毕业论文-基于Bipolar工艺的锁存型霍尔集成电路版图设计与实现

1、大连东软信息学院本科毕业设计（论文）论文题目论文题目：基于Bipolar工艺的锁存型霍尔集成电路版图设计与实现系 所： 电子工程系 专 业：电子信息工程（集成电路设计与系统方向） 学生姓名： 学生学号： 指导教师： 导师职称： 讲师 完成日期： 2014年 4月 28日 大连东软信息学院Dalian 大连东软信息学院毕业设计（论文） 摘要 V基于Bipolar工艺的锁存型霍尔集成电路版图设计与实现摘 要传感器是一种检测装置，能够感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出。在我们的现实以及日常的生活中，很多地方使用各种传感器来监视和控制生产过程，使该

2、设备在正常状态或者最佳的工作状态，并达到最佳的品质。因此，我们可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产失去了它的基础。随着科学的发展和技术的进步，霍尔传感器已逐渐取得广泛应用。霍尔 HYPERLINK /view/16431.htm t _blank 传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场 HYPERLINK /view/16431.htm t _blank 传感器，也被称作霍尔效应（Hall effect）传感器，是一个换能器。霍尔效应是磁电效应的一种，它将变化的磁场转化为输出电压的变化。本文的主要介绍基于Bipolar工艺的锁存型霍尔集成电路版图设计与实现，本设计的响应速度快，灵敏度高，具有

3、较高的工作温度范围及可靠性。它由反向电压保护器、电压调整器、霍尔电压发生器、信号放大器、史密特触发器和集电极开路的输出级组成。可以广泛的应用于我们的日常生活之中，比如用于电动车电机、空调电机、洗衣机电机等，散热风扇，无触点开关等。关键词：霍尔效应，霍尔传感器，版图大连东软信息学院毕业设计（论文） AbstractLayout Design and Implementation of the Latch Type Holzer IC Based on Bipolar TechnologyAbstractSensorisakindoftestingdevicewhichcanfeelthemeas

4、uredinformation,andtheinformationtransformation.Accordingtoacertainrule,itbecomestheelectricalsignaloutput,orotherformofinformationwhichisneededtosatisfytheinformationtransmission,processing,storage,display,recordandcontrolrequirements.Itisthemostimportantstepofautomaticdetectionandautomaticcontrol.

5、 Intherealityofourdailylife.Manyplacesuseavarietyofsensorstomonitorandcontroltheproductionprocess,andmakesuretheequipmentareworkinginorderorinthebestoperationconditiontoachievethebestquality.Therefore,wecansaythatthemodernproductionwilllostitsfoundationwithoutalargenumberofexcellentsensors.With the

6、development of science and technology, hall sensor has been widely used. Hall sensor is based on Hall effect produced by a magnetic field sensor, also known as the Hall effect (Hall effect) sensor, a transducer. Hall effect is a kind of magneto electric effect, and it will turn the change of magneti

7、c field into the change of output voltage.The introduction of this thesis is mainly based on Bipolar technology type latched hall integrated circuit layout design and implementation, which posses fast responds, high sensitivity, and high working temperature ranges and reliability. It is made up of r

8、everse voltage protectors, voltage regulators, hall voltage generators, signal amplifiers, triggers and open collector output stage, which can be widely used in our daily life, such as electric car motors, air conditioners, washing machine motors, cooling fans, and non-contact switch, etc.Keywords:

9、Hall effect, Hall sensors, Layout大连东软信息学院毕业设计（论文） 目录目 录 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc385601362 h IAbstract PAGEREF _Toc385601363 h II第1章绪 论 PAGEREF _Toc385601364 h 11.1课题研究背景与意义 PAGEREF _Toc385601365 h 11.2课题研究内容与方法 PAGEREF _Toc385601366 h 11.3课题研究现状 PAGEREF _Toc385601367 h 1第2章关键技术介绍 PAGEREF _Toc385

