盧偉業(yè)， 魏榕山， 蔡魏威

(福州大學(xué) 物理與信息工程學(xué)院，福建 福州 350116)

0 引 言

霍爾傳感器是現(xiàn)階段運(yùn)用層面最為廣泛，特點(diǎn)最為突出的一類磁性傳感器，在當(dāng)今工業(yè)發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，其自身擁有體積小、低功耗、高度集成等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域被廣泛使用[1,2]。主要應(yīng)用于汽車電子、物流運(yùn)輸、家用電器、消費(fèi)電子等領(lǐng)域[3]?；魻杺鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)可分為2個(gè)部分：前端的霍爾器件和后端的信號(hào)處理電路[4,5]?；魻柶骷糜趯?shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的功能，是霍爾傳感器中感知外界的基礎(chǔ)；信號(hào)處理電路則用于完成對(duì)霍爾器件產(chǎn)生的霍爾信號(hào)進(jìn)行失調(diào)電壓的消除，信號(hào)的放大等處理，最終獲得所需的信號(hào)。

霍爾器件作為霍爾傳感器的重要結(jié)構(gòu)，可分為水平霍爾器件和垂直霍爾器件。水平霍爾器件出現(xiàn)時(shí)間較早，結(jié)構(gòu)較為成熟；偵測(cè)垂直于芯片表面的磁場(chǎng)，測(cè)磁面平行于器件表面；器件阱深的要求相對(duì)較小，具有較高的靈敏度[6,7]。垂直霍爾器件偵測(cè)平行于芯片表面的磁場(chǎng)，測(cè)磁面垂直于芯片表面；受工藝限制，阱深較淺，器件的靈敏度較低；失調(diào)電壓高，容易淹沒霍爾電壓[8～10]。三維霍爾開關(guān)傳感器是通過將水平霍爾器件與垂直霍爾器件相結(jié)合得到一個(gè)檢測(cè)三維磁場(chǎng)的霍爾傳感器。

1 霍爾器件原理

1.1 水平型霍爾器件

霍爾器件的霍爾電壓VH為

(1)

式中GH為幾何因子修正，RH為霍爾系數(shù)，t為霍爾器件的厚度，I為流經(jīng)霍爾片的偏置電流，rH為實(shí)際霍爾系數(shù)，q為電荷粒子，N為霍爾器件的摻雜濃度，B⊥為磁場(chǎng)垂直與傳感器表面方向上的分量。

霍爾器件的電流靈敏度SI為

(2)

電流靈敏度的單位為V/(AT)，為霍爾器件的輸出霍爾電壓隨偏置電流和外部磁場(chǎng)的變化率。

本文設(shè)計(jì)采用較長的接觸電極，并且長度略長于十字形叉指的寬度，長電極結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)抑制了工藝偏差帶來的失調(diào)電壓。如圖1所示，為水平十字形霍爾器件的結(jié)構(gòu)圖，接觸電極的放置使器件結(jié)構(gòu)滿足旋轉(zhuǎn)對(duì)稱條件，能使用四相旋轉(zhuǎn)電流法進(jìn)行失調(diào)電壓的消除。

圖1 水平霍爾器件

1.2 雙三孔垂直霍爾器件

五孔垂直霍爾器件在3 V的工作電壓下失調(diào)電壓非常大，達(dá)到了數(shù)十毫伏(mV)級(jí)別，而霍爾信號(hào)遠(yuǎn)小于失調(diào)電壓[9]。考慮器件厚度和電極厚度的影響[10]。針對(duì)現(xiàn)有五孔霍爾器件結(jié)構(gòu)的不足，使用了一種雙三孔垂直霍爾器件，2個(gè)三孔結(jié)構(gòu)互為鏡像，器件整體結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱，有利于降低初始失調(diào)，器件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 雙三孔垂直霍爾器件結(jié)構(gòu)

2 霍爾信號(hào)處理電路

三維霍爾開關(guān)傳感器電路的整體框架主要包括前端的霍爾器件以及后端的霍爾信號(hào)處理電路。霍爾信號(hào)處理電路包括四相旋轉(zhuǎn)電流電路、信號(hào)選擇器、放大器、采樣保持電路、閾值控制電路、比較器、時(shí)鐘邏輯電路和偏置電路。將水平霍爾器件與垂直霍爾器件的的信號(hào)處理電路分開，通過信號(hào)選擇器控制時(shí)序開關(guān)偵測(cè)X軸、Y軸、Z軸方向上的磁場(chǎng)，傳感器整體框架如圖3所示。

