1、 大連東軟信息學院本科畢業設計（論文）論文題目論文題目：高性能霍爾開關電路設計與驗證 系 所： 電子工程系 專 業：電子信息工程（集成電路設計與系統方向） 學生姓名： 學生學號： 指導教師： 導師職稱： 講師 高級工程師 完成日期： 2014年 4月 28日 大連東軟信息學院Dalian 大連東軟信息學院畢業設計（論文） 摘要 V高性能霍爾開關電路設計與驗證摘 要高性能霍爾開關（ES3144）是基于雙極半導體(Bipolar)工藝設計和生產的霍爾器件，器件內部集成了霍爾效應片、電壓調節器、反向電壓保護器、信號放大處理電路、施密特觸發器和一個開集電極輸出驅動三極管。ES3144具有較寬的工作電壓

2、范圍和較寬的工作溫度范圍，非常適合在汽車、工業電器和家電等產品中用作固態電子開關。在以下論文中主要論述是以電路分析為主，從課題的背景意義、關鍵技術、系統需求分析、系統設計、系統實現和系統測試這幾大方面綜合的理解整個電路的功能和性能，很好的詮釋了高性能霍爾開關（ES3144）在產品開發和使用中的意義。論文中主要研究的是電路的組成和各部分的組成的功能意義，例如穩壓、放大、增益、輸出等相關內容，在逐一的介紹和理解理論知識，查找相關文獻資料，確定組成部分的類型進行分析理解，再輔以實際的操作，查找并解決電路中出現的問題，進行有效的分析與驗證，最后在進行電路的總體驗證，以達到預期的功能和性能需求。關鍵詞：

3、霍爾效應，霍爾傳感器，固態電子開關大連東軟信息學院畢業設計（論文） 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大連東軟信息學院畢業設計（論文） 目錄目 錄 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc387736820 h IAbstract PAGEREF _Toc387736821 h II第1章緒 論 PAGEREF _Toc387736822 h 11.1 課題研究背景與意義

9、 PAGEREF _Toc387736823 h 11.1.1 霍爾傳感器優點 PAGEREF _Toc387736824 h 11.1.2 產業發展應用 PAGEREF _Toc387736825 h 11.2 課題研究內容與方法 PAGEREF _Toc387736826 h 21.3 課題研究現狀 PAGEREF _Toc387736827 h 2第2章關鍵技術介紹 PAGEREF _Toc387736828 h 32.1 關鍵技術一 PAGEREF _Toc387736829 h 32.1.1 雙極晶體管 PAGEREF _Toc387736830 h 32.1.2 雙極型三極管基本原

10、理 PAGEREF _Toc387736831 h 32.1.3 晶體管的結構 PAGEREF _Toc387736832 h 52.1.4 NPN型三極管 PAGEREF _Toc387736833 h 62.1.5 PNP型三極管 PAGEREF _Toc387736834 h 62.2 關鍵技術二 PAGEREF _Toc387736835 h 62.2.1霍爾效應 PAGEREF _Toc387736836 h 62.2.2霍爾電勢 PAGEREF _Toc387736837 h 7第3章系統需求分析 PAGEREF _Toc387736838 h 83.1 系統設計目標 PAGERE

11、F _Toc387736839 h 83.2 系統功能需求 PAGEREF _Toc387736840 h 83.2.1 極限參數 PAGEREF _Toc387736841 h 83.2.2 電學特性 PAGEREF _Toc387736842 h 93.2.3 磁電轉換特性 PAGEREF _Toc387736843 h 93.2.4 磁場特性 PAGEREF _Toc387736844 h 93.3 系統非功能需求 PAGEREF _Toc387736845 h 103.4 系統開發環境 PAGEREF _Toc387736846 h 103.5 系統可行性分析 PAGEREF _Toc

12、387736847 h 103.5.1 技術可行性 PAGEREF _Toc387736848 h 103.5.2 經濟可行性 PAGEREF _Toc387736849 h 11第4章系統設計 PAGEREF _Toc387736850 h 124.1 系統設計指導原則 PAGEREF _Toc387736851 h 124.2 體系結構設計 PAGEREF _Toc387736852 h 124.3 電路詳細設計 PAGEREF _Toc387736853 h 124.3.1 集成穩壓器 PAGEREF _Toc387736854 h 124.3.2 平行霍爾效應元件 PAGEREF _T

13、oc387736855 h 134.3.3 恒流源電路 PAGEREF _Toc387736856 h 144.3.4 負載電路 PAGEREF _Toc387736857 h 144.3.5 偏置電路 PAGEREF _Toc387736858 h 154.3.6 差分放大輸入端 PAGEREF _Toc387736859 h 164.3.7 施密特觸發器 PAGEREF _Toc387736860 h 164.3.8 輸出級電路 PAGEREF _Toc387736861 h 17第5章系統實現 PAGEREF _Toc387736862 h 185.1 環境配置 PAGEREF _Toc

14、387736863 h 185.2 功能模塊實現 PAGEREF _Toc387736864 h 185.3 系統集成與調試 PAGEREF _Toc387736865 h 21第6章系統測試 PAGEREF _Toc387736866 h 266.1 測試概述 PAGEREF _Toc387736867 h 266.2 測試用例 PAGEREF _Toc387736868 h 266.2.1 性能測試 PAGEREF _Toc387736869 h 266.2.2 功能測試 PAGEREF _Toc387736870 h 27第7章結論 PAGEREF _Toc387736871 h 28參