10、601368 h 32.1霍尔效应 PAGEREF _Toc385601369 h 32.1.1霍尔效应的发现 PAGEREF _Toc385601370 h 32.1.2霍尔效应的解释 PAGEREF _Toc385601371 h 32.2集成电路工艺简介 PAGEREF _Toc385601372 h 42.3芯片生产设计规则 PAGEREF _Toc385601373 h 52.4芯片版图基本器件 PAGEREF _Toc385601374 h 72.4.1 NPN晶体管 PAGEREF _Toc385601375 h 72.4.2 PNP晶体管 PAGEREF _Toc3856013

11、76 h 72.4.3电阻 PAGEREF _Toc385601377 h 8第3章系统需求分析93.1系统设计目标93.1.1极限参数93.1.2电学特性93.1.3磁场特性103.1.4磁电转换特性103.2系统功能需求103.3系统可行性分析113.3.1技术可行性113.3.2经济可行性11第4章芯片电路分析及版图设计124.1集成电路的设计方法124.2电路以及器件的提取134.3系统设计指导原则144.4体系结构设计144.5电路详细设计154.5.1电压调整器154.5.2霍尔效应元件154.5.3信号放大器164.5.4施密特触发器174.5.5集电极开路输出184.5.6功能

12、模块设计18第5章系统实现195.1环境配置195.2电路功能实现195.2.1电压调整器的实现195.2.2霍尔效应片 PAGEREF _Toc385601404 h 205.2.3信号放大电路205.2.4集电极开路输出 PAGEREF _Toc385601406 h 21第6章系统测试226.1版图设计226.2版图DRC和LVS检查226.2.1版图DRC检查226.2.2版图LVS检查23第7章结论25参考文献26致 谢27大连东软信息学院毕业设计（论文）- 第1章绪 论1.1 课题研究背景与意义传感器是一种检测装置，能够感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信

13、号或其他所需形式的信息输出它是实现自动检测和自动控制的首要环节。在我们的现实以及日常的生活中。很多地方使用各种传感器来监视和控制生产过程，使该设备在正常状态或者最佳的工作状态，并达到最佳的品质。因此，我们可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产失去了它的基础。传感器早已渗透到我们生活中的每一个领域。小到我们日常生活的家用电器、汽车，大到海里的轮船和天上的各类飞机。这些都需要传感器的支持。正是因为各类的传感器正常的工作才能给我们的日常生活带来更多的便利以及更好的体验。传感器同样也分成很多种类，比如电阻式传感器、变频功率传感器、电阻应变式传感器、热电阻传感器、霍尔传感器等等。本课题主要涉及的是众

14、多传感器种类其中之一的锁存型霍尔传感器，基于4um的Bipolar工艺制造。1.2 课题研究内容与方法随着科技和时代的发展，霍尔集成电路芯片（IC）广泛应用于人们的日常生活中，比如直流无刷电机、手机和笔记本电脑、家电、工业控制、汽车电子以及其他各类消费电子产品领域。本课题研究的是锁存型霍尔IC，锁存型霍尔IC对磁铁的S、N极都很敏感，当S极接近有标记的面且磁场达到某一强度时，霍尔输出导通（低电平），S极撤离后，输出保持导通状态；只有当N极接近有标记的面且磁场达到某一强度时，霍尔输出截止（高电平）；N极撤离后，霍尔保持截止状态。由于磁场撤离后（磁场强度为0），霍尔保持原状态，类似锁存器的记忆功能

15、，因此称此类霍尔IC为锁存型霍尔IC。 本课题是基于4um工艺采用全定制版图设计方法对已经设计好的电路进行版图绘制，布局布线并进行版图优化，并最终完成DRC和LVS等后端验证，形成可以流片的版图文件。1.3 课题研究现状现在霍尔传感器在国内外都是比较成熟的技术，人们在不断的创新并且带来更多的新技术来方便我们的生活。霍尔传感器具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，低功耗，高频率（最高至1MHz），耐震动，不怕灰尘，油污，潮湿和盐雾等的污染或腐蚀。高精度线性霍尔传感器，线性度好；开关型霍尔传感器非接触，无磨损，清晰的输出波形，抖动，没有反弹，重复定位精度高（可达微米级）。