圖3 霍爾傳感器整體系統(tǒng)框圖

2.1 四相旋轉(zhuǎn)電流電路

四相旋轉(zhuǎn)電流電路中，K1-K16為受時(shí)鐘信號(hào)控制的開關(guān)；CLK1-CLK4為時(shí)鐘控制信號(hào)；H1-H4對(duì)應(yīng)霍爾器件的接觸電極，包括一組霍爾電極和一組偏置電極。K1-K4和K9-K12控制偏置電流的方向；K5-K8和K13-K16控制霍爾信號(hào)輸出端口的位置，并將疊加有失調(diào)電壓的霍爾信號(hào)傳輸給下一級(jí)電路。 由于霍爾傳感器的偏置電流和輸出端口的位置周期性變換，傳感器的輸出信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)尖峰。為了最大限度地減小瞬態(tài)尖峰，控制信號(hào)CLK1-CLK4采用四相非交疊時(shí)鐘，偏置施加方式和輸出端口發(fā)生周期性變換。因此，完成一次旋轉(zhuǎn)電流后，霍爾信號(hào)被調(diào)制到了2倍的旋轉(zhuǎn)頻率，而失調(diào)電壓保持在直流狀態(tài)，失調(diào)電壓可由后端的開關(guān)電容電路濾除。電路如圖4所示。

圖4 四相旋轉(zhuǎn)電流法

2.2 霍爾信號(hào)放大電路

本文將水平霍爾器件的電路和垂直霍爾器件的電路分開，兩個(gè)電路最大的區(qū)別在于放大器所實(shí)現(xiàn)的增益不同。以圖3中的放大器1為例，信號(hào)放大電路采用閉環(huán)的接法，由電阻控制增益。在垂直霍爾器件的電路中，放大器1在放大器2的基礎(chǔ)上，增加了一個(gè)運(yùn)放，進(jìn)一步提高整體的增益。運(yùn)放電路使用折疊式共源共柵運(yùn)放的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)除了具有擺幅大的優(yōu)點(diǎn)，還能有效抑制電路的共模信號(hào)和減小電路的偶次諧波失真，運(yùn)放的低頻增益為86.25 dB，單位增益帶寬為7.78 MHz，相位裕度為75.67°，低頻時(shí)共模抑制比(CMRR)的值為125 dB。運(yùn)放電路如圖5所示。

圖5 霍爾信號(hào)放大電路運(yùn)放

2.3 相關(guān)雙采樣保持電路

相關(guān)雙采樣保持技術(shù)是以由運(yùn)放和開關(guān)電容組合成的信號(hào)采樣電路，是一種動(dòng)態(tài)消除噪聲和失調(diào)的技術(shù)。通過對(duì)電容在不同階段時(shí)刻進(jìn)行充放電，存儲(chǔ)和消除噪聲的過程。

3個(gè)階段φ1，φ2，φ3構(gòu)成完整的采樣工作周期。當(dāng)?shù)谝浑A段φ1的時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，由時(shí)鐘φ1控制的傳輸門開啟，φ2，φ3控制的傳輸門關(guān)閉。施加共模信號(hào)VCM，這時(shí)默認(rèn)C1的左邊極板上的電容充電，電荷量儲(chǔ)存值為共模電壓的值。同理，φ2上升沿到來時(shí)，時(shí)鐘φ2控制的傳輸門開啟, 其余傳輸門關(guān)閉。施加VCM，C3電容充電，電荷量同樣為1.65 V。時(shí)鐘φ1和φ2完成后，理論上由時(shí)鐘φ1和φ2控制的傳輸門都儲(chǔ)存了相應(yīng)的電容值，這時(shí)它們的電容存儲(chǔ)值相減。當(dāng)時(shí)鐘φ3上升沿到來時(shí)，由時(shí)鐘φ3控制傳輸門開啟，傳到電容C2處，在C2上就會(huì)儲(chǔ)存相應(yīng)的電容值。相關(guān)雙采樣保持電路的電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 相關(guān)雙采樣保持電路