15、考文獻 PAGEREF _Toc387736872 h 29致 謝 PAGEREF _Toc387736873 h 30大連東軟信息學院畢業設計（論文）- 第1章緒 論1.1 課題研究背景與意義21世紀，是人類全面進入信息電子化的時代，隨著人類探知領域和空間的拓展，使得人們更依賴于獲取外界信息的采集技術，敏感元件及傳感器是人類探知自然界信息的觸角，它可以將人們需要探知的各種非電量信息轉化為電量信息，為人們認識和控制相應的對象提供條件和依據。如今，作為現代信息技術三大支柱之一的傳感器技術，已成為21世紀人們在高新技術發展方面爭奪的一個制高點。傳感器品種繁多，原理也各式各樣。自1879年美國物理學

16、家Edwin Herbert Hall發現霍爾效應以來，以此為基礎的霍爾傳感器已發展成一個品種多樣的磁傳感器產品家族，被越來越多地應用于工業控制的各個領域。而由此衍生的霍爾傳感器產業也在近十幾年逐漸發展壯大起來，日益生機勃勃。在我們的日常生活中已經開始普及霍爾產品的應用，學習并了解霍爾傳感器的功能，我認為在微電子這門專業中是很有必要的。1.1.1 霍爾傳感器優點 霍爾傳感器具有許多優點，他們的結構牢固，體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高（可達1MHZ），耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧的污染或腐蝕。它的精度高、線性度好；霍爾開關傳感器無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳

17、、位置重復精度高（可達m級）。其中取用了各種補償和保護措施的霍爾器件的工作溫度范圍很寬，可達-55150。1.1.2 產業發展應用霍爾傳感器產業發展的應用大致分為：直接應用和間接應用。前者是直接檢測出受檢測對象本身的磁場或磁特性，其中最具特色的當推是霍爾電流、電壓類傳感器/變送器，他們已成為當今電子測量領域中應用最多的傳感器件之一，是測量控制電流、電壓的新一代工業用電量傳感器，是一種新型的高性能電氣隔離檢測元件，被廣泛用于電力、電子、交流變頻調速、逆變裝置、電子測量和開關電源等諸多領域以及電焊機，發電及輸電設備，電氣傳動，數控機床等工業產品上，它正在逐步替代互感器和分流器，并具有精度高、線性好

18、、頻帶寬、響應快、過載能力強和不損失測量電路能量等優點。后者是檢測受檢對象上人為設置的磁場，用這個磁場來作為被檢測的信息的載體，通過它將許多非電、非磁的物理量例如力、力矩、壓力、應力、位置、位移、速度、加速度、角度、角速度、轉數、轉速以及工作狀態發生變化的時間等，轉變成電量來進行檢測和控制。其中諸如常見的在無刷電機，接近開關齒輪轉速傳感器，角度傳感器以及微位移（壓力、振動、加速度、液位）傳感器等新興產業的應用發展。1.2 課題研究內容與方法對電路進行仿真進行測試是否符合產品的電壓、電流、功耗及其他的設計要求，在滿足基本標準要求的情況下，進行產品的性能優化，以發揮此產品的最大性能指標。具體的方法

19、步驟如下：第一步：收集材料，數據分析并進行有關調查。收集各種文獻實體資料（主要在實習單位收集參考產品說明等）和權威虛擬資料（通過互聯網搜索獲得）了解其他設計者的設計理念和設計思想，進一步完善該研究課題的功能；第二步：明確自己課題的研究方向，明確了解繪制版圖所使用的軟件，使用軟件過程中所使用的快捷鍵，對虛擬機中的常用命令熟練掌握，提前熟悉版圖中常用的工藝尺寸，節省因工藝尺寸錯誤而修改版圖的時間；研究方法：1.文獻查閱：通過文本書籍或者網絡查閱來獲得更全面的知識覆蓋面，完成目前所研究的課題內容；2.書籍知識的積累：在原有校內學到的知識基礎上，加深對集成電路設計的了解，廣泛的接觸各種集成電路版圖設計

20、工藝；3.院外指導老師的指導：在院外指導老師的指導下，解決沒有通過文獻查閱解決的問題并且獲得更多的技術指導和繪圖技巧。1.3 課題研究現狀國際上的霍爾傳感器產業發展以其智能化、集成化見長，它們正在逐漸的進入我國的市場，實際上在很多集成化領域，已隨處可見它們的身影。這些大公司的產品具有很大的競爭實力，對國內的霍爾傳感器廠家來說無疑是一種強力沖擊。國內的霍爾傳感器產業要想立于不敗之地，除了要更加深入學習國外的先進技術外，更多的是應該學習人家的管理水平，這才是國內各傳感器廠家的常見弊癥所在。在霍爾傳感器產業飛速發展的同時，也給霍爾傳感器自身的發展提出了急迫需求。發展和應用得比較成熟的一些霍爾傳感器，