16、霍尔器件的工作温度范围可以很宽，可达-55150。 国际上的霍尔传感器产业发展以其智能化、集成化见长，它们正在逐渐的进入我国的市场，在国内的市场已经随处可见它们的身影。这些大公司的产品具有很大的竞争实力，对国内的霍尔传感器厂家来说无疑是一种强力冲击。国内的公司应该多多学习国外先进的技术以及国外先进的理念和管理水平，这样才可以才激烈的市场竞争中占得属于自己的一席之地。在霍尔传感器产业飞速发展的同时，也给霍尔传感器自身的发展提出了急迫需求。发展和应用得比较成熟的一些霍尔传感器，已经在长期使用中逐步显现出自身存在的某些局限。为了充分发挥各自的优势，突破限制，拓展发展空间，必须开发新材料，发现新效应，

17、发明新产品，将霍尔传感器产业推向新的发展高峰，这是我们当前的首要任务，也是时代给予我们的历史使命。大连东软信息学院毕业设计（论文）第2章关键技术介绍2.1 霍尔效应2.1.1霍尔效应的发现霍尔效应在1879年被物理学家霍尔发现，它定义了磁场和感应电压之间的关系，这种效应和传统的电磁感应完全不同。当 HYPERLINK /view/10897.htm t _blank 电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的 HYPERLINK /view/3476.htm t _blank 电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。虽然这个效应多年前

18、就已经被人们知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器，广泛应用于电力系统中。2.1.2霍尔效应的解释若将金属或半导体薄片垂直于磁感应强度为B的磁场（磁场方向为z方向）中，如图所示，当垂直磁场方向上有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电场（EH）。这种物理现象成为霍尔效应。若薄片为N型半导体，电流I（称为控制电流）自左向右，那么半导体中的多数载流子电子将沿着与电流I相反的方向运动（速度为），外磁场B使电子受到磁场力FL（洛伦兹力）

19、的作用而发生偏转（如图中虚线所示），结果在半导体的后端面上电子有所积累带负电，而前端面上缺少电子带正电，因此在前后面间形成电场，积累越多，此电场越强。该电场产生的电场力FE会阻止形成电流的其他电子继续偏转而积累；当FL与FE相等时，电子积累达到动态平衡。这时，在半导体前后两段之间（即垂直于电流和磁场的方向）存在的电场就称为霍尔电厂EH，相应的电势称为霍尔电势UH。其霍尔效应的本质为固体材料中的载流子在外加磁场中运动时，因为受到洛伦兹力的作用而使轨迹发生偏移，并在材料两侧产生电荷累积，形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到洛伦兹力与电场斥力相平衡，从而在两侧建立起一个稳定的电势差即霍尔电压。

20、正交电场和电流强度的乘积之比就是霍尔系数，平行电场和电流强度之比就是电阻率。霍尔效应如图2.1所示。 图2.1 霍尔效应2.2集成电路工艺简介集成电路按照不同的标准可以有很多分类。最常见的可分为模拟集成电路和数字集成电路，模拟集成电路处理的是时间连续的模拟信号，而数字集成电路处理的则是时间与幅度取值都离散的数字信号。还有一种分类方法是按构成集成电路的有源元件的种类来划分的，若构成电路的有源元件只有双极型晶体管，则为双极型集成电路；若构成电路的有源元件只有MOS管(场效应晶体管)，则为MOS集成电路；若电路中既有双极型晶体管，又有MOS管，则为BiCMOS集成电路。本课题涉及到的就是其中的双极型

