文摘

随着电力系统的不断智能化,数字芯片和传感器芯片的集成需求,如物联网也增加。CMOS直系磁霍尔传感器前端在当前工作模式与可编程增益阶段是设计和实现中芯国际55纳米标准CMOS技术。通过使用spinning-current技术、直升机技术,数字校准技术消除偏移电压和非线性,这种磁霍尔传感器可以很容易地集成到数字系统(比如出类拔萃。这项工作已经完成了电路仿真和布局设计,以及所有仿真指标基本达到期望值。提出了传感器系统的最大增益可达到33.9分贝。总功率小于4兆瓦。和总面积小于0.113μ米²。磁霍尔传感器可以很容易地集成到芯片等电力物联网形成single-chip-level SoC设计,主要用于应用程序(如断路器和电能测量。

1。介绍

超大规模集成电路的快速发展,各种新型设备和各种数字芯片用于电网和相关数模混合传感器芯片也正在出现。常用的电力物联网专用控制芯片通常只有一个集成级别数模/模数转换器的水平,和相应的传感器部分仍然需要被连接到一个芯片外的筹码。考虑到系统的整体功能实现和实现足够的性能以较低的成本,SoC芯片(系统)设计已逐渐成为主流。在会议的前提下标准CMOS硅制造过程,许多芯片外传感器电路部分已经被集成到SoC single-chip-level设计。霍尔传感器是其中一个很容易与标准CMOS集成过程。作为特殊的芯片的一部分电力物联网,它可以测量当前线内没有接触通过测量输电线路附近的磁感应强度,可应用于各种场合,如断路器和能量测量。

霍尔传感器广泛应用于汽车和工业应用,如电流测量、角度检测和位置检测。霍尔传感器是首选,因为他们的低成本、低功耗、宽范围、高敏感性,和伟大的兼容性标准CMOS。传感器不捏造的专门技术,他们也遭受灵敏度漂移板和偏移量在大厅。通常,可以消除抵消spinning-current和直升机技术。可以将灵敏度漂移补偿由查表,模拟补偿技术,或数字校准技术。查表是最简单的方法灵敏度漂移补偿,但性能很差。模拟补偿技术可以实现更好的性能,但导致更高的复杂性和成本。数字校准技术是首选,因为它比查表和很容易实现在数字域和一个精心设计的标定算法。

2。材料和方法

主体结构的提出了霍尔传感器系统呈现在图1。它由一个核心,一个电流镜和偏见,两个阶段的微分放大器,斩波电路和时钟发生器。

在这个设计中,大厅设备偏置电流由一对镜子产生一对差动霍尔电压。微分霍尔电压微分放大器Amp1恒定增益放大。然后,Amp1通过斩波电路的输出,消除霍尔板的偏移电压。与可编程增益放大后Amp2,最终的输出是由一个16位1议员ADC采样和测量,然后在数字域处理。时钟发生器产生不同的时钟大厅核心实现spinning-current技术和补偿电压斩波器减少大厅。每一块的细节将在下面讨论。

2.1。电流镜和Vbias

与100年大厅核心是有偏见的μ一个恒定电流产生一个稳定的霍尔电压。降低共模电压霍尔电压,一双电流镜实现由PMOS和NMOS单独使用一个宽摇摆不定的级联结构。图2显示当前的细节反映节点vbp4 vbn1来自Vbias电路。

Vbias电路提供了当前节点从vbp4 vnb1镜子。也就是说,它基本上是一个constant-Gm结构可以提供令人满意的免疫力电源(1]。

2.2。大厅的核心

大厅核心由霍尔板和8个开关设备或所谓的大厅。大厅与n型半导体设备实现,更明确,n阱地区。图3展示大厅的典型几何设备。霍尔板的常见类型包括矩形、桥梁、和交叉。在这个设计中,交叉类型选择,和P +区域添加在n阱摆脱上电路的影响。

图4显示了一个霍尔板电路仿真的模型。和它的基本框架仍采用最基本的惠斯通电桥结构(2,3]。手臂上的四个电阻表示n阱扩散阻力的四个指状组合型的地区。中间的四个电阻是电阻板中部地区的大厅。的寄生电容电容器作为接触孔板来模拟瞬态响应的大厅。和四个电流控制电压源是用来模拟霍尔效应和控制的电流通过接触孔。这个模型的输出电压随磁场强度动态变化。例如,它可以产生84一对μ96 V电压微分大厅,伴随着μV 10 mT@20千赫以下补偿电压。这个模型显示的电路。