21、已經在長期使用中逐步顯現出自身存在的某些局限。為了充分發揮各自的優勢，突破限制，拓展發展空間，必須開發新材料，發現新效應，發明新產品，將霍爾傳感器產業推向新的發展高峰，這是我們當前的首要任務，也是時代給予我們的歷史使命！大連東軟信息學院畢業設計（論文）第2章關鍵技術介紹2.1 關鍵技術一2.1.1 雙極晶體管雙極性晶體管（Bipolar transistor），全稱雙極性結型晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT），俗稱三極管，是一種具有三個終端的電子器件。雙極性晶體管是電子學歷史上具有革命意義的一項發明，其發明者威廉肖克利、約翰巴丁和沃爾特布拉頓被授予了19

22、56年的諾貝爾物理學獎。這種晶體管的工作，同時涉及電子和空穴兩種載流子的流動，因此它被稱為雙極性的，所以也稱雙極性載流子晶體管。這種工作方式與諸如場效應管的單極性晶體管不同，后者的工作方式僅涉及單一種類載流子的漂移作用。兩種不同摻雜物聚集區域之間的邊界由PN結形成。雙極性晶體管由三部分摻雜程度不同的半導體制成，晶體管中的電荷流動主要是由于載流子在PN結處的擴散作用和漂移運動。以NPN晶體管為例，按照設計，高摻雜的發射極區域的電子，通過擴散作用運動到基極。在基極區域，空穴為多數載流子，而電子為少數載流子。由于基極區域很薄，這些電子又通過漂移運動到達集電極，從而形成集電極電流，因此雙極性晶體管被歸

23、到少數載流子設備。雙極性晶體管能夠放大信號，并且具有較好的功率控制、高速工作以及耐久能力，所以它常被用來構成放大器電路，或驅動揚聲器、電動機等設備，并被廣泛地應用于航空航天工程、醫療器械和機器人等應用產品中。2.1.2 雙極型三極管基本原理雙極集成電路中的基本器件是NPN管，但在模擬電路中一般也需要PNP管，如運算放大器的輸入級和輸出級的有源負載都要使用PNP管。因為集成電路的工藝大部分是針對大量應用的NPN晶體管設計的，因此,在一般的情況下，PNP管都是在與NPN管制造工藝兼容的情況下制造的。雖然PNP管的單管性能不如NPN管，但在集成電路中，因為使用了PNP管，而使得電路性能得到了改善。圖

24、2.1 三極管內部電荷運動圖2.1中左邊的藍色區域為發射極，中間綠色區域為基極，右邊藍色區域為集電極?；疑募^為電子的流動方向示意，發射極注入的大部分電子移動到了集電極，少部分在基極與空穴復合。白色箭頭為基極的多數載流子空穴的流動方向示意。NPN型雙極性晶體管處于正向放大區的條件是：在發射結上具有正向偏置，而集電結具有反向偏置。NPN型雙極性晶體管可以視為共用陽極的兩個二極管接合在一起。在雙極性晶體管的正常工作狀態下，基極-發射極結（稱這個PN結為“發射結”）處于正向偏置狀態，而基極-集電極（稱這個PN結為“集電結”）則處于反向偏置狀態。在沒有外加電壓時，發射結N區的電子（這一區域的多數載流

25、子）濃度大于P區的電子濃度，部分電子將擴散到P區。同理，P區的部分空穴也將擴散到N區。這樣，發射結上將形成一個空間電荷區（也稱為耗盡層），產生一個內在的電場，其方向由N區指向P區，這個電場將阻礙上述擴散過程的進一步發生，從而達成動態平衡。這時，如果把一個正向電壓施加在發射結上，上述載流子擴散運動和耗盡層中內在電場之間的動態平衡將被打破，這樣會使熱激發電子注入基極區域。在NPN型晶體管里，基區為P型摻雜，這里空穴為多數摻雜物質，因此在這區域電子被稱為“少數載流子”。從發射極被注入到基極區域的電子，一方面與這里的多數載流子空穴發生復合，另一方面，由于基極區域摻雜程度低、物理尺寸薄，并且集電結處于反

26、向偏置狀態，大部分電子將通過漂移運動抵達集電極區域，形成集電極電流。為了盡量緩解電子在到達集電結之前發生的復合，晶體管的基極區域必須制造得足夠薄，以至于載流子擴散所需的時間短于半導體少數載流子的壽命，同時，基極的厚度必須遠小于電子的擴散長度（diffusion length，參見菲克定律）。在現代的雙極性晶體管中，基極區域厚度的典型值為十分之幾微米。需要注意的是，集電極、發射極雖然都是N型摻雜，但是二者摻雜程度、物理屬性并不相同，因此必須將雙極性晶體管與兩個相反方向二極管串聯在一起的形式區分開來。2.1.3 晶體管的結構一個雙極性晶體管由三個不同的摻雜半導體區域組成，它們分別是發射極區域、基極

27、區域和集電極區域。這些區域在NPN型晶體管中分別是N型、P型和N型半導體，而在PNP型晶體管中則分別是P型、N型和P型半導體。每一個半導體區域都有一個引腳端接出，通常用字母E、B和C來表示發射極（Emitter）、基極（Base）和集電極（Collector）。圖2.2 NPN型雙極性晶體管的截面簡圖基極的物理位置在發射極和集電極之間，它由輕摻雜、高電阻率的材料制成。集電極包圍著基極區域，由于集電結反向偏置，電子很難從這里被注入到基極區域，這樣就造成共基極電流增益約等于1，而共射極電流增益取得較大的數值。從右邊這個典型NPN型雙極性晶體管的截面簡圖可以看出，集電結的面積大于發射結。此外，發射極

