，可直接完成电路工作。大连东软信息学院毕业设计（论文）第5章电路实现5.1环境配置YLS477电路的实现是通过EDA工具下Cadence软件完成的。电路图采用Cadence软件下的Composer-Schematic工具设计完成的。5.2电路功能实现（1）电压调节模块实现该模块采用集成稳压器实现电压调节的功能。在YLS

58、477电路中，电压调节模块共设置了基准电压源、误差放大器和取样电路三个部分。基准电压源是衡量电压是否稳定的唯一标准，通过误差放大器对取样电路反馈的电压与基准电压源相比较，并将调节后的电压输出给取样电路，从而实现稳定输入电压的功能。图5.1为电压调节模块的流程图。图5.1 电压调节模块的流程（2）输入级模块实现YLS477电路的输入级模块功能是将一对信号输入给下一级放大电路进行放大。图5.2是YLS477电路输入级电路图和输入信号波形图。图5.2 YLS477输入级电路（3）放大电路模块实现YLS477电路的放大电路模块中实现了两次信号放大的工作。通过射耦对差分输入的方式将信号输入，首先经过施密

59、特触发器的整形，将输入级的差分信号整形为两个方向相反的波形。经过第一次信号放大后，输出波形并不能明显达到可观测的标准。图5.3和5.4分别为放大模块流程图和一级放大电路图。图5.3 放大模块流程图5.4 一级放大电路经过第二次放大后，分别将正向和反向的信号继续放大，便可清晰看出这两个波形高低信号的区分。图5.5为二级放大电路图。图5.5 二级放大电路（4）输出级模块实现YLS477电路的输出级模块功能是通过互补桥式输出的方式将经过两次放大的矩形波信号输出，这样可以实现输出不失真且电压也减小。图5.6为输出级电路图。图5.6 输出级电路5.3电路仿真在之前几节已经将电路的原理图展示出来，接下来要

60、对电路的功能性进行验证。将通过仿真工具对YLS477电路进行验证，验证电路原理图与电路的功能性是否一致。验证平台是EDA工具下Cadence软件中的Analog Design Environment功能。图5.7是YLS477仿真时间为8ms的瞬态仿真界面。图5.7 YLS477仿真界面（1）输入级电路仿真YLS477的电路输入级为射耦对差分输入，即输入信号为差分信号。图5.8为YLS477电路的输入波形。图5.8 YLS477输入信号波形（2）放大级电路仿真在电压调节器保证输入电压稳定情况下，通过输入端输入一对差分信号，但信号达不到矩形波的状态。需要通过运算放大器将输入信号放大，通过一级放大