消除大厅补偿电压引入的几何不对称,大厅里我们采用spinning-current技术核心电路采用8开关(4- - - - - -8]。图5介绍了基本结构。8的时钟开关工作周期方波50%和50 MHz。clk1和clk2是180°之间的阶段。当前的方向是从ibp伊本。它工作在两个不同的阶段。

在第一阶段中,偏置电流从节点na流向节点数控;因此,霍尔电压差从节点nb和节点生成nd:

在第二阶段中,偏置电流从节点nb流向节点nd;因此,霍尔电压差从节点数控和节点生成钠:

如果当前方向的切换频率远远大于磁场的变化频率,那么磁场在这两个阶段大约不变。电压减去从这两个阶段,获得微分霍尔电压

使用当前技术和旋转港口和阶段可以进一步减少补偿电压,但它会增加系统的复杂性,限制系统的工作速度。有必要协调系统速度和偏移电压之间的关系。

2.3。差分放大器

霍尔效应非常弱。和输出的霍尔电压调制模块很小,在订单的μV ~ mV。因此,它必须在解调之前被放大。微分放大器由两个单端运算放大器和几个抗性。自大厅磁盘输出信号较弱,第一阶段的增益可调放大器需要低噪声和高输入阻抗。Amp1,两级folded-cascode可选与米勒补偿放大器用于这个设计。Amp2,三个开关是用于获得可编程增益。的详细结构Amp1 Amp2如图6(一)和6 (b)。这样实现,Amp1可以提供一个获得20,Amp2可以提供增加250/49.2/9.1时得到了[1][2]/ /获得[0]是单独启用。运算放大器的电源实现2.5 V,和静态功耗是370μ答:开环增益高达80分贝。和开环截止频率为200 MHz (9- - - - - -11]。

2.4。斩波器

Amp1之间的斩波电路设计和Amp2减少大厅的偏移电压设备通过集成霍尔电压介绍和在两个钟vhn阶段(12]。斩波电路的实现与多个电容器。详细的结构如图7。和时钟clk3 clk5也由时钟发生器生成。在clk3阶段,存储在电容器上。然后,在clk4阶段,存储在电容器上。在clk5阶段,和集成的输出电容器。只要输入电容和输出电容的比值控制是2:1,输出电容的值 。

2.5。时钟发生器

时钟发生器生成5钟大厅核心和斩波电路13]。这些时钟的相图呈现在图8。这些时钟的参数是至关重要的。因此,环D触发器结构和数字合成技术,这些参数可以严格精确。图9显示了环D触发器的时钟发生器结构(例如,clk3)和表1这些时钟的参数列表。

3所示。结果与讨论

这项工作已经完成了电路仿真和布局设计。提出了大厅的布局设计板如图10。和整个系统的布局设计如图11。仿真结果表明,提出的霍尔传感器系统可以放大168μ电压(96 v (Vpp)大厅μv抵消)到414 mv (-27 mv抵消)。利用霍尔传感器系统,提出了霍尔电压放大了2460倍。

性能概要表给出2(灵敏度与大厅设备模型)。

4所示。结论

仿真结果表明,霍尔传感器系统前端放大霍尔电压和减少补偿电压的能力。同时结合ADC,霍尔电压数据可以很容易地处理CPU或DSP。同时,由于传感器系统的设计是基于标准的中芯国际55纳米过程,必要的数字控制逻辑与ADC部分,设计很容易融入特定的SoC芯片相应的权力。我们的霍尔传感器系统的优点是小区域消费和容易与SoC芯片集成。当前,由于高频旋转技术,这个大厅传感器系统可以处理高达100千赫交变磁场不超过3分贝衰减。

在本文中,大量的工作进行了CMOS大厅设备优化设计,抵消消除,和信号放大电路技术,以及霍尔器件模拟建模和其他方面。虽然我们已经取得一些有意义的结果,仍存在一些不足。未来的计划包括以下方向。

我们主要采取了两阶段spinning-current的动态补偿消除技术。然而,剩余偏移仍然很高,这是由于大厅的敏感性设备制造过程的波动和结型场效应。我们将使用四阶段spinning-current技术结合大厅设备的完全对称结构设计改进的能力消除大厅设备偏移和获得较低的剩余偏移量。此外,负面反馈技术将被应用到信号调节电路,减少残余抵消信号调节电路本身造成的。机械应力补偿技术在芯片还将探索消除偏移引起的机械应力后包装。

数据可用性

繁殖所需的原始/处理数据不能共享这一研究获得的结果在这个时候,因为他们是在一个正在进行的研究中使用。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。