28、具有相當高的摻雜濃度。在通常情況下，雙極性晶體管的幾個區域在物理性質、幾何尺寸上并不對稱。假設連接在電路中的晶體管位于正向放大區，如果此時將晶體管集電極和發射極在電路中的連接互換，將使晶體管離開正向放大區，進入反向工作區。晶體管的內部結構決定了它適合在正向放大區工作，所以反向工作區的共基極電流增益和共射極電流增益比晶體管位于正向放大區時小得多。這種功能上的不對稱，根本上是緣于發射極和集電極的摻雜程度不同。因此，在NPN型晶體管中，盡管集電極和發射極都為N型摻雜，但是二者的電學性質和功能完全不能互換。發射極區域的摻雜程度最高，集電極區域次之，基極區域摻雜程度最低。此外，三個區域的物理尺度也有所不

29、同，其中基極區域很薄，并且集電極面積大于發射極面積。由于雙極性晶體管具有這樣的物質結構，因此可以為集電結提供一個反向偏置，不過這樣做的前提是這個反向偏置不能過大，以致于晶體管損壞。對發射極進行重摻雜的目的是為了增加發射極電子注入到基極區域的效率，從而實現盡量高的電流增益。2.1.4 NPN型三極管圖2.3 NPN型雙極性晶體管的符號（注意圖中的箭頭指向外側）NPN型晶體管是兩種類型雙極性晶體管的其中一種，由兩層N型摻雜區域和介于二者之間的一層P型摻雜半導體（基極）組成。輸入到基極的微小電流將被放大，產生較大的集電極-發射極電流。當NPN型晶體管基極電壓高于發射極電壓，并且集電極電壓高于基極電壓

30、，則晶體管處于正向放大狀態。在這一狀態中，晶體管集電極和發射極之間存在電流。被放大的電流，是發射極注入到基極區域的電子（在基極區域為少數載流子），在電場的推動下漂移到集電極的結果。由于電子遷移率比空穴遷移率更高，因此現在使用的大多數雙極性晶體管為NPN型。2.1.5 PNP型三極管圖2.4 PNP型雙極性晶體管的符號（注意圖中的箭頭指向內側）雙極性晶體管的另一種類型為PNP型，由兩層P型摻雜區域和介于二者之間的一層N型摻雜半導體組成。流經基極的微小電流可以在發射極端得到放大。也就是說，當PNP型晶體管的基極電壓低于發射極時，集電極電壓低于基極，晶體管處于正向放大區。 2.2 關鍵技術二 2.2

31、.1霍爾效應圖2.5 霍爾效應原理若將金屬或半導體薄片垂直于磁感應強度為B的磁場（磁場方向為z方向）中，如圖2.5所示，當垂直磁場方向上有電流流過時，在垂直于電流和磁場的方向上將產生電場（EH）。這種物理現象成為霍爾效應。 2.2.2霍爾電勢若薄片為N型半導體，電流I（稱為控制電流）自左向右，那么半導體中的多數載流子電子將沿著與電流I相反的方向運動（速度為），外磁場B使電子受到磁場力FL（洛倫茲力）的作用而發生偏轉（如圖中虛線所示），結果在半導體的后端面上電子有所積累帶負電，而前端面上缺少電子帶正電，因此在前后面間形成電場，積累越多，此電場越強。該電場產生的電場力FE會阻止形成電流的其它電子繼

32、續偏轉而積累；當FL與FE相等時，電子積累達到動態平衡。這時，在半導體前后兩段之間（即垂直于電流和磁場的方向）存在的電場就稱為霍爾電廠EH，相應的電勢稱為霍爾電勢UH。第3章系統需求分析3.1 系統設計目標此高性能霍爾開關（注：此課題為公司實體項目，產品代號ES3144，下文中出現本課題名均用代號表示）的設計受眾面非常廣，在各種電器類商品領域均可使用到，尤其是測量類的電子器件上有用非常頻繁，現今的科技發展速度很快，更新換代的速度變得更加迅速以適應現在的發展狀態，所以在設計的時候考慮的各種因素就比較多，不僅要在現今產品上使用，同時也要在以后的發展更新中留有一定的技術空間以求保證產品的再開發利用。

33、想要成功的設計出有效的電路來保證芯片能夠正常的表現出其性能和功能，我們必須滿足以下各表圖的參數條件。3.2 系統功能需求根據需求調研結果確定本系統主要包括以下功能模塊，如表3.1。表3.1 功能模塊功能編號功能名稱功能描述1電壓調節器在輸入電壓、負載、環境溫度、電路參數等發生變化時保持輸出電壓穩定2信號放大處理電路即運算放大部分，對信號進行處理放大3霍爾效應片將被測量（如電流、磁場、位移及壓力等）轉換成電動勢4施密特觸發器是對波形進行整形的整形電路5開集電極輸出驅動三極管對信號進行輸出3.2.1 極限參數芯片超過極限參數，可能會造成永久性傷害。長時間處于極限條件下可能影響器件的可靠性。為保障器

34、件正常工作，不得超過極限參數，如表3.2。表3.2 極限參數Supply Voltage, VDD （電源電壓）24VReverse Voltage, VDD （反向電壓）-24VOutput Voltage, Vout （輸出電壓）30VOutput Current, Iout （輸出電流）25mAMagnetic Flux Density，B （磁感應強度）No limitOperating Temperature Range, TA （工作溫度范圍）-40 to +150 Storage Temperature, Ts （儲存溫度）-65 to +Maximum Junction Tem