21、集成电路。双极型集成电路工艺是所有集成电路工艺中最早发明的，尽管现在受到CMOS工艺的巨大挑战，它仍然在高速、模拟、功率等类型的电路中占有很重要的地位，仍然是芯片制造不可或缺的一种工艺。双极型集成电路工艺按其所采用的隔离类型可分为两类，一类是采用介质隔离，也即在器件之间制备P-N结作电隔离区，一类采用自然隔离。想要了解双极型集成电路首先要了解芯片制造的流程。芯片制造的第一步就是衬底制备，衬底采用轻掺杂的P型硅，掺杂浓度一般在1015/cm3数量级，采用的硅晶片晶面的晶向指数为（100）。掺杂浓度较低可以减少集电极的结电容，提高集电结的击穿电压。衬底制备完毕后就是埋层制备。为了减小集电区的串联电

22、阻，并减小寄生PNP管的影响，在集电区的外延层和衬底间通常要制作N+埋层。首先在衬底上生长一层二氧化硅，并进行一次光刻，刻蚀出埋层区域，然后注入N型杂质（如磷、砷等），再退火（激活）杂质。埋层材料选择标准是杂质在硅中的固溶度要大，以降低集电区的串联电阻；在高温下，杂质在硅中的扩散系数要小，以减少制作外延层时的杂质扩散效应；制备完埋层之后就是外延层的生长。外延层的生长主要考虑电阻率和厚度。为减少结电容，提高击穿电压，降低后续工艺过程中的扩散效应，电阻率应尽量高一些；埋层生长之后就是形成隔离区，首先生长一层二氧化硅，然后进行二次光刻，刻蚀出隔离区，接着预淀积硼（或者采用离子注入），并退火使杂质推进

23、到一定距离，形成P型隔离区。这样器件之间的电绝缘就形成了。下一步就是深集电极接触的制备。这里的“深”指集电极接触深入到了N型外延层的内部。为降低集电极串联电阻，需要制备重掺杂的N型接触，进行第三次光刻，刻蚀出集电极，再注入（或扩散）磷并退火。第六步就是基区的形成，先进行第四次光刻，刻蚀出基区，然后注入硼并退火，使其扩散形成基区。由于基区掺杂元素及其分布直接影响器件电流增益、截止频率等特性，因此注入硼的剂量和能量要特别加以控制。基区形成完之后就是发射区形成。在基区上生长一层氧化物，进行第五次光刻，刻蚀出发射区，进行磷或砷注入（或扩散），并退火形成发射区。下一步就是要进行金属接触，淀积二氧化硅后，

24、进行第六次光刻，刻蚀出接触也窗口，用于引出电极线。接触孔中温江溅射金属铝形成欧姆接触。淀积完金属之后就要形成金属互连，进行第七次光刻，形成互联金属布线。完成这些工艺之后就是测试、键合、封装这些后续的工艺。全部完成之后双极型集成电路也就成功的制造出来了。2.3芯片生产设计规则芯片的设计规则是根据芯片所流片的代工厂决定的，不同的代工厂拥有不同的设计规则。所谓的设计规则就是不管制造工艺的每一步出现不同的偏差都能保证正确制造芯片的一中规则。经过一次又一次的光刻之后，芯片的制造就初步完成了。本次的芯片设计采用的层次如下：L1：BN(埋层)L2：ISO(隔离岛)L3：DNL4：IR(电阻)L5：PBASE

25、L6：NEMTL7：CAPL8：CONT(接触孔)L9：M1(金属)L10：PAD(电源区)本次设计最小工艺尺寸如表2.1所示。表2.1 本次设计最小工艺尺寸GDS LayerRule(um)GDS LayerRule(um)1埋层最小宽度4.0与PBASE最小距离9.02 ISO最小间距6.0与IR最小距离9.0距离埋层最小距离17.0PBASE与NEMT距离3.0ISO最小宽度30.0PBASE与NEMT交叉距离5.0距离Scribrline最小距离30.0NEMT与NEMT间距8.03 DN最小宽度5.0在PBASE内NEMT之间间距6.0BN覆盖DN最小宽度5.07 CAPA与NEMT

