CN104502868A - 一种高精度的十字霍尔传感器的电路模型 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度的十字霍尔传感器的电路模型，所述电路模型包括十字型霍尔盘以及依次设置于所述霍尔盘外侧N阱(N-well)层、P衬底，霍尔盘有效区的两侧设有耗尽区，所述霍尔盘包括四枝与一个中间区域，所述四枝分别与中间区域连接，包括用于模拟霍尔盘的中间区域的八个非线性电阻；用于模拟霍尔盘四枝的四个结型场效应晶体管；用于模拟霍尔盘有效区两侧的耗尽区的四个反偏二级管电路；用于模拟霍尔电压的四个受控电流源。有益效果为：在不增加模型复杂度的基础上提高了模型的精确度，保证了模型的对称性，增强了模型交流方面的性能。

Description

一种高精度的十字霍尔传感器的电路模型

技术领域

本发明涉及一种高精度的十字霍尔传感器的电路模型，尤其涉及十字型CMOS霍尔器件的电路建模。

背景技术

CMOS集成霍尔磁场传感器已广泛地应用在工业控制、智能仪器仪表和消费类电子等领域。由于CMOS集成霍尔传感器与CMOS工艺完全兼容，它可以和周边的CMOS信号处理电路集成在同一个芯片上从而实现了片上霍尔传感器芯片的小型化、高可靠性、低功耗和低成本。由于十字型霍尔盘具有高灵敏度、低失调的特点，所以被认为最适合的霍尔盘的几何形状，十字型霍尔盘如图1所示。为了减少开发时间、加快产品更新，就必须一个精确的霍尔传感器仿真模型，能准确地模拟霍尔传感器的性能 。

在霍尔器件出现之初，出现了一系列数学模型来分析霍尔器件，尽管这些模型有很高的精确度，但是无法在Spice等仿真软件中使用。然后出现了一批电路模型，但是没有综合考虑非线性电阻 、几何因素 、 温度和应力等影响， 因此这些模型并不能提供足够高的仿真精度。接着一种基本单元数量可缩比的集总模型被提出，适应了大部分物理效应对霍尔盘的影响。在此模型中，可以通过增加基本单元来提高仿真的精度，这样往往牺牲了模型的运行效率和简易性 。后来出现了一种8电阻模型，考虑了非线性、几何效应、温度效应等。但是，此模型忽视了霍尔电场对耗尽层宽度的影响，照成了模型的非对称性，也就是在模型使用之前，必须规定其偏置端和输出端，而且如果发生改变结果就完全不同。这与理想中的霍尔器件工作方式不相符。

发明内容

本发明目的在于克服以上现有技术之不足，提供一种具有交流方面的性能的高精度的十字霍尔传感器的电路模型，具体有以下技术方案实现：

所述高精度的十字霍尔传感器的电路模型，所述电路模型包括十字型霍尔盘以及依次设置于所述霍尔盘外侧N阱(N-well)层、P衬底，霍尔盘有效区的两侧设有耗尽区，所述霍尔盘包括四枝与一个中间区域，所述四枝分别与中间区域连接，其特征在于包括

用于模拟霍尔盘的中间区域的八个非线性电阻；

用于模拟霍尔盘四枝的四个结型场效应晶体管；

用于模拟霍尔盘有效区两侧的耗尽区的四个反偏二级管电路；

用于模拟霍尔电压的四个受控电流源。

所述高精度的十字霍尔传感器的电路模型的进一步设计在于，所述八个非线性电阻均分为两组阻值相同的电阻，每组电阻的阻值分别设定R1、R2，所述阻值为R1的电阻的对应端相互连接，另一端为输入端通过一反接的二极管接地，两两相邻的输入端之间分别对应连接一个阻值为R2的所述电阻，形成中间区域电路。

所述高精度的十字霍尔传感器的电路模型的进一步设计在于，设定中间趋于电路的阻值为Rs，则

其中，q为电子电量，N_n为有源区的掺杂浓度，V_b为偏置电压，V_H为霍尔电压的，V_bi1为P+与有源区之间的内建电势，V_bi2为P衬底与有源区之间的内建电势，N_P+为P+层的掺杂浓度，N_sub为P衬底的掺杂浓度,