35、perature., Tj （最高接面溫度）+150 Lead Temperature（Solding, 5 sec） （焊接溫度）+250 Package Power Dissipation, Pd （功耗）TO-92S （直插型）550 mWSOT23-3L（貼片型）230 mW3.2.2 電學特性芯片想要正常工作并表現出應有的性能，則必須滿足一系列的電學特性，如表3.3。表3.3 電學特性DC Operating Parameters: TA = 25, VDD = 12VDC (unless otherwise specified).參數符號測試條件最小值典型值最大值單位工作電壓VDD

36、Operating 3.5 24 V 工作電流IDDBBOP 0.3 0.5 V 輸出漏電流IOFFBBRP, VOUT = 20V 0.01 10.0 A 輸出上升時間trVDD = 12V, RL = 1.1K O, CL = 20pf 0.04s輸出下降時間tfVDD = 12V, RL = 1.1K O, CL = 20pf 0.1870.0s3.2.3 磁電轉換特性磁電轉換是保證信號輸入的重要環節，被測量通過霍爾板被轉換成電動勢信號，為整個電路提供信號的輸入，如圖3.1就是磁電轉換圖。圖3.1 磁電轉換圖3.2.4 磁場特性 表3.4 磁場特性參數符號（測試條件）最小值典型值最大值單

37、位工作點BOP（Ta=25A5070GsB70100C100150釋放點BRP（Ta=25A2040GsB4070C70120磁滯BHY（Ta=2535Gs在整個霍爾效應中，由工作點、釋放點和磁滯構成整個磁場循環，我們稱它為磁滯回線，是保證霍爾器件能否正常工作的重要指標，如表3.4即為磁場的特性。3.3 系統非功能需求 （1）性能1、內帶反向電壓保護；2、快速上電工作；3、內部溫度補償；4、工作溫度范圍：-40到1505、寬工作電壓：+3.8V到24V；6、超小無鉛封裝。 （2）成本工作電路并不復雜，耗費人力少，易于修改各類參數滿足客戶要求，產品適用范圍較廣，相對制造成本較其他同類產品相比低廉

38、，耐用。3.4 系統開發環境 軟件環境：Debian.GNU/Linux,Linux 5.2.0-4-686-pae/Cadence 00.5.983.5 系統可行性分析3.5.1 技術可行性本課題是以Linux系統為基礎，使用EDA工具Cadence開發研究，其Symbol數據庫采用Cadence其下的Analoglib直接使用，Layout則為自己組建單一模塊，最后進行調用整合連接繪制完整；EDA工具Cadence使用及操作十分簡單，易上手，數據庫類型齊全，數據模型調用方便，DRC，LVS，仿真一體流水式，大大降低工作量和難度。現今霍爾片與常規電路連接方式已經普及，可以用多種方式連接使用，

39、并且使芯片的面積最小化，本論文設計并驗證的為霍爾傳感器重的開關型。當霍爾器件所在位置的磁場還沒有達到工作點之前，器件為高電平輸出，當磁場繼續增大到工作點（!op）時，霍爾片輸出的電壓經過差分放大器的信號處理放大后，被送到施密特觸發器中，使它翻轉導通，即門電路輸出端由高電平變為低電平，我們稱此為“開”狀態.反之，當磁場減小至釋放點（!rp）的時候，門電路輸出端截止，則由低電平變為高電平，稱為“關”狀態。在與放大器結合后，經過信號的放大處理完全可以輸出所需要的信號，并且根據霍爾效應的原理可以將多種測量值進行處理放大以達到所需的目標。隨著稀土永磁體材料的出現和集成電路制造工藝及設計工具的迅速發展，硅

40、型霍爾傳感器開始得到廣泛應用和發展。相比過去的接觸式傳感器，霍爾傳感器具有低成本、寬工作溫度范圍、高靈敏度、耐機械應力和耐久性強等特點，并且還能適應于惡劣的工作環境。特別是采用新一代技術制造的霍爾傳感器，其產品性能得到很大程度的改進和提高。3.5.2 經濟可行性對于目前的電子產品的經濟體系來看，我們生活中的大部分物品都被電子產品所代替，更加方便和快捷，而ES3144作為一款高性能的霍爾傳感器，使用它的電子產品逐年增多，適應能力強，體積小，重量輕，成本低，收益高都成為它普及的種種優勢，在這個以電子信息通訊為主的高科技時代，雖然相對的在所有電子產品的使用中，它的適用范圍還不是非常的普及，但是以現在

41、的科技發展速度我想在以后的電子產品生產中用到的會越來越多。而在專業領域中量子霍爾效應和等離子霍爾效應的發現加速了這一產業的發展，成為其擴大電子產品多樣化的又一助力。第4章系統設計4.1 系統設計指導原則本課題中霍爾元件和其他常規的電路結合不需要復雜的電路連接，直接以霍爾元件的功能可以把被測非電量向的電量參數進行轉化使其直接成為整個電路的輸入端，同時平行霍爾效應使靈敏度更高，四霍爾效應片的設計有效的減小了誤差，使補償電路更加簡潔，整個芯片的面積更小，性能效果更佳。 4.2 體系結構設計系統體系架構如圖4.1所示。VoltageVoltageRegulatorHall PlateAmpVDD 電源

