CN108520122A - 一种基于Spice十字型霍尔仿真模型的建模方法及电路模型 - Google Patents

一种基于Spice十字型霍尔仿真模型的建模方法及电路模型 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于Spice十字型霍尔仿真模型的建模方法，根据技术手册中各种关系曲线拟合得出霍尔输出与各个影响量之间的关系，通过利用LTSpice软件建立十字型霍尔仿真模型。建立的十字形电路模型中各个输出参数根据前述建模方法中获取的参数函数式进行控制。该建模方法建立的电路模型考虑了温度、非线性电阻等诸多因素，能够准确描述不同霍尔间的差异，且由于该电路模型中的参数来源极易获得，具有良好的实用性。并且通过对电路模型中的参数进行设置后，可以方便改变霍尔的性能，进而方便完成如蒙特卡洛分析等可靠性分析工作。

Description

一种基于Spice十字型霍尔仿真模型的建模方法及电路模型
技术领域
本发明涉及一种基于Spice十字型霍尔仿真模型的建模方法，还涉及一种基于Spice十字型霍尔仿真模型的电路模型。
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。由于霍尔元件供应商并不提供霍尔仿真模型，对于电路设计者而言，往往需要借用文献中的模型或者自建霍尔模型才能进行霍尔传感器的仿真。
授权公告号为CN102236736B(申请号为201110191728.3)的中国发明专利《一种十字形CMOS集成霍尔磁传感器的电路模型的仿真方法》中公开了一种霍尔磁传感器的电路模型，在期刊《仪表技术与传感器》2011年的第10期公开的论文“十字形CMOS集成霍尔磁传感器的简化仿真模型”中也公开了一种霍尔磁传感器的仿真模型，这些霍尔磁传感器模型能够模拟活儿传感器的各种直流、交流和瞬态特性，方便应用于工程电路中，但是前述现有技术中公开的霍尔磁传感器的仿真模型在建立时需要知道霍尔迁移度、N阱的掺杂浓度等8个工艺参数和2个器件几何参数，但实际应用中，霍尔元件厂商基于自身保密需求，在技术手册中仅给出霍尔输出与各个影响量之间的关系曲线，并不直接提供上述参数。如此现有技术中如前述公开的霍尔磁传感器模型通常采用文献中的通用参数，不能体现不同霍尔元件之间的差异。而事实上，不同霍尔元件的性能差异较大。前述公开内容中的霍尔磁传感器模型并未充分考虑温度、非线性电阻等对霍尔输出的影响，霍尔磁传感器模型不够精确，降低了仿真的准确度。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术提供一种能够通过技术手册获取准确的霍尔仿真模型参数，还能通过参数设置进行诸如蒙特卡洛分析等可靠性分析等进一步分析工作的基于Spice十字型霍尔仿真模型的建模方法。
本发明所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术提供一种能够准确描述不同霍尔之间差异，实用性更好的霍尔仿真模型的电路模型。
本发明解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种基于Spice十字型霍尔仿真模型的建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
根据技术手册上标定磁感强度B0以及标定温度T0条件下霍尔元件的理论输出电压VH与驱动电流Ic的关系曲线拟合获取标定磁感强度A以及标定温度T0条件下霍尔元件理论输出电压VH与驱动电流Ic之间的函数关系式：
VH＝fH(Ic)； 公式(1)
根据霍尔效应，霍尔元件的输出与霍尔元件的环境磁场强度B成正比，进而获取在标定温度Ta以及环境磁场强度B条件下霍尔元件的理论输出电压VH与驱动电流Ic之间的函数关系式：
根据技术手册上特定磁感强度B1条件下霍尔元件的失调电压VOS与驱动电流Ic的关系曲线拟合获取特定磁感强度B1条件下霍尔元件的失调电压VOS与驱动电流Ic之间的函数关系式：