引入电阻的二级温度因子，电阻可以表示为：

其中，R _TC1 ，R _TC2 分别为有源区电阻的一级、二级温度因子。

所述高精度的十字霍尔传感器的电路模型的进一步设计在于，所述场效应管的栅极接地。

所述高精度的十字霍尔传感器的电路模型的进一步设计在于，所述反偏二级管电路由两个电流源S1、S2与电容C1、C2并接组成，所述电流源S1、S2的低电势一段接地， C1和S1用于模拟有源区与P+之间的耗尽层，C2和S2用于模拟有源区与P衬底之间的耗尽层。

所述高精度的十字霍尔传感器的电路模型的进一步设计在于，设定通过反偏二级管电路的反向电流为I，则I可表示为：

其中n_i为本征载流子浓度，τ_p，τ_n为少子寿命。

所述高精度的十字霍尔传感器的电路模型的进一步设计在于，受控电流源S_I模拟的霍尔电压V_H可表示为：

其中，G为几何因子，r_H为霍尔闪射因子，θ_H为霍尔角, t_eff为霍尔盘的厚度，

其中，t _NW 为霍尔盘有源区的深度，t _P+ 为P+层的深度，d _NW,Sub 为有源区与P衬底之间耗尽层的厚度，d _NW,P+ 为有源区与P+层之间耗尽层的厚度。

本发明的优点如下：

    本发明提供的的高精度的十字霍尔传感器的电路模型充分考虑了各种物理效应，比如温度效应、寄生效应、几何效应等；在不增加模型复杂度的基础上提高了模型的精确度，保证了模型的对称性，增强了模型交流方面的性能。

附图说明

图1是十字型霍尔盘的俯视图和截面图；

图2是十字型霍尔盘的切割图;

图3是霍尔盘各部分与电路模型的对应关系图；

图4是结型场效应晶体管四端电路模型；

图5是反偏二极管的电路模型；

图6是仿真数据与测数据的对比图。。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方案进行详细说明。

下面结合附图对本发明方案进行详细的说明。

霍尔器件的电路模型，作为霍尔信号处理电路设计的一个重要组成部分，关系到开发进度、电路性能以及霍尔传感器的性能等各个方面。本设计基于图1中的十字型CMOS霍尔盘，在考虑了几何效应、温度效应、寄生效应等物理效应的基础上，保证了电路模型的对称，提高了模型的精度，增强了模型的交流特性。

如图2所示，十字型霍尔盘可以分为五部分，包括四个个旁枝，一个中间区域。旁枝部分与中间区域有着不同的电流方向，对应旁枝部分，电流基本上是沿着直线方向流动，而中间区域则不同，除了中间区域电流沿着折线流动外，还有一部分电流直接在相连的两边之间流动，所以这两部分我们采用不同的电路去模拟。为了提高电路模型的交流特性，所以用结型场效应晶体管去模拟旁枝部分。而为了体现中间区域电路的流向，8电阻模型被用来完成对中间区域的模拟。图3显示霍尔盘各部分与电路模型的对应关系。

8电阻网络：根据电阻之间的关系可得电阻R ₁ 、R ₂ 与方块电阻R _S 的关系如下式：

而R _S 依赖于霍尔盘有效区的厚度，霍尔盘的厚度可以表示为：

其中，t _NW 为霍尔盘有源区的深度，t _P+ 为P+层的深度，d _NW,Sub 为有源区与P衬底之间耗尽层的厚度，d _NW,P+ 为有源区与P+层之间耗尽层的厚度。所以R ₁ 与R ₂ 都依赖于耗尽层的厚度，然而耗尽层的厚度受霍尔盘内部电场影响。为了保证模型的对称性，不仅仅要考虑偏置电场，同样也要考虑霍尔电场的影响。所以方块电阻可以表示为：

其中，q为电子电量，N _n 为有源区的掺杂浓度，V _b 为偏置电压，V _H 为霍尔电压的，V _bi1 为P+与有源区之间的内建电势，V _bi2 为P衬底与有源区之间的内建电势，N _P+ 为P+层的掺杂浓度，N _sub 为P衬底的掺杂浓度。同时引入电阻的二级温度因子，电阻可以表示为：