42、 GND 地Output 輸出穩壓調節器霍爾效應片信號放大處理電路波形整形開集電極輸出驅動三極管圖4.1 系統體系結構4.3 電路詳細設計4.3.1 集成穩壓器集成穩壓器也叫電壓調整器，它能使輸入電壓V1或輸出電流I0在一定范圍內變化時，保持輸出V0不變。它被廣泛用于各類電子設備中，用來取代分立器件組成的穩壓電源。由于它的使用便捷、體積較小、各項性能良好、可靠性高并且成本低，因此發展較快，成為模擬集成電路中的一種非常重要產品。目前有兩種穩壓器，一種是開關式穩壓器，另一種是串聯式穩壓器。串聯式穩壓器是對輸出電壓的變化進行采樣，經與基準電壓比較放大后，控制串聯在輸入電壓與輸出電壓之間的功率晶體管（

43、調整元件），調節調整管兩端的電壓，可以使輸出電壓穩定，調整管工作在線性區。開關式穩壓器則是將輸出信號采樣后，再經過變換，去控制負載串聯或并聯的開關的導通與截止，然后利用電感的儲能元件，將脈沖式電流轉換成為負載中連續的穩定電流。開關式穩壓源比串聯式穩壓器的工作效率較高，輸出電壓的變化范圍廣，但其電路復雜，而且需要外接電感或變壓器，因而使用受到限制。所以在本課題中所使用的就是串聯式集成穩壓器。 圖4.2 串聯式集成穩壓器框圖串聯式集成穩壓器主要由基準電壓源、誤差放大器和調整原件三部分組成，如圖所4.2示。此外，還有啟動電路、保護電路（過流、過熱、安全工作區保護等）及偏置電路。當輸入電壓V1或輸出電

44、流I0變化時，通過取樣電阻給誤差放大器的反相輸入端一個反饋信號，再與基準電壓VREF比較，并經過放大后，去控制調整元件，則它工作點作會有一定的變化，從而使輸出電壓V0保持不變。4.3.2 平行霍爾效應元件 圖4.3 平行霍爾效應示意圖本設計是采用標準雙極（Bipolar）工藝制成的霍爾元件，由于電流在外延層內平行于芯片表面流動，因此又稱為平行霍爾元件。它在P型硅芯片上分別外延生長出平行于芯片表面的2個n型電流和霍爾電極，芯片垂直于磁場R。當外延層內的主電流通過芯片表面時，它的靈敏度與垂直于它的磁場相關。同時，外延層的雜質密度與厚度相關。這種霍爾元件的特點是靈敏度較高，一般為300V/AT，且與

45、雙極集成電路兼容，因此廣泛用于霍爾集成電路中。4.3.3 恒流源電路 恒流源電路被廣泛用作偏置電路和有源負載。其基本形式為鏡像電流源電路，為了簡化制造工藝，提高恒流源性能以及適應不同的要求，出現了多種電路形式。恒流源是輸出電流保持恒定的電流源，而理想狀態下恒流源應該具備以下特點：(1)不會因為負載（輸出電壓）變化而變化；(2)不會因為環境溫度影響而變化；(3)內阻會為無限大（以便使電流可以全部流出到外面）；能夠提供恒定電流的電路，則被稱為恒流源電路，又被叫做電流鏡電路。在本設計中最主要使用的為PNP恒流源。在雙極型模擬集成電路中，一般選用NPN管作為電路的放大器件，因此需要互補的PNP管作為有

46、源負載，用來增加電路的增益效果，所以越來越多的電路中使用PNP恒流源，在雙極型模擬電路中應用極廣。各種類型的NPN恒流源都可以轉化為PNP恒流源，只要以PNP管代替NPN管，隨即改變電源的接法和電流的方向。如圖4.4所示的就是PNP基本型恒流源及其改進型電路。 圖4.4 pnp恒流源電路4.3.4 負載電路在本設計中，電路中最常用的是有源負載，是一種主動式負載，能夠表現出穩流非線性電阻特性，它可以是電路設計中的元件，也可以一類測試設備。在電路設計中，有源負載是一種由有源器件組成的電路元件。晶體管等有源器件對小信號產生高阻性，但不需要很大的直流電壓降，這種特性類似于阻值很大的電阻。這類交流負載阻

47、抗某類放大器的交流增益。有源負載常為電流鏡的輸出部分，并可以理想化的方式表示成電流源。有源負載僅是恒流電阻，僅為整個電流源的一部分，因為電流源也包括恒壓源。在集成電路中，為了減小芯片面積和減少補償元件，希望單級有足夠高的電壓增益，以減少放大器增益的級數。經過多重的分析，采用有源負載的放大器有如下的優點：(1)有源負載的交流阻抗很大，所以使每級放大器的電壓爭議提高，因而可以減少放大器的級數，簡化頻率補償。(2)有源負載的直流電阻很小，所以為獲得高的電壓增益不需要很高的電源電壓，因而有源負載放大器可以再低壓、小電流下工作；而且因為電源電壓及電流的下降，可使輸入電流下降，也即提高了輸入阻抗。(3)采

