Thiết kế mạch tích hợp Translate page from 55 to 69

Lớp: CH. 19.KTĐT Translate by Lê Quý Viễn MỤC LỤC

1. Giới thiệu 2
2. Cấu tạo la bàn 3
3. Ngõ vào nam châm 3
3.1: Bản thiết kế IMC 4
3.2: Nguyên tắc hoạt động của IMC 5
3.3: Quy trình công nghệ của IMC 7
3.4: Loại bỏ thông tin không cần thiết 9
4. Đầu vào tín hiệu tương tự 9
4.1: Hoạt động dòng điện xoay vòng 9
4.2: Chuỗi khuếch đại 11
4.3: Chuyển đổi A/D 11
4.4: Chip vi điều khiển 12
5. Thực hiện trong 0.35um CMOS 13
6. Số đo 15
7. Kết Luận 17
8. Tài liệu tham khảo 17
1. Giới thiệu
CMOS tích hợp các thiết bị Hall cũng được biết đến như yếu tố bộ chuyển
đổi vị trí cảm biến của một nam châm từ trường là mục tiêu hoặc để đo dòng điện.
Họ CMOS hoàn toàn tương thích, kích thước nhỏ và kiểu cong đầu ra của điện áp.
Một vài mV khi một mật độ dòng vài 10mT được áp dụng . Cầu vốn có của họ bù
đắp là cũng khoảng vài mV và có thể có hiệu quả máy trệt bởi các phương pháp
quay dòng. trong đó tín hiệu và bù lại được tách ra trong lĩnh vực tần số đối với các
đo lương trực tiếp thì từ trường rất thấp mật độ trong phạm vi micro – tesla chỉ có
các thiết bị Hall rời rạc trong các chất bán dẫn hợp chất cao tính di động như InSb
đã được sử dụng cho đến nay . CMOS Hall chức năng độ nhạy của thiết bị tương
đối thấp thường từ 10uV/Gauss, mà đưa ra một biên độ tín hiệu chỉ 2uV trong lĩnh
vực đất từ 20uT. Trong trường hợp này , để có được một tỷ lệ tín hiệu nhiễu từ
40dB trong một thời gian tích hợp khoảng một vài phần nghìn giây , tín hiệu phải
được khuếch đại mà không có thêm tiếng ồn. Điều này có thể đạt được thông qua
một bộ khuếch đại từ tính thụ động được thực hiện chất Silicon mỏng lên bề mặt
lớp kim loại. Chúng ta vừa trình bày trang này một CMOS đơn – chip la bàn điện tử
mà bao gồm tất cả xử lý tín hiệu kỷ thuật số cần thiết cho loại tính toán chính xác
cảm biến được thực hiện trong một công nghệ 0,35um CMOS điện áp thấp với tập
trung nam châm tích hợp (IMC) từ quá trình [3, 4]. The IMC Quá trình gần đây
hoàn toàn đủ điều kiện máy móc tự động cho một sản phẩm khác, nơi đó được sử
dụng để sản xuất khối lượng.

Thiết kế mạch tích hợp Translate page from 55 to 69

Lớp: CH. 19.KTĐT Translate by Lê Quý Viễn

2. Cấu tạo La Bàn
Một phần của thiết bị tương tự bao gồm một bộ chuyển đổi ba trục từ tường
dựa trên các yếu tố cơ bản Hall và khuếch đại một chuỗi tương tự. A 13-bit ADC
chuyển đổi các tín hiệu khuếch đại vào trong lĩnh vực kỹ thuật số, một vi điều

phần từ trường Bx, By và Bz. Ngay đầu đó cấu trúc IMC có thể được thiết kế một
cách cục bộ các dòng thông lượng vào các yếu tố Hall, nó hoạt động như một bộ
khuếch đại từ tính thụ động với mức tăng lên đến 10.

3.1 Bản thiết kế IMC
Trong ứng dụng la bàn điện tử chúng tôi cần đạt được độ lợi từ tính lớn nhất
và chúng tôi cũng cần giảm thiểu bất kỳ sự suy giảm từ từ ngẩu nhiên của lớp sắt từ
. Do đó chúng tôi quyết định bố trí năm vòng tám cạnh như hình 3. So với cách bố
trí cũ với vòng tròn được sử dụng trong vòng tám cạnh tốt hơn quá trình dung sai.
Khắc bề rộng không khí là một hằng số giữa hình tám cạnh là dễ dàng điều khiển
hơn khắc hình lõm, một khoảng cách giữa các vòng tròn, kết quả là không phù hợp
độ nhạy giữa các trục

Thiết kế mạch tích hợp Translate page from 55 to 69

Lớp: CH. 19.KTĐT Translate by Lê Quý Viễn
Hình 3. Toàn bộ cấu trúc IMC và các yếu Hall. Dấu chấm biểu thị rằng khu
vực trục trường ra khỏi máy bay và băng qua chứng tỏ rằng khu vực trường đi vào
máy bay cho trường ngoài được áp dụng theo hướng X hoặc Y hoặc Z.

bốn yếu tố Hall tạo ra các tín hiệu trường tỷ lệ cho ba trục tọa độ X, Y và Z. Đối với
2 trục X và Y là hai nhóm của hai yếu tố Hall được bố trí theo các IMC xung quanh
giữa các vòng tròn . Đối với trục Z, một nhóm bốn yếu tố Hall được đặt ở trung tâm
vòng tròn lớn. Những sản phẩm thông thường của Hall không lợi ích từ độ lợi từ .