其中，R _TC1 ，R _TC2 分别为有源区电阻的一级、二级温度因子。

    结型场效应晶体管：使用4端结型场效应晶体管模型，电路模型如图4所示。S端表示源极，D表示漏极，TG表示P+端，在我们设计中接地，BG表示P衬底，在霍尔盘应用中接地。电路模型中，电流源I_DS以及两端的电阻表示了结型场效应晶体管的直流特性，而其余的电流源与电容器则表示了结型场效应晶体管的交流特性。

反向二极管：如图5所示，反向二极管由两个恒流源以及两个电容组成，其中C1和S1模拟有源区与P+之间的耗尽层，而C2和S2模拟有源区与P衬底之间的耗尽层。

    反向PN间的反向电流可表示为：

其中n _i 为本征载流子浓度，τ _p ，τ _n 为少子寿命。电容可表示为：

受控电压源：受控电流源主要模拟霍尔电压，霍尔电压可表示为：

其中，G为几何因子，r _H 为霍尔闪射因子，θ _H 为霍尔角。引入霍尔灵敏度的二级温度因子，电流灵敏度可表示为：

其中，ɑ _I ，? _I 分别表示霍尔灵敏度的一级、二级温度因子。

    为了验证模型的正确性以及精度，模型被写成Verilog-A语言，并且在模拟器Cadence Spectre中使用，将得到的模拟结果与测试结果就行对比，如图6所示。可见模拟结果与测试结果契合度很高，证明模型的精确度的提高。另一方面，为了证明其对称性，将偏置端与测试端相互颠倒，得到了一模一样的结果，所以证明了模型的对称性。

Claims (7)

1.一种高精度的十字霍尔传感器的电路模型，所述电路模型包括十字型霍尔盘以及依次设置于所述霍尔盘外侧N阱层、P衬底，霍尔盘有效区的两侧设有耗尽区，所述霍尔盘包括四枝与一个中间区域，所述四枝分别与中间区域连接，其特征在于包括

用于模拟霍尔盘的中间区域的八个非线性电阻；

用于模拟霍尔盘四枝的四个结型场效应晶体管；

用于模拟霍尔盘有效区两侧的耗尽区的四个反偏二级管电路；

用于模拟霍尔电压的四个受控电流源。

2.根据权利要求1所述的高精度的十字霍尔传感器的电路模型，其特征在于所述八个非线性电阻均分为两组阻值相同的电阻，每组电阻的阻值分别设定R1、R2，所述阻值为R1的电阻的对应端相互连接，另一端为输入端通过一反接的二极管接地，两两相邻的输入端之间分别对应连接一个阻值为R2的所述电阻，形成中间区域电路。

3.根据权利要求2所述的高精度的十字霍尔传感器的电路模型，其特征在于设定中间趋于电路的阻值为Rs，则

其中，q为电子电量，N_n为有源区的掺杂浓度，V_b为偏置电压，V_H为霍尔电压的，V_bi1为P+与有源区之间的内建电势，V_bi2为P衬底与有源区之间的内建电势，N_P+为P+层的掺杂浓度，N_sub为P衬底的掺杂浓度,

引入电阻的二级温度因子，电阻可以表示为：

其中，R _TC1 ，R _TC2 分别为有源区电阻的一级、二级温度因子。

4.根据权利要求1所述的高精度的十字霍尔传感器的电路模型，其特征在于所述场效应管的栅极接地。

5.根据权利要求1所述的高精度的十字霍尔传感器的电路模型，其特征在于所述反偏二级管电路由两个电流源S1、S2与电容C1、C2并接组成，所述电流源S1、S2的低电势一段接地， C1和S1用于模拟有源区与P+之间的耗尽层，C2和S2用于模拟有源区与P衬底之间的耗尽层。

6.根据权利要求4所述的高精度的十字霍尔传感器的电路模型，其特征在于设定通过反偏二级管电路的反向电流为I，则I可表示为：

其中n_i为本征载流子浓度，τ_p，τ_n为少子寿命。

7.根据权利要求1所述的高精度的十字霍尔传感器的电路模型，其特征在于受控电流源S_I模拟的霍尔电压V_H可表示为：

其中，G为几何因子，r_H为霍尔闪射因子，θ_H为霍尔角, t_eff为霍尔盘的厚度，

其中，t _NW 为霍尔盘有源区的深度，t _P+ 为P+层的深度，d _NW,Sub 为有源区与P衬底之间耗尽层的厚度，d _NW,P+ 为有源区与P+层之间耗尽层的厚度。