[发明专利]一种十字形CMOS集成霍尔磁传感器的电路仿真模型

说明书

技术领域

本发明涉及一种十字形CMOS集成霍尔磁传感器的通用电路仿真模型。该模型几乎考虑了霍尔传感器的各种物理与几何效应，能模拟霍尔传感器的各种直流、交流和瞬态特性，可在通用的Spice仿真器上与其他电子电路一起完成器件和电路的混合仿真。

背景技术

霍尔磁场传感器是一种利用霍尔效应原理实现磁电转换的器件，常用于磁场的检测。用CMOS工艺制造的霍尔磁场传感器不仅具有工艺简单、成本低等优点，而且还可以和控制、驱动电路集成在同一个芯片内部，从而实现传感器微系统的低功耗、高可靠性和微型化。现如今CMOS集成霍尔传感器已广泛应用在工业控制、智能仪器仪表和消费类电子等领域。除了直接测量磁场，它还可以非直接测量距离、位置、旋转角度、速度和电流等信号。例如霍尔传感器可作为一个汽车速度传感器、一个代替机械开关的电子开关，或者一个无刷直流电机转子位置的检测器等。

CMOS霍尔磁场传感器分为水平型和垂直型两种。水平型霍尔器件应用广泛，技术成熟，能检测垂直于器件表面的磁场变化。垂直型霍尔器件可检测平行于器件表面的磁场变化，虽然在20多年前已被提出，但必须在深阱高压CMOS工艺下制造。所以直到2007年Joris等人才第一次在标准的0.35um CMOS工艺下成功研制了一个垂直型霍尔器件，但相对于水平型霍尔器件，它的磁场灵敏度较低，应用方面还有较大的局限性。

众所周知，由于不能通过优化工艺条件来提高器件性能，CMOS集成霍尔传感器的磁场灵敏度相对于分立霍尔器件以及BiCMOS集成器件较低；同时又易受温度、结效应和机械应力等非理想因素的影响，产生的失调电压和低频噪声较大，常常淹没了微弱的霍尔信号，因此必须依靠集成在同一芯片上的后续信号调理电路来完成对微弱霍尔信号的放大、失调和噪声的消除以及温度和应力效应的补偿等功能。其中，霍尔失调和噪声的消除是整个信号处理技术的关键。主要的失调消除技术有归零法、双采样法和旋转电流法。相比之下，旋转电流法电路简单、效果好，不仅能消除霍尔器件产生的失调和低频噪声，而且能有效消除掉信号调理电路自身的失调，因而得到广泛的应用。

为了使用旋转电流法，水平型CMOS集成霍尔传感器在制造是通常都采用90°旋转对称的结构。然而为了便于将集成霍尔传感器和信号处理电路一起混合仿真，提高电路级仿真的精确性，就必须提取一个精确的霍尔传感器仿真模型作为电路的信号源输入。这就要求提取的模型能考虑到霍尔传感器的各种重要的物理效应、几何效应和工艺影响，能准确的模拟霍尔传感器的直流、交流、瞬态行为，另外提取的模型结构要简单可靠，这样电路设计者才能方便地在通用的Spice仿真器上完成对霍尔器件和电路的混合仿真。

早期，水平型霍尔传感器的仿真模型的推导几乎都是基于四个电阻的惠斯通电桥结构，但是这些模型并不能提供足够高的仿真精度。主要是因为这些模型并没有完全考虑所有相关的物理与几何效应(比如非线性电导效应、温度效应、PN结效应、几何形状对磁场灵敏度的影响、封装应力的影响等等)，不能全面的模拟霍尔传感器的各种性能和寄生效应。同时，四电阻的惠斯通电桥结构也不能精确地模拟霍尔器件相邻两个接触端口之间的电阻，所以也不能模拟封装应力引起的压阻效应而带来的失调。

后来又有学者在此基础上提出了基于结型场效应晶体管的模型，用结型场效应晶体管代替惠斯通电桥中的电阻。以此模型为基础，P.D.Dimitropoulos等人于2007年成功的提出了一种基本单元数量可缩比的集总模型，可以全面模拟除应力以外的其它各种非理想因素带来的影响。该模型的基本单元由结型场效应晶体管和电流控制电流源构成，以牺牲仿真速度换取增加基本单元的数量来提高仿真精度。然而该仿真模型的应用却存在很大的局限性，主要是因为绝大多数标准CMOS工艺线并不提供结型场效应晶体管的仿真模型，电路设计者自然也无法使用该模型进行CMOS电路的仿真。

综上所述，提取一个结构简单、精确度高、能够直接在仿真器上使用的CMOS霍尔元件的通用仿真模型是成功设计出CMOS霍尔传感器的一个非常关键的因素。对于该模型的要求是：能准确模拟出霍尔器件的各种行为，特别是模拟出偏置电压或电流、温度、封装应力对磁场灵敏度的影响，封装应力、工艺波动对失调的影响。

发明内容

技术问题：本发明针对十字形CMOS霍尔传感器提出一种通用的电路仿真模型。该模型只包含一个由非线性电阻、寄生电容以及受电流控制的电压源构成的无源网络，完全考虑了霍尔传感器的非线性电导效应、温度效应、几何效应、封装应力等，用模拟硬件描述语言Verilog_A或VHDL_A进行描述，可在通用的电路仿真器如Cadence的Spectre上进行仿真。