开关型集成霍尔传感器的研究与设计

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随着现代电子技术的快速发展,传感器不但在工业自动化领域的应用越来越广泛,汽车工业、消费电子工业、国土安全、医疗保健和国防工业等等领域也不例外。现在,具有信息探测和转换功能的传感器已成为电子信息领域中不可或缺的部分。在众多传感器中,具有磁场探测功能的霍尔传感器在全球传感器中扮演着至关重要的角色,2010年霍尔传感器的总市场价值为7.7亿美元,而到2016年预期将达到14亿美元,这期间以8.7%复合年均增长率保持增长。同时,人们对霍尔传感相关技术的研究仍在持续中,霍尔传感技术可谓前途无量。本文基于HHNEC BCD350nm工艺设计一种开关型集成霍尔传感器。首先对霍尔传感单元(霍尔板)的原理、性能及设计方案进行了解、分析,并予以工艺实现。然后基于霍尔板性能和输出参数进行信号电路设计,着重解决三个难题:微弱霍尔信号的读出与放大;霍尔板输出失调的消除;霍尔板霍尔灵敏度温漂的补偿等。这些问题的解决为后续的集成霍尔传感器设计提供了经验和理论技术支持。本文设计主要包括以下4个方面:(1)根据霍尔效应和霍尔感应相关理论和技术,基于HHNEC BCD350nm工艺设计高灵敏度的霍尔板;(2)采用开关电容和放大器结合的方法,设计电路读出霍尔电动势,并对霍尔信号进行放大;(3)采用正交电流法和采样保持电路、开关电容技术来消除霍尔板的输出失调电压,该电路同时对运放的失调电压也有一定的抑制作用;(4)在信号处理电路中引入了温度补偿技术,来平衡霍尔板灵敏度的温漂,从而优化电路的温度性能。在芯片设计过程中,采用Cadence的schematic edit工具进行电路设计,并利用Cadence的specture工具进行子模块电路和整个电路的功能仿真调试和验证,最终整设计系统电路。使用Cadence的Virtuoso layout edit工具进行版图设计,并进行仿真验证(DRC、LVS、XRC等)且优化版图,最终设计出版图。
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