26、最小距离5.0与ISO最小距离21.08 CON最小尺寸4.0*4.04 IR最小宽度5.0与ISO最小距离0.0IR到BN间距2.0与DN最小距离0.0与ISO最小距离18.0PBASE包孔3.0与DN最小距离15.0NEMT包孔2.0与PBASE最小距离14.0CAP与CAP距离5.0PBASE最小覆盖IR宽度3.0在PBASE与NEMT之中距离5.0IR与IR间距12.09 金属最小宽度9.05 PBASE最小宽度5.0金属最小间距5.0PBASE最小尺寸11.0*11.0金属包孔4.5PBASE到BN最小距离2.0金属包CAP4.0与ISO最小距离18.0金属与Scribeline距离

27、20.0与BN最小距离15.010PAD最小宽度100.0PBASE与PBASE最小间距12.0PAD与PAD间距50.06 NEMT最小宽度5.0PAD与金属15.0NEMT最小长度6.0PAD距离不同ISO金属35.0NEMT最小直径7.0PAD距离其他EPI25.0NPN管中最小长度9.0ISO与PAD5.0NEMT到BN距离2.0与Scribeline距离35.0与ISO最小距离15.02.4 芯片版图基本器件在本次设计中我们用到了NPN晶体管、横（纵）向PNP、电阻等，我们将对以上的器件做一些基本的介绍。2.4.1 NPN晶体管由于集成电路几乎全部是晶体管组成的，晶体管的性能对于电路

28、的性能有着比较大的影响，所以晶体管是集成电路中的核心器件，晶体管尺寸设计的是否合理可能直接影响到最后芯片的成品率。所以晶体管的设计在版图的设计中就显得非常重要。我们最常用的晶体管有四种，分别为单基极条形、双基极条形、马蹄形和梳形。如图2.2所示。图2.2 常见的四种NPN形晶体管NPN晶体管的集电区由N型外延隔离岛组成，基区和发射区由逐次反向掺杂制造而成。载流子垂直从发射区穿过发射扩散区下的薄层基区流入集电区。集电结合发射结的结深之差决定了有效基区的宽度。这些尺寸完全由扩散工艺来控制，不受光刻对准误差的影响，使基区宽度远小于误差容限。集电区由重掺杂NBL上的轻掺杂外延层构成。轻掺杂外延层可形成

29、宽的集电结耗尽区。NBL和深N+扩散提供了到晶体管动态基区之下的外延层部分的低阻通路，这种方式，集电区电阻可以减小至100欧姆以下。2.4.2 PNP晶体管常见的PNP晶体管有横向PNP。如图2.3所示。图2.3 横向PNP晶体管标准双极工艺由于没有P型隔离岛，因为不能制造隔离的纵向PNP晶体管。非隔离的PNP晶体管通过采用衬底作为集电区的构成。非电极通常和芯片的衬底相连，接地或者负电位。衬底PNP管的基区由N型隔离岛构成，发射区通过基区扩散制造。集电极电流必须经过衬底和隔离区流出。外延层的最终厚度与基区深结之差决定了衬底PNP管的基区宽度。横向PNP管，以牺牲器件的性能换取隔离的集电极。横向

30、PNP管的集电区和发射区由N型隔离岛上的基区扩散而成。隔离岛称为基区。工作区在水平方向，从中心的发射区到周围的集电区运动，分离的两个基区扩散决定了晶体管的基区宽度。2.4.3电阻标准的双极工艺并不包含专为制造电阻的任何扩散，但几种电阻可以通过使用其他器件的层制造出来。电阻单位：欧姆每方块。方块电阻通过测量已经形状的材料样片来决定，硅扩散方块电阻的典型值为55000欧姆每方块。基区电阻由N型隔离岛上的基区扩散条而成，且连接后使得基区-外延层结反偏。将隔离岛连接到电阻上的最高电位端可保证隔离。隔离岛也可以连接到电路中任何高于电阻电位的节点。发射区电阻是由隔离岛内被基区扩散隔离岛的发射区扩散形成的。