3.2 Nguyên tắc hoạt động của IMC
Nguyên tắc hoạt động của trục X và Y được minh họa trong giao diện mặt
Thiết kế mạch tích hợp Translate page from 55 to 69

Lớp: CH. 19.KTĐT Translate by Lê Quý Viễn

Ngoài ra, các giới hạn dòng gần lại xung quanh bề mặt khoảng cách so với các ứng
dụng lĩnh vực bên ngoài, có nghĩa là thay đổi liên tục được khuếch đại ở đây.

3.3 Quy trình công nghệ của IMC

Hình 5. Flux từ xung quanh có độ hở không khí (xem phần chéo nhau )

Quá trình IMC là một quá trình kỹ thuật in lito được sử dụng chip CMOS 8 – inch
tại một thời điểm, bao gồm các bước sau ( hình 6):
1. Chip CMOS với oxi hóa chống rò rỉ và mở miếng lót gắn kết là điều không
thể
2. Một lớp keo có độ dày vài microns được phân tán trên Chip
3. Lớp dày của kim loại là 20um được gắn với một Chip và keo được xử
4. Chất cản quang được đặt trên đầu của lớp kim loại
5. Mức độ chiếu sáng phù hợp trên Chip
6. Chất cản quang được chiếu sáng bằng ánh sáng UV
7. Các cản quang được phát triển
8. Lớp kim loại được khắc lên bề mặt và bên dưới vẫn giữ nguyên chưa phát
triển cản quang
9. Cản quang còn lại chưa tước bỏ và Chip được làm sạch từ bã keo còn lại



điều này có nghĩa rằng các dòng thông lượng từ vật liệu nhiễm từ hóa được từ chối
trong vòng tròn, sẽ thông qua các yếu tố Hall nữa bất kỳ phần còn lại được bù đắp
từ nhiễm từ hóa bị xóa bỏ

4.Đầu vào tín hiệu tương tự
Đầu vào tín hiệu tương tự bao gồm điều chế điện áp Hall hoạt động của dòng
điện xoay tròn khuếch đại lên đến 20’000, giải điều chế và lọc.
4.1 Hoạt động dòng điện xoay vòng
Nguyên tắc hoạt động dòng điện xoay vòng của yếu tố Hall là rõ ràng để tách
các cầu vốn được bù lại từ các tín hiệu Hall. Nó thay đổi theo chu kỳ các thiết bị
đầu cuối cung cấp và đầu ra của thiết bị đầu cuối như thể hiện hình 9. Trong giai
đoạn đầu tiên dòng điện chạy từ trên xuống qua thiết bị Hall và đầu ra giao tiếp bên
trái và bên phải và trong giai đoạn hai dòng điện chạy từ phải sang trái thông qua
các thiết bị và kết quả đầu ra của thiết bị đầu cuối trên và dưới
Thiết kế mạch tích hợp Translate page from 55 to 69

Lớp: CH. 19.KTĐT Translate by Lê Quý Viễn Hình 9. Quan niệm về chiều quay dòng điện cho điện áp điều chế Hall

Nguyên tắc như được thực hiện ở đây chiều của dòng điện theo chiều kim
đồng hồ. Đầu ra chống lại chiều của dòng điện từ pha 1 đến pha 2. Điều này dẫn
đến một điều chế tín hiệu Hall với vốn bù lại một tìn hiệu tồn tại gần DC như thể
hiện trong hình 10, Hall điều chế V1 điện áp được khuếch đại sau đó giải điều chế .
Phần DC bao gồm Hall bù lại và khuếch đại bù được được hủy bỏ bởi các giải điều
chế ( và sau đó lọc ).

Hình 12. Cấu trúc mở rộng đếm ADC

Hoạt động đầu tiên liên tiếp chuyển đổi như thứ tự đầu tiên tổng bộ điều chế
( bao gồm pha )chuyển đổi đến MSB’s, và sau đó cùng một phần cứng được sử
dụng như công cụ thuật toán chuyển đổi ( pha mở rộng ) còn lại của LSB’s. ADC
hoạt động tại dòng điện thấp ( điển hình 250uA ) và tần số lấy mẫu thấp (400kHz)
và nó có thể lập trình giữa 15 và 18 bits trong đó chỉ có 12 MSBs được sử dụng.
Trong suốt giai đoạn bao gồm giữa 512 và 4096 mẫu được tích hợp.