VOS＝fOS(Ic)； 公式(3)
由于霍尔元件的失调电压VOS与霍尔元件的环境磁场强度B无关，则公式(3)适用于任意环境磁场强度B条件下的计算；
根据技术手册上标定驱动电流I0以及标定磁感强度B0条件下霍尔元件的理论输出电压VH与霍尔元件的环境温度T的关系曲线拟合获取标定驱动电流I0以及标定磁感强度B0条件下霍尔元件的理论输出电压VH与霍尔元件的环境温度T之间的函数关系式：
VH＝fH(T)； 公式(4)
根据公式(2)计算获取标定驱动电流I0以及标定磁感强度B0条件下的霍尔元件输出电压值V，进而综合公式(2)和公式(4)获取霍尔元件的理论输出电压VH与驱动电流Ic、环境磁场强度B、环境温度T之间的函数关系式：
根据技术手册上标定驱动电流I0以及特定磁感强度B1条件下霍尔元件的失调电压VOS与霍尔元件的环境温度T的关系曲线拟合获取标定驱动电流I0以及特定磁感强度B1条件下霍尔元件的失调电压VOS与霍尔元件的环境温度T之间的函数关系式：
VOS＝fOS(T)； 公式(6)
根据公式(3)计算获取标定驱动电流I0以及标定磁感强度B0条件下的霍尔元件的输出电压值V0，进而综合公式(3)和公式(6)获取霍尔元件的失调电压VOS与驱动电流Ic、环境磁场强度B、环境温度T之间的函数关系式：
霍尔元件的输入VH-final为霍尔元件的理论输出电压与失调电压VOS之差，总和公式(5)和公式(7)获取霍尔元件的输入输出函数关系式为：
根据技术手册上霍尔元件的输入输出电阻R与霍尔元件的环境温度T的关系曲线拟合获取输入输出电阻R与霍尔元件的环境温度T之间的函数关系式：
R＝fR(T)； 公式(9)
根据前述公式拟合霍尔元件的建模参数，进而利用LTSpice软件建立十字型霍尔仿真模型。
本发明解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种应用前述的基于Spice十字型霍尔仿真模型的建模方法建立的电路模型，其特征在于：包括第一电桥、第二电桥、第三电桥和第四电桥，第一电桥、第二电桥、第三电桥、第四电桥的公共端连接在一起构成十字形电桥模型；
所述第一电桥、第二电桥的自由端共同构成霍尔的电流输入端；
所述第三电桥、第四电桥的自由端共同构成霍尔的电压输出端；
所述第一电桥上自自由端至公共端依次连接有磁场输入结点、第一输入电阻Rin1，所述第一输入电阻Rin1＝R/2；
所述第二电桥上自自由端至公共端之间连接有第二输入电阻Rin2，所述第二输入电阻Rin2＝R/2；
所述第三电桥上自自由端至公共端依次连接有第一霍尔电压源V1、第一输出电阻Rout1、第一霍尔失调电压源VOS1；所述第一霍尔电压源V1＝VH/2，所述第一输出电阻Riout1＝R/2，所述第一霍尔失调电压源VOS1＝VOS/2；
所述第四电桥上自自由端至公共端依次连接有磁场输入结点、第二霍尔电压源V2、第二输出电阻Rout2、第二霍尔失调电压源VOS2；所述第二霍尔电压源V2＝VH/2，所述第二输出电阻Riout2＝R/2，所述第二霍尔失调电压源VOS2＝VOS/2。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的建模方法在建立十字型霍尔仿真模型时，根据技术手册中各种关系曲线拟合得出霍尔输出与各个影响量之间的关系，进而获取霍尔的电路模型，霍尔模型中的参数来源于技术手册，具有较高的准确性。并且该建模方法考虑了温度、非线性电阻等诸多因素，通过该建模方法建立的霍尔的电路模型能够准确描述不同霍尔间的差异，且由于该电路模型中的参数来源极易获得，具有良好的实用性。并且通过对电路模型中的参数进行设置后，可以方便改变霍尔的性能，进而方便完成如蒙特卡洛分析等可靠性分析工作。
附图说明
图1为本发明实施例中十字型霍尔仿真电路模型的结构图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本实施例中的基于Spice十字型霍尔仿真模型的建模方法在建立电路模型时，首先通过LTSpice软件建立一个呈十字型的霍尔仿真电路模型。该十字型的电路模型包括第一电桥、第二电桥、第三电桥和第四电桥，第一电桥、第二电桥、第三电桥、第四电桥的公共端连接在一起构成十字形电桥模型。