31、连接基区使发射结反偏，同时对隔离岛施加偏压使集电结反偏。将基区接到电阻的低电位端，隔离岛接在高电位端。可通过添加NBL帮助抑制寄生的衬底PNP管的作用。发射区的方块电阻相对比较低(小于10欧姆每方块)，发射结击穿电压大约将对电阻两端的压差限制为6V。埋层电阻由基区扩散和发射区扩散相结合形成，发射区形成平板覆盖于基区薄条的中部上方。基区条两端有接触孔并位于发射区的两侧。隔离岛与发射区都是N型的。因此为电相连。为了确保隔离，隔离岛接触使两者的偏置略高于电阻电位。电阻由发射区以下的基区扩散部分形成。埋层基区薄而且掺杂浓度低，因此阻抗可超过5000欧姆每方块，发射结击穿电压限制了电阻两端的压差为7V。

32、埋层电阻与发射区电阻和基区电阻相比，基区埋层电阻的阻值变化过大。第3章系统需求分析3.1系统设计目标此锁存型霍尔集成电路为公司的实体项目，产品芯片代号ES41，下文中出现本课题名均用芯片代号表示。本次设计受众面比较广，在较多的产品领域中均可使用到，所以在设计的时候考虑的各种因素就比较多，不仅要在大众产品上使用，同时也可兼顾一些比较特殊的电子产品。下列各表就是对ES41的各方面的参数要求及需要达到的设计目标。ES41是专为直流无刷电机设计的双级霍尔开关电路，响应速度快，灵敏度高，具有较高的工作温度范围及可靠性。ES41具有很多特点，芯片采用小尺寸封装，而且灵敏度高。电路内带反向电源电压保护，集电

33、极开路输出。工作速度从0到100KHz以上，工作范围温度从-40度150度。拥有比较高的可靠性，耐高压90V，抗静电能力8kV。ES41可应用于直流无刷电机（电动车电机、空调电机、洗衣机电机等），散热风扇，无触点开关。3.1.1极限参数电路的极限参数如表3.1所示。表3.1 电路的极限参数参数参数值单位供电电压，VDD90V反向电压，VDD-24V输出电压，VOUT60V输出电流，IOUT25mA工作温度范围-40150贮存温度范围-60150最大结特性温度150焊接温度（10 秒）230封装散热550mW230mW3.1.2电学特性电路的电学特性如表3.2所示（TA = 25）。表3.2 电

34、路的电学特性参数符号测试条件最小值典型值最大值值单位工作电压VDDOperating4.524V工作电流IDDVDD = 12V5.010mA饱和压降VDS（on）B BOP, IOUT = 20mA0.400.60V输出电流IONB BOP20mA输出漏电流IOFFB BRP10A续表3.2 电路的电学特性输出上升时间（10% 90%）TRVCC=12V,RL= 1.1K, CL=20pf0.21.5s输出下降时间（90% 10%）TFVCC=12V,RL= 1.1K,CL=20pf0.21.0s3.1.3磁场特性电路的磁场特性如表3.3所示(VCC = 5V，TA = 25)。表3.3 电

35、路的磁场特性参数符号最小值典型值最大值单位工作点BOP54590Gs释放点BRP-90-45-5Gs磁滞BHYS70100110Gs3.1.4磁电转换特性磁电转换特性如图3.1，当S极接近有标记的面且磁场达到了一定强度时，霍尔输出导通也就是低电平。当S极撤离后，电路依旧会保持导通的状态。当N极接近有标记面而且磁场达到一定强度是，霍尔输出截止也就是高电平。当N极撤离后，电路依旧会保持截止的状态。图3.1磁电转换特性3.2系统功能需求系统的功能需求如表3.4所示.表3.4 系统的功能需求功能编号功能名称功能描述1电压调节器在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时保持输出电压稳定2信号放大处