由于運(yùn)放電路的電壓只能放大到3.3 V，所以電容充電類似電阻的放大，最終形成運(yùn)放和電容的放大信號(hào)反饋模式。改變電容的比值可改變信號(hào)放大的倍數(shù)，兩電容之間的傳輸門是將電容嫁接到運(yùn)放電路中，并以此利用開關(guān)電容消失調(diào)。

2.4 閾值可調(diào)電路

為了適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了一個(gè)閾值可調(diào)電路。通常，比較器結(jié)構(gòu)確定后，閾值隨即確定，且該數(shù)值通常較小。為了得到可以控制的閾值，可在比較器兩個(gè)輸入端的外部，分別增加一個(gè)以電阻為主要部件的電路?；魻栃盘?hào)先由該部分電路處理，利用電阻分壓的方式，調(diào)整其最終輸入到比較器輸入端的電壓值。其中一個(gè)輸入端對(duì)應(yīng)的閾值控制電路結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 閾值控制電路結(jié)構(gòu)

電路設(shè)計(jì)中，兩條支路一共包含了10個(gè)傳輸門，由 3個(gè)開關(guān)對(duì)其進(jìn)行控制，使電路具有8檔可調(diào)的閾值?？梢约僭O(shè)比較器輸入端固有的閾值為10 mV，若需要50 mV的閾值，則可在兩條支路的Vin處加入50 mV的電壓，通過調(diào)整電阻的阻值或個(gè)數(shù)，使連接到比較器2個(gè)結(jié)點(diǎn)之間的壓差為10 mV，則該情況下的閾值即為50 mV。

3 結(jié)果與分析

本文電路基于SMIC 180 nm工藝，工作電壓為3.3 V，工作電流為7 mA，利用Cadence仿真軟件的仿真功能對(duì)電路模塊進(jìn)行分析與仿真。

對(duì)信號(hào)放大電路模塊的初始失調(diào)電壓進(jìn)行蒙特—卡洛仿真，仿真的樣本數(shù)設(shè)置為200，電路的初始失調(diào)電壓基本上在0.5 mV的范圍內(nèi)，只有個(gè)別的失調(diào)電壓分布在1.5 mV至2 mV的范圍內(nèi)，電路的失調(diào)電壓較小。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 輸入失調(diào)電壓仿真結(jié)果

使用Spectre的瞬態(tài)仿真功能對(duì)相關(guān)雙采樣電路的信號(hào)進(jìn)行提取，輸入信號(hào)經(jīng)過旋轉(zhuǎn)電流電路處理和放大后，穩(wěn)定的幅度值約為600 mV。采樣信號(hào)輸出結(jié)果如圖9所示。圖9上半部分為運(yùn)放輸出信號(hào)，下半部分為相關(guān)采樣之后的信號(hào)。將二者進(jìn)行對(duì)比可以看出運(yùn)放輸出約600 mV的信號(hào)值，經(jīng)過采樣作用以后，輸出的幅值也逐漸穩(wěn)定在約600 mV，信號(hào)采樣模塊基本符合要求。

圖9 相關(guān)采樣和輸出運(yùn)放信號(hào)對(duì)比

經(jīng)采樣信號(hào)的幅值與閾值控制比較模塊比較后，采樣信號(hào)若大于閾值控制信號(hào)，則輸出信號(hào)發(fā)生高低電平的轉(zhuǎn)換。采樣輸出信號(hào)經(jīng)過閾值控制和比較器模塊后輸出的結(jié)果，如圖10所示。圖10發(fā)生了由高電平到低電平的轉(zhuǎn)換，則感測(cè)到了外界的特定磁場(chǎng)方向，進(jìn)而說明該方向的磁場(chǎng)得到偵測(cè)；反之該方向則無磁場(chǎng)作用。

圖10 閾值控制信號(hào)比較輸出

4 結(jié)束語

本文基于SMIC 180 nm CMOS工藝設(shè)計(jì)了一種低功耗閾值可調(diào)三維霍爾開關(guān)型傳感器，通過使用四相旋轉(zhuǎn)電流電路和相關(guān)雙采樣保持電路降低了霍爾器件的失調(diào)電壓，并通過信號(hào)處理電路能得到一個(gè)檢測(cè)三維磁場(chǎng)的開關(guān)型霍爾傳感器。