第一电桥、第二电桥的自由端共同构成霍尔的电流输入端。第三电桥、第四电桥的自由端共同构成霍尔的电压输出端。第一电桥上自自由端至公共端依次连接有磁场输入结点VIST1、第一输入电阻Rin1。第二电桥上自自由端至公共端之间连接有第二输入电阻Rin2。第三电桥上自自由端至公共端依次连接有第一霍尔电压源V1、第一输出电阻Rout1、第一霍尔失调电压源VOS1。第四电桥上自自由端至公共端依次连接有磁场输入结点VOM1、第二霍尔电压源V2、第二输出电阻Rout2、第二霍尔失调电压源VOS2。
各个参数的获取方法如下：
根据技术手册上标定磁感强度B0以及标定温度T0条件下霍尔元件的理论输出电压VH与驱动电流Ic的关系曲线拟合获取标定磁感强度A以及标定温度T0条件下霍尔元件理论输出电压VH与驱动电流Ic之间的函数关系式：
VH＝fH(Ic)； 公式(1)
根据霍尔效应，霍尔元件的输出与霍尔元件的环境磁场强度B成正比，进而获取在标定温度Ta以及环境磁场强度B条件下霍尔元件的理论输出电压VH与驱动电流Ic之间的函数关系式：
根据技术手册上特定磁感强度B1条件下霍尔元件的失调电压VOS与驱动电流Ic的关系曲线拟合获取特定磁感强度B1条件下霍尔元件的失调电压VOS与驱动电流Ic之间的函数关系式：
VOS＝fOS(Ic)； 公式(3)
由于霍尔元件的失调电压VOS与霍尔元件的环境磁场强度B无关，则公式(3)适用于任意环境磁场强度B条件下的计算；
根据技术手册上标定驱动电流I0以及标定磁感强度B0条件下霍尔元件的理论输出电压VH与霍尔元件的环境温度T的关系曲线拟合获取标定驱动电流I0以及标定磁感强度B0条件下霍尔元件的理论输出电压VH与霍尔元件的环境温度T之间的函数关系式：
VH＝fH(T)； 公式(4)
根据公式(2)计算获取标定驱动电流I0以及标定磁感强度B0条件下的霍尔元件输出电压值V，进而综合公式(2)和公式(4)获取霍尔元件的理论输出电压VH与驱动电流Ic、环境磁场强度B、环境温度T之间的函数关系式：
根据技术手册上标定驱动电流I0以及特定磁感强度B1条件下霍尔元件的失调电压VOS与霍尔元件的环境温度T的关系曲线拟合获取标定驱动电流I0以及特定磁感强度B1条件下霍尔元件的失调电压VOS与霍尔元件的环境温度T之间的函数关系式：
VOS＝fOS(T)； 公式(6)
根据公式(3)计算获取标定驱动电流I0以及特定磁感强度B1条件下的霍尔元件的输出电压值V0，进而综合公式(3)和公式(6)获取霍尔元件的失调电压VOS与驱动电流Ic、环境磁场强度B、环境温度T之间的函数关系式：
霍尔元件的输入VH-final为霍尔元件的理论输出电压与失调电压VOS之差，总和公式(5)和公式(7)获取霍尔元件的输入输出函数关系式为：
根据技术手册上霍尔元件的输入输出电阻R与霍尔元件的环境温度T的关系曲线拟合获取输入输出电阻R与霍尔元件的环境温度T之间的函数关系式：
R＝fR(T)； 公式(9)
根据前述公式拟合霍尔元件的建模参数，进而实现十字型霍尔仿真电路模型的建立。
其中，利用公式(9)计算获取第一输入电阻Rin1＝R/2、第二输入电阻Rin2＝R/2、第一输出电阻Riout1＝R/2以及第二输出电阻Riout2＝R/2。利用公式(5)计算获取第一霍尔电压源V1＝VH/2、第二霍尔电压源V2＝VH/2。利用公式(7)计算获取第一霍尔失调电压源VOS1＝VOS/2以及第二霍尔失调电压源VOS2＝VOS/2。
本发明中的建模方法在建立十字型霍尔仿真模型时，根据技术手册中各种关系曲线拟合得出霍尔输出与各个影响量之间的关系，进而获取霍尔的电路模型，霍尔模型中的参数来源于技术手册，具有较高的准确性。并且该建模方法考虑了温度、非线性电阻等诸多因素，通过该建模方法建立的霍尔的电路模型能够准确描述不同霍尔间的差异，且由于该电路模型中的参数来源极易获得，具有良好的实用性。并且通过对电路模型中的参数进行设置后，可以方便改变霍尔的性能，进而方便完成如蒙特卡洛分析等可靠性分析工作。

