一种开关型霍尔磁敏传感器芯片的设计

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，并通过一个斩波稳零放大电路实现了对霍尔电势的放大和对失调电压的抑制。斩波稳零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——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Bop，一个称为释放点Brp，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。 设计还采用一个数字控制电路来实现对整个芯片的管理。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，使电路中功耗较大的信号检测、放大等模拟部分周期性地处于睡眠——工作——睡眠状态，工作和睡眠的时间比约为1：330，大大减小芯片的功耗。

目录

原创性声明和本论文使用授权说明

摘要

第一章绪论

1.1传感器和传感器技术

1.2霍尔磁敏传感器

1.2.1霍尔效应

1.2.2霍尔灵敏度

1.3霍尔传感器的发展

1.4开关型集成霍尔磁敏传感器

1.5论文的主要工作

1.6论文安排

第二章信号检测、放大电路

2.1信号检测电路

2.1.1 CMOS霍尔片

2.1.2霍尔片的失调电压

2.1.3霍尔片失调电压的抑制

2.1.4 正交电流法

2.1.5正交电流法的电路实现

2.2信号放大电路

2.2.1普通差分大器构成的放大电路

2.2.2斩波稳零放大电路的工作原理

2.2.3运放的设计

2.2.4斩波稳零放大器的仿真

第三章比较、判断电路

3.1比较电路

3.1.1迟滞输出特性

3.1.2基准电路

3.1.3电压比较器

3.2判断电路

3.2.1判断电路的结构

3.2.2判断电路的工作原理

3.2.3判断电路的仿真

3.3输出电路

第四章振荡、复位电路

4.1振荡电路

4.1.1简单电流控制振荡器的工作原理

4.1.2 50％占空比振荡器的设计

4.2复位电路

第五章数字控制电路

5.1计数脉冲产生电路

5.2睡眠控制电路

5.3控制时钟产生电路

5.3.1单元电路clock1

5.3.2单元电路clock2

5.3.3 clock3电路

第六章版图及验证

6.1整体布局

6.2 Latch-up效应

6.3匹配性

6.3.1电阻的匹配

6.3.2 MOS管的匹配

6.4验证

第七章总结

7.1论文总结

7.2不足与改进

参考文献

作者在攻读硕士学位期间发表的论文

作者在攻读硕士学位期间参与的项目

致谢