低功率CMOS集成霍尔开关传感器外文翻译资料

 2022-07-18 22:36:17

有源和无源电子元件2017年卷( 2017年)，第ID 3506619条，9页

https://doi.org/10.1155/2017/5375619

低功率CMOS集成霍尔开关传感器

Rongshan Wei, Shizhong Guo, and Shanzhi Yang

中国福建省福州市福州大学物理与信息工程学院

摘要：论文提出了一种集成霍尔开关传感器基于SMIC 0.18micro;m CMOS技术。该系统包括前端大厅元件和后端信号处理电路。通过优化霍尔元件的结构，利用正交耦合和旋转电流技术，有效地抑制了偏置电压。仿真结果表明，在3.3 V电源电压下，霍尔开关能够消除大于1 mV的偏置电压。利用时钟逻辑信号实现了霍尔开关电路的两种模式，即唤醒模式和睡眠模式，同时又不影响霍尔开关的性能，从而降低功耗。试验结果表明，该开关的操作点和释放点在3.3 V电源电压的3-7 mT范围内。与此同时,当前的消耗7.89micro;A。

  1. 引言

近几十年来，霍尔传感器已经与当今的半导体集成电路制造技术相兼容。采用CMOS技术生产的集成式霍尔开关传感器性能稳定，体积小，寿命长，价格低廉，在许多领域得到了广泛的认可。然而，使用CMOS技术生产的霍尔元件灵敏度低，霍尔电压信号弱。通常，在1吨弱磁场和1v偏置电压下，霍尔元件只产生大约几十微伏的霍尔电压。因此，有必要使用放大电路放大霍尔电压信号进行处理。不理想的因素,如不匹配的制造技术,工作温度的变化,和压力引起的芯片封装可以导致霍尔传感器和处理电路产生偏移电压大于大厅电压,有效的霍尔电压信号湮灭掉,所以应采取措施抑制这种补偿电压[3]。同时，在工作条件下，霍尔元件的内部阻力仅为1k左右，消耗电流达到毫安级。为了开发低功耗的传感器芯片，必须采取措施降低芯片的能耗。

在本研究中，我们通过优化其结构，提高了霍尔元件的灵敏度，降低了其偏移量。此外，采用双霍尔元件正交耦合和旋转电流技术，有效降低了偏置电压。使用autozeroed技术抑制电路偏移。采用时钟控制的微功率技术，降低了低速霍尔开关芯片的功耗，同时又不影响其性能。第一节介绍了霍尔开关传感器的应用背景。在第二节中，我们介绍了本文的CMOS部分，介绍了霍尔开关传感器的应用背景。第二部分介绍了CMOS霍尔元件偏置电压，并描述了用于抑制霍尔元件偏置电压的技术。第三节分析了传感器的工作状态。在第四节中，我们讨论了芯片测试结果的分析。第五节包含我们的结论。

  1. 霍尔元件和霍尔补偿电压抑制的设计

2.1互补金属氧化物半导体霍尔元件

Hall元素的剖视图和俯视图如图1所示。基于平面十字形的霍尔元件[4],一个正方形霍尔元件90°旋转对称结构设计。磷被注入到p型基板中，生成一个n阱，作为霍尔元件的活性区。正方形N-well的四个角被重掺杂形成N ，它与金属线连接为霍尔元件的接触电极;在霍尔元件表面，硼被用于形成P 层，以减少霍尔元件的有效厚度，增加其灵敏度，P 层与地面电位相连接。最后，霍尔元件表面覆盖了一层与地面电位相连接的金属，元件被一圈金属包围，以减少传感器中其他模块噪音对霍尔元件的干扰。

图1:大厅元素的横断面视图和俯视图

2.2.抑制霍尔元件的偏置电压的方法

在没有磁场的情况下，由于生产技术、机械应力和环境温度的缺陷，当在霍尔元件的控制端有一个激发源时，在其输出端有一个非零的电势差(即:霍尔元件的偏置电压)[5-7]。其惠斯通桥模型如图2所示。当偏置电流为和，霍尔元件输出电压为:

(1)

图2:霍尔元素惠斯通桥模型

如果电阻，在没有磁场的情况下，霍尔元件的输出电压为零。然而，由于电阻之间的不匹配，输出端产生偏移电压，通常是在毫伏级。假设, 有1%不匹配，，输出端的偏置电压为8.2 mV，带有3.3 V偏置电压。当霍尔电压灵敏度达到40 mV/V·T时，8.2 mV的偏置电压给磁场的误差为62 mT，比磁信号大得多。这可能会影响霍尔传感器的性能并导致故障。必须采取措施抑制霍尔元件的偏置电压，以提高霍尔传感器的性能[8]。

2.3.正交耦合

将正交耦合技术应用于霍尔传感器作为静态补偿。如图3所示,两个大厅元素并行连接,两个大厅元素有90°差异的方向偏置电压,因此抵消在两个霍尔元件的输出电压是相同的,但相反的极性。在这种情况下，通过在正交耦合霍尔元件的输出电压中增加偏置电压，抑制了偏移量:

（2）

图3:正交耦合霍尔元件。

然而，在惠斯通桥模型中，其他三个电阻器是完全相同的，并不能保证其他三个电阻器是完全相同的，这大大降低了正交耦合补偿的效果。为了提高效果，通常采用大量的霍尔元件作为正交耦合，如四个霍尔元件，但这将增加芯片面积和成本。

    1. 纺丝电流技术

正交耦合技术可以有效地抑制静态偏移，而与旋转电流技术相比更有效。然而，在霍尔元件具有正交对称结构的前提下，需要在霍尔元件具有正交对称结构的前提下对霍尔元件偏移量进行抑制，这种方法不能抑制高阶效应引起的偏移。因此，将旋转电流技术应用于霍尔传感器，消除了动态偏移[9]。如图4所示，通过改变控制端的位置和霍尔元件的输出端，改变了霍尔电压和偏置电压的极性。通过周期性的周期，将偏移电压调整为自旋频率，而霍尔电压保持在原来的频率，然后霍尔元件的输出电压为直流电压和交流偏置电压之和。补偿电压可以被后续电路抑制。

图4 纺丝电流技术

当偏置电流从左向右流动时，霍尔元件的输出电压为:

(3)

当偏置电流旋转90°和流从上到下,输出电压如下:

(4)

通过在这两个阶段增加输出电压可以抑制偏移电压。

利用正交耦合技术和旋转电流技术，可以有效地抑制霍尔元件的偏移量，得到较小的残余偏移量[10]。设计了一种具有双霍尔元件耦合和四相旋流的电路结构。如图5所示，CLK0和CLK1是一对频率为50khz的非重叠互补时钟。CLK0b和CLK1b的相位分别与CLK0和CLK1相对应。时钟信号CLK0、CLK0b、CLK1和CLK1b控制MOS开关M1-M4。当时钟信号CLK0或CLK1低时，由这两个霍尔元件组成的正交耦合消除静态偏移。

图5:正交耦合旋转电流电路

当CLK0低时，M1和M4被打开。H1和H3是控制端，H2和H4是输出端。输出电压如下:

(5)

当CLK1低时，M2和M3被打开。H2和H4是控制端，H1和H3是输出端。输出电压如下:

(6)

霍尔电压产生的磁场被设置为100micro;V。根据图6，霍尔元件的最大偏置电压大于7 mV。输出电压可以通过使用正交耦合和旋转的现有技术和添加输出电压在这两个阶段,获得一笔200micro;V,表示为2·。

图6补偿电压抑制的仿真结果

结果表明，该电路与正交耦合和旋转电流技术相结合，能有效地抑制霍尔元件的静态和动态偏移。

  1. 霍尔信号处理电路的设计

霍尔开关传感器的电路结构如图7所示。该传感器分为前端霍尔元件和后端霍尔电压信号处理电路两部分。信号处理电路由偏置电路、旋转电流电路、时钟逻辑控制电路、振荡器、放大器、采样控制电路、比较器和输出级电路组成。磁场信号由霍尔元件转换为电压信号;然后对电压信号进行比较，并在放大和采样后输出[11,12]。