4.4 Chip vi điều khiển
Dữ liệu kỹ thuật số được truyền đến Chip vi điều khiển, đầu tiên nó thông
qua bộ lọc thông thấp 100Hz kỹ thuật số để giảm nhiễu hơn nữa. sau khi điều chỉnh
nhiệt độ bù đắp và sự nhạy cảm, góc của từ trường được ứng dụng ( trường trái đất)
từ máy tính với sự giúp đở chương trình cơ sở được lưu trữ trong ROM. Hình 13
chỉ thông tin về các hướng sau đó ngõ ra của một vi điều khiển được mở rộng bên
ngoài máy chủ thông qua giao diện kỹ thuật số. Bằng cách sử dụng On – Board
EEPROM, các thông số như các lĩnh vực bù đắp , trục lựa chọn, tăng tương tự, thiết
lập bằng không và giao diện giao thức ( IC và SPI ) có thể được xác định. Những
thông số cho phép 2 người sử dụng hoàn toàn hiệu chuẩn La Bàn Đơn CHIP ngay
cả trong sự hiện diện của biến dạng từ trường gây ra bởi các đối tượng sắt từ, ví dụ
Thiết kế mạch tích hợp Translate page from 55 to 69

Lớp: CH. 19.KTĐT Translate by Lê Quý Viễn

pin, nhà ở cảm biến, thân xe v.v…. Cảm biến có thể vẫn còn số hóa tương tự đầu
vào từ cảm biến bên ngoài và truyền kết quả đến hệ thống máy chủ thông qua giao
diện kỹ thuật số On – Board.

Hình 15. Bức ảnh 4 x 5 x 1 mm3 gói nhựa Thiết kế mạch tích hợp Translate page from 55 to 69

Lớp: CH. 19.KTĐT Translate by Lê Quý Viễn 6. Số đo
Các đặc điểm đầu ra của bộ cảm biến đóng gói đã được đo bằng cách sử
dụng một cuộn dây Helmholtz 3 chiều. Các lỗi góc tối đa 1.5° được đo bằng cách
xoay cảm biến trong từ trường trái đất ở nhiệt độ không đổi (hình. 16). Độ phân giải
nhóm là tốt hơn so với 0.5° và độ chính xác tốt hơn ±2°.
Hình 16. Ngõ ra góc lỗi hơn 360° quay trong từ trường trái đất

Nhiệt độ ổn định là một vấn đề rất quan trọng. từ bộ cảm biến La Bàn được
sử dụng trong môi trường tự động trong phạm vi nhiệt độ từ -40°C đến +85°C. Các
phép đo dịch chuyển chiều hướng trong phạm vi nhiệt độ từ -25 đến +100°C ở độ
nhạy được thiết lập để 7.25LSB/µT chỉ giá trị 150 LSB X và Y (hình. 17). Đây là
chiều hướng tương đối cao so với các kết cấu khác gần đây [7] và nó có nguồn gốc.
Thay đổi trong các biến thể của địa phương căng thẳng với nhiệt độ dưới cạnh của
IMC nơi các yếu tố Hall được đặt .
Thiết kế mạch tích hợp Translate page from 55 to 69

lại tài liệu tham khảo cho quay hồi chuyển trong các hệ thống phức tạp hơn, hoặc
thậm chí như một bộ chuyển đổi 3 trục thấp lĩnh vực bản đồ ứng dụng.

8. Tài liệu tham khảo
[1] C. Schott, R. Racz, S. Huber, A. Manco, M. Gloor, “A CMOS Single-
Chip Electronic Compass with Microcontroller”, Proc. of Internat. Solid
State Circuit Conference 2007, pp. 382-383
[2] A. Bilotti, G. Monreal, R. Vig, “Monolithic magnetic Hall sensor using
dynamic quadrature offset cancellation”, IEEE Journal of Solid-State
Circuits, Volume 32, Issue 6, June 1997, pp. 829-836
[3] Patent application EP772046W
[4] R. S. Popovic, R. Racz, C. Schott, “A new CMOS Hall angular Position
sensor”, tm – Technisches Messen, 68, June 2001, pp. 286-291
[5] R. Racz, C. Schott, S. Huber, “Electronic Compass Sensor” Proceedings
of IEEE Sensors 2004, 24-27 Oct. 2004, vol. 3, pp. 1446-1449
[6] Pieter Rombouts and Ludo Weyten, “A versatile Nyquist-rate A/D
converter with 16-18 bit performance for sensor readout applications”,
ISSN 0167-9260- 2005, vol. 39, no1, pp. 48-61
[7] J. van der Meer et al., “A Fully-Integrated CMOS Hall Sensor with a
4.5µT,3s Offset Spread for Compass Applications”, Proc. of ISSCC
2005, Feb. 6-10, San Francisco, USA, pp. 246-7.