一种低失调垂直型霍尔传感器研究与设计

发布时间：2019-11-29 20:44

【摘要】：CMOS集成霍尔传感器由于具有成本低、功耗低、集成度高以及抗干扰能力强等众多优点,已经广泛应用于工业控制、汽车、智能仪器仪表和消费电子等领域,实现对磁场的探测。但是在很多情况下被测磁场并不是单一确定方向,因此必须同时使用水平和垂直型霍尔器件对三维磁场方向进行检测。相比与水平型霍尔器件,垂直型霍尔器件的磁场灵敏度更低,失调更严重。因此本文针对垂直型霍尔传感器的器件结构和信号调理电路进行了研究,设计了一种电流模式的低失调、高灵敏度的垂直型霍尔传感器。第一,设计了一种新颖的、结构对称的垂直型霍尔器件,降低初始失调。结构不对称是垂直型霍尔器件初始失调高的主要原因,本文基于CMOS高压工艺提出一种双阱三孔耦合器件,该结构不仅具有良好的对称性,初始失调低,而且能够满足四相旋转电流失调消除技术要求,残余失调小。Silvaco TCAD仿真结果表明,该双阱三孔耦合器件在3V下的初始失调为0.94mV,四相旋转电流后的平均失调低至12μV,电压灵敏度为0.027/T,电流灵敏度高达180V/AT。第二,设计了一种基于电流模式的四相旋转电流电路,有效消除了霍尔器件失调和1/f噪声,并显著提高了霍尔器件电流灵敏度。一方面,电流模式的霍尔器件灵敏度比电压模式高出一倍,该工作模式能有效改善了垂直型霍尔器件的灵敏度低的缺点;另一方面四相旋转电流技术能更有效消除垂直型霍尔器件失调和1/f噪声。本文设计了一种基于电流模式的四相旋转电流电路,不仅将霍尔器件电流灵敏度提高了1倍,达到0.054T-1,而且可以有效输出霍尔电流,获得低的残余失调。第三,设计了一种带有负反馈调制功能的信号调理电路,降低信号调理电路的失调。垂直型霍尔传感器失调来源于垂直型霍尔器件自身失调和信号调理电路的失调。本文设计了一种基于负反馈原理的调制电路,将信号调理电路的输出电压进行调制,然后与旋转电流电路的输出信号一起送入差分-差分放大器,再通过双相关采样解调和低通滤波处理,最终恢复出霍尔信号并消除霍尔器件与信号调理电路的失调。使用Cadence工具仿真了垂直型霍尔传感器整体电路功能,电路最终残余失调仅为0.3mT,线性度99.9%;设计了整体电路版图并完成了后仿真,版图面积为1250μm×1010μm。
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP212

【引证文献】