48、用有源負載差分輸入極，可不需要額外元件即可實現“單端化”。4.3.5 偏置電路晶體管構成的放大器要做到不失真地將信號電壓放大，就必須保證晶體管的發射結正偏、集電結反偏。即應該設置它的工作點。所謂工作點就是通過外部電路的設置使晶體管的基極、發射極和集電極的設置使晶體管的基極、發射極和集電極處于所要求的電位（可根據計算獲得）。這些外部電路成為偏置電路。首先就偏置電路的作用來說，我們以常用的共射放大電路舉例，主流是從發射極到集電極的Ic，偏流就是從發射極到基極的Ib。相對與主電路而言，為基極提供電流的電路就是所謂的偏置電路。偏置電路往往有若干元件，其中有一重要電阻，往往要調整阻值，以使集電極電流在設

49、計規范內。這要調整的電阻就是偏置電阻。其次對于靜態工作點，不僅關系到放大電路對輸入信號能否不失真地放大，還對放大電路的性能指標有重大影響，因此，應該選擇合適的、穩定的靜態工作點。這可以通過穩定偏置電路或電流源電路來實現。如圖4.5所示的電路是廣泛采用的一種電流負反饋式偏置電路。下面來分析一下該電路。圖4.5 反饋式偏置電路(1)電路組成Rb1、Rb2和Re組成放大電路的偏置電路，其中Rb1為上偏置電阻，提供基極偏流，IBQ，Rb2為下偏置電阻，對流經Rb1的電流起分流作用，Re為發射極電阻，起電流負反饋作用，Ce為發射極交流旁路電容。(2)穩定靜態工作點原理當溫度上升時，由于三極管參數(ICB

50、O、)的影響，使ICQ增大，發射極電位VEQ=IEQRe亦隨之增大，又因為極基電位VBQ為固定值，必然導致加到發射結的正偏電壓VBEQ減小，IBQ隨之減小，促使ICQ減小。這樣就牽制了ICQ的增大，從而使ICQ基本不隨溫度變化，穩定了靜態工作點。這種自動調節過程為直流電流負反饋。Re越大，直流負反饋的作用就越強，ICQ溫度穩定性也就越好。4.3.6 差分放大輸入端運算放大器的輸入級是運放中最重要的組成部分，運放中的大部分重要性能參數，如輸入失調電壓、輸入阻抗、輸入電壓范圍、失調電流、共模抑制比等都是有輸入級決定的。在一般情況下，運算放大器的輸入級都采用匹配性能較好，輸入失調和溫度漂移非常小的射

51、極耦合對（簡稱射耦對）差分放大電路。它的輸入阻抗高，輸入失調小。漂移小，并且制作工藝簡單。用集成化的辦法可把差分輸入級做得非常對稱，兩個差分輸入端做得非常接近，使外界感應到兩輸入端的干擾的干擾信號是幅度相等、相位相同層的共模信號，而對稱的差分放大級對鞏膜干擾信號有很強的抑制能力，所以差分輸入級的抗干擾能力較強。圖4.6 差分放大輸入級4.3.7 施密特觸發器施密特觸發器是一種脈沖型整形電路，電路中變化緩慢的信號或是變化不規則的信號都可以轉換為陡變信號，理想中的施密特觸發器傳輸曲線如圖4.7（a）所示，這種曲線非常相似磁滯回線，其特性中兩個最重要參數是前沿觸發電壓V+和后沿觸發電壓V-。前沿觸發

52、電壓V+是輸入電壓增加過程中引起電路翻轉動作的觸發電壓，后沿觸發電壓V-是輸入電壓減小過程中引起電路翻轉動作的觸發電壓。由于V-V+,所以施密特觸發器可以作為一種特殊的門限開關。具有反向性質的施密特觸發器其邏輯符號如圖4.7（b）所示。圖4.7 施密特觸發器原理及符號施密特觸發器的波形整形原理可以由圖最終得到說明。在tt1時，不規則或受到干擾的輸入脈沖緩慢增加，但在ViV+這段時間內，施密特觸發器不動作，仍保持其高電平輸出VOH。在t=t1時刻，輸入電壓等于前沿觸發電壓V+，導致施密特觸發器翻轉輸出電平VOL。翻轉至高電平VOH。圖4.8 施密特觸發器狀態工作圖4.3.8 輸出級電路輸出級必須

53、能向負載輸出一定的功率，模擬集成電路對輸出級的要求主要是：(1)輸出電壓或輸出電流幅度大，能向負載輸出規定數量的功率，而且靜態功耗小；(2)輸入阻抗高、輸出阻抗小，在前級放大器和外界負載間進行隔離；(3)能滿足頻率響應的要求；(4)具有過載和短路保護；大連東軟信息學院畢業設計（論文）第5章系統實現5.1 環境配置軟件環境：Debian.GNU/Linux,Linux 5.2.0-4-686-pae/Cadence 00.5.98實現系統的主要方法利用Cadence下的版圖和電路繪制、校對和仿真功能，對電路和版圖進行分析驗證，以保證系統的功能實現。5.2 功能模塊實現（1）模塊一實現（穩壓）圖5