图7霍尔开关传感器的电路结构

3.1.信号放大单元

如图8所示，放大电路模块由输入级放大电路IA1和二级放大电路IA2组成。由于霍尔元件只产生了大约几十微伏的霍尔电压，抵消电压和噪声可以消除有效的霍尔电压信号。要考虑的最重要的问题是IA1的噪声和偏移量。IA1以二极管连接的形式被用作负载，在开环放大模式下工作，开环增益为18 dB, 3 dB带宽为5.89 MHz。IA1具有良好的信噪比、低输入偏置电压和良好的增益线性度。在不同的供应电压、温度和工艺参数下，增益变化范围小于8%。使用全差分测量放大器实现了IA2，具有很强的抗干扰能力和稳定的输出增益。IA2电路由两个基本的CMOS运算放大器组成，它构成了一个双端输入和双端输出放大器。通过调整电阻R1和R2，得到稳定增益。本文的增益为26.5 dB，而3 dB带宽为128 KHz。IA1增益设置为G1，IA2增益设置为G2。根据图8，放大模块的总增益为:

(7)

图8霍尔开关传感器放大电路模块

3.2唤醒控制模块

采用时钟控制的微功率技术开发了低功率霍尔开关传感器[13]。传感器内的时钟逻辑电路允许它每45-60毫秒在外部磁场中取样。在一个周期中有两种工作模式:清醒模式和睡眠模式。在唤醒模式下，采样了感应磁场产生的霍尔电压，并在一个工作周期的1/1000的时钟脉冲上工作。在其他任何时候都处于睡眠状态。在睡眠模式下，芯片的功耗几乎可以忽略不计，如图9所示。从4 - 6马平均电流消耗降低到7.89mu;A 3.3 V电源电压而不影响正常操作的霍尔开关传感器。

图9低功率时钟控制模块

3.3.信号采样保持比较模

设计的霍尔开关传感器是一种全极性磁场开关。换句话说，它应该在n极磁场和s极磁场中正常工作。如图10所示，在一个特定的磁场中(Bgt;0或Blt;0)，比较器的输出总是保持低，以使后续的NMOS开关管处于断开连接状态，这样整体输出不会受到影响。另一个比较器反映了霍尔电压和参考电压比较的结果。当霍尔电压大于参考电压时，比较器输出高。NMOS开关管打开，整体输出电位被拉到地面。当霍尔电压低于参考电压时，比较器输出量较低。NMOS开关管断开，整体输出的电势为VDD[14, 15]。

图10 采样保持比较电路模块

假设磁场分析采样保持比较电路的工作状态。在阶段phi;1期间，霍尔元件的输出电压设置为，INP和INN的输入电压分别为和。放大器的共模电压为VC。此时，比较器处于自动调零状态。放大后的电压由电容采样，参考电压由电容采样。在阶段phi;2期间，输出电压设置为，INP和INN的输入电压分别为和。放大电压由电容器采样，放大电压由电容器采样，phi;2级采样电压的极性与phi;1级采样电压的极性相反。比较器在phi;2级工作正常。阶段phi;2结束时，和如下:

(8)

因为

所以在阶段phi;2结束时比较器的输入如下:

（9）

当gt;0时，比较器的输出为高，当lt;0时，输出为低。

    1. 电路的工作过程

如图11所示，磁场的变化导致霍尔电压的变化，将放大的霍尔电压与设定的参考电压进行比较，然后输出开关信号。。可以通过改变电压来改变操作点和释放点。传感器芯片的整体输出由比较电路和计数电路的输出决定。如果比较器电路产生两个连续的高输出，霍尔开关输出将会很低;如果电路产生两个连续的低输出，开关输出将会很高。

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