Claims (2)

1.一种基于Spice十字型霍尔仿真模型的建模方法，其特征在于：包括以下步骤：
根据技术手册上标定磁感强度B0以及标定温度T0条件下霍尔元件的理论输出电压VH与驱动电流Ic的关系曲线拟合获取标定磁感强度A以及标定温度T0条件下霍尔元件理论输出电压VH与驱动电流Ic之间的函数关系式：
VH＝fH(Ic)； 公式(1)
根据霍尔效应，霍尔元件的输出与霍尔元件的环境磁场强度B成正比，进而获取在标定温度Ta以及环境磁场强度B条件下霍尔元件的理论输出电压VH与驱动电流Ic之间的函数关系式：
根据技术手册上特定磁感强度B1条件下霍尔元件的失调电压VOS与驱动电流Ic的关系曲线拟合获取特定磁感强度B1条件下霍尔元件的失调电压VOS与驱动电流Ic之间的函数关系式：
VOS＝fOS(Ic)； 公式(3)
由于霍尔元件的失调电压VOS与霍尔元件的环境磁场强度B无关，则公式(3)适用于任意环境磁场强度B条件下的计算；
根据技术手册上标定驱动电流I0以及标定磁感强度B0条件下霍尔元件的理论输出电压VH与霍尔元件的环境温度T的关系曲线拟合获取标定驱动电流I0以及标定磁感强度B0条件下霍尔元件的理论输出电压VH与霍尔元件的环境温度T之间的函数关系式：
VH＝fH(T)； 公式(4)
根据公式(2)计算获取标定驱动电流I0以及标定磁感强度B0条件下的霍尔元件输出电压值V，进而综合公式(2)和公式(4)获取霍尔元件的理论输出电压VH与驱动电流Ic、环境磁场强度B、环境温度T之间的函数关系式：
根据技术手册上标定驱动电流I0以及特定磁感强度B1条件下霍尔元件的失调电压VOS与霍尔元件的环境温度T的关系曲线拟合获取标定驱动电流I0以及特定磁感强度B1条件下霍尔元件的失调电压VOS与霍尔元件的环境温度T之间的函数关系式：
VOS＝fOS(T)； 公式(6)
根据公式(3)计算获取标定驱动电流I0以及标定磁感强度B0条件下的霍尔元件的输出电压值V0，进而综合公式(3)和公式(6)获取霍尔元件的失调电压VOS与驱动电流Ic、环境磁场强度B、环境温度T之间的函数关系式：
霍尔元件的输入VH-final为霍尔元件的理论输出电压与失调电压VOS之差，总和公式(5)和公式(7)获取霍尔元件的输入输出函数关系式为：
根据技术手册上霍尔元件的输入输出电阻R与霍尔元件的环境温度T的关系曲线拟合获取输入输出电阻R与霍尔元件的环境温度T之间的函数关系式：
R＝fR(T)； 公式(9)
根据前述公式拟合霍尔元件的建模参数，进而利用LTSpice软件建立十字型霍尔仿真模型。
2.一种应用如权利要求1所述的基于Spice十字型霍尔仿真模型的建模方法建立的电路模型，其特征在于：包括第一电桥、第二电桥、第三电桥和第四电桥，第一电桥、第二电桥、第三电桥、第四电桥的公共端连接在一起构成十字形电桥模型；
所述第一电桥、第二电桥的自由端共同构成霍尔的电流输入端；
所述第三电桥、第四电桥的自由端共同构成霍尔的电压输出端；
所述第一电桥上自自由端至公共端依次连接有磁场输入结点、第一输入电阻Rin1，所述第一输入电阻Rin1＝R/2；
所述第二电桥上自自由端至公共端之间连接有第二输入电阻Rin2，所述第二输入电阻Rin2＝R/2；
所述第三电桥上自自由端至公共端依次连接有第一霍尔电压源V1、第一输出电阻Rout1、第一霍尔失调电压源VOS1；所述第一霍尔电压源V1＝VH/2，所述第一输出电阻Riout1＝R/2，所述第一霍尔失调电压源VOS1＝VOS/2；
所述第四电桥上自自由端至公共端依次连接有磁场输入结点、第二霍尔电压源V2、第二输出电阻Rout2、第二霍尔失调电压源VOS2；所述第二霍尔电压源V2＝VH/2，所述第二输出电阻Riout2＝R/2，所述第二霍尔失调电压源VOS2＝VOS/2。
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