54、.1 穩壓調節器如圖5.1所示，為穩壓調節器部分，是一個串聯式集成穩壓器，其內部主要有啟動和過熱保護電路，基準源和誤差放大器電路，取樣電阻和調整管組成；啟動電路給穩壓器中的恒流源電路建立起始工作點，以及對穩壓器進行輸入過壓保護并消去輸入電壓中的波紋，由于集成穩壓器是功率集成電路，消耗的功率較大，芯片的溫度較高。為了使他長期工作于高溫下而并不至于損壞，必須在穩壓器中設置過熱保護電路。對于雙極及集成電路，硅片上的結溫不能超過+200，在大部分雙極型集成電路的設計中，最高工作溫度穩定在+100170。為了確保這一點，可以設計一個過熱保護電路，當硅片的溫度超過了允許值時，過熱保護電路自動將功率電路切斷

55、，直至溫度下降到安全區。 當輸入電壓或輸出電流變化時，通過取樣電阻給誤差放大器的反相輸入端輸入一個反饋信號，在與基準電壓進行比較，并經過放大后，去控制調整元件的工作點作一定的變化，從而使輸出電壓保持不變。由以上分析可見，可將它看成為一個負反饋式放大器，由誤差放大器、調整元件構成基本放大器，未調節的輸入電壓為供電電源電壓，基準電壓源供給的基準電壓為輸入信號，穩定的輸出電壓為輸出信號，取樣電阻為反饋網絡。在此部分中值得一提的是還有著一個以NPN為原型改造的旁路電容，作用是濾除雜波。即有以上部分組成了一個完整的集成穩壓器。（2）模塊二實現（霍爾效應片輸入）圖5.2 霍爾效應片輸出端本課題中以霍爾效應

56、片作為輸入信號的提供者，霍爾效應片能把大部分的被測量轉換（位移、電壓、磁力等）為電信號，使整個電路的關鍵點成立；即主要使用的是電阻負載式射耦對差分輸入級，圖5.2為電阻負載式射耦對差分輸入級的電路圖，此電路的優點是電路簡單、所用元件少，因而對稱性好、制作容易。缺點是電壓增益小，因為是電阻負載，所以單端化和電平位移電路復雜，輸入最大共模電壓VICM范圍小。（3）模塊三實現（信號放大處理）圖5.3 運算放大器運算放大器的設計相對比較復雜，如圖5.3所示，內部電路種類較多，差分放大對，此電路主要是以電阻和PNP型恒流源作為負載，放大由輸入級過來的信號并有效的減小零點漂移。由于不加偏置電路，信號只有一

57、個半周在基極中產生電流，而且這個半周的一部分會小于三極管的閥值電壓，因此三極管只能放大這個信號的不足一個半周。想要放大整個信號周期就需要加偏置電路，本課題中主要是下偏電流較多，所以以放大作用為主的三極管組合偏置電路使整個三極管的工作更加穩定。此運算放大器分為兩級運行，即一級放大部分和二級放大部分，作用就是使整個電路的信號放大的倍數更大，三極管更加穩定，再加上施密特觸發器在二級放大部分后對整個即將輸出的信號進行整形，濾除雜波，使輸出更加穩定。（5）模塊五實現（輸出）圖5.4 開集電極輸出驅動三極管在本設計電路中，如圖5.4所示輸出部分組成為驅動電路和一個三極管進行輸出，驅動電路為固定的負載提供提

58、供相對應的電流電壓功率等環境，其實質就是一個功率放大器，從而滿足負載的額定功率使得負載可以正常工作，從而相應微弱的信號，這樣的設計使輸出的結果更為穩定，讓整個電路對各種環境下的使用都有所響應。5.3 系統集成與調試（1）電路圖5.5 電路圖如圖5.5所示，將集成穩壓器，運算放大部分和輸出部分進行相連，整個電路就完成了，進行保存后進行電路之間的節點查錯，查找節點是否有漏或交錯的問題，下一步就是對照版圖進行查錯。（2）版圖圖5.6 版圖如圖5.6所示，整個版圖的繪制主要是使用Cadence來完成的，使用的是0.4m工藝，初步進行單一器件的layout建立，完成后根據所給出的布局圖進行布局，調用器件

59、的Layout進行布局組合，最后搭建金屬層，完成版圖。（3）DRCDRC為版圖設計規則檢查，具體流程為open-layout-Verify-DRC，檢查出錯誤后，根據下方提示修改版圖尺寸。圖5.7 DRC程序并成功運行（4）LVS如圖5.8所示，LVS前先要經過Extract，即版圖中的電路提取，其中PNP和電阻需要用特殊的標識層來表示，在進行Extract后即可表示出來。Extract后會出現版圖上的細節錯誤，類似DRC校驗，根據工具欄里的錯誤內容修改版圖。無錯誤后方可進行LVS。圖5.9就是Extract的執行程序已經成功通過。圖5.8 Extract后的版圖圖5.9 Extracted改

60、錯后的結果如圖5.10所示，由于版圖中某新部分會出現無用的器件，在版圖中也許充當著備用的作用或讓版圖的布局更佳均勻，這些器件在電路中并無實際意義，所以在進行LVS的電路圖中可以進行刪減，部分器件在extract中無法提取出來，也可在LVS的電路圖中進行刪減，最后進行版圖電路與電路圖的對比，進行錯誤的查找。圖5.10 用于LVS的電路在LVS后的錯誤查找中一共出現了43處錯誤，大部分原因為連接問題，其他一些為版圖中缺失某些特殊的圖層，最后一些則為“假錯”，即規則內部設定上的錯誤，對以后的芯片流片生產并無大礙。如圖5.11，即為LVS執行程序已經成功通過。圖5.11 LVS執行進程（5）仿真如圖5