36、理电路即运算放大部分，对信号进行处理放大3霍尔效应片将被测量（如电流、磁场、位移及压力等）转换成电动势4温度补偿电路使其磁敏参数可以和常用磁钢材料的温度特性相匹配5施密特触发器是对波形进行整形的整形电路6开集电极输出驱动三极管对信号进行输出3.3系统可行性分析3.3.1 技术可行性本课题是以Linux系统为基础，使用的EDA工具为Cadence，其Symbol数据库采用Cadence其下的Analoglib直接使用，Layout则为自己组建单一模块，最后进行调用整合连接绘制完整，版图的工艺层使用公司设定好的库，不需要重新设置；EDA工具Cadence使用及操作十分简单，易上手，数据库类型齐全，

37、数据模型调用方便，DRC，LVS，仿真一体流水式，大大降低工作量和难度。3.3.2 经济可行性对于目前的电子产品的经济体系来看，我们生活中的大部分物品都被电子产品所代替，更加方便和快捷，而ES41作为一款高性能霍尔传感器，使用它的电子产品逐年增多，适应能力强，体积小，重量轻，成本低，收益高都成为它普及的种种优势，在这个以电子信息通讯为主的高科技时代，虽然相对的在所有电子产品的使用中，它的适用范围还不是非常的普及，但是以现在的科技发展速度我想在以后的电子产品生产中用到的会越来越多。而在专业领域中量子霍尔效应和等离子霍尔效应的发现加速了这一产业的发展，成为其扩大电子产品多样化的又一助力。第4章芯片

38、电路分析及版图设计4.1 集成电路的设计方法集成电路的设计分为正向设计和反向设计，此次我们所采用的是反向设计。照相、制版、提图、画图、仿真、编工艺、设计工装、做芯片；测试、老化，芯片上市。这就是集成电路反向设计的各道工序、完整流程。 （1）照相 在显微图像自动采集平台上逐层对芯片样品进行显微图像采集。与测量三维实体或曲面的逆向设计不同，测量集成电路芯片纯属表面文章：放好芯片位置、对对焦、选好放大倍数，使芯片表面在镜头中和显示器上清晰可见后，按下拍照按钮便可完成一幅 显微图像的采集。取决于电路的规模和放大倍数，一层电路可能需要在拍摄多幅图像后进行拼凑，多层电路需要在拼凑后对准，有显微图像自动拼凑

39、软件用于进行拼凑和对准操作。 随便估算一下：该显微图像自动采集平台的放大倍数为1000倍，可将0.1um线条的放大至0.1mm的宽度。这意味着它已足以对付目前采用最先进工艺制作的0.09um集成电路芯片。 （2）提图 将在显微图像自动采集平台上获得的电路图打印在相纸上后人工提图。据了解，电路原理图分析系统已经具有多层显微图像浏览、电路单元符号设计、电路原理图自动和交互式分析提取以及电路原理图编辑等强大功能，版图分析系统则可完成多层版图轮廓自动提取、全功能版图编辑、嵌入软件代码自动识别、提取、校验以及设计规则的统计和提取。如同翻译软件一样，最完美的英汉互译还是得靠人来完成；提图也是一样，人会从总

40、体上把握、会更加细心；当然，还有重要的一点，就是可以节约成本，这对于目前国内的情况来说，应该是现实的选择。（3）画图 将纸上的电路原理图和版图输入电脑。（4）制作版图 它的成品就是一块晶体版。上面有许多的孔和布线。版图的制作是根据多晶单晶和阱种类的不同，在电脑上用不同的符号、颜色进行标记画图。（5）仿真 对输入的电路原理图进行浏览、查询、编辑、调试与仿真。分析电路原理，调节电路参数，并在一定的激励输入下观测输出波形，以验证设计的逻辑正确性。 4.2电路以及器件的提取本次设计芯片照片如图4.1所示。图4.1 芯片照片拿到芯片照片的第一个步骤就是需要我们在熟悉工艺的基础上去判断芯片照片上面的每一个

41、器件并且在器件上面做出标记。比如NPN管可以标注为N1、N2、N3。PNP管标为P1、P2、P3。电阻可以标记为R，电容标记为C。电源VDD，地GND，输出OUT。本次设计的芯片照片分为3层，第一层为各个器件之间的连接关系，第二层为各个独立器件的位置以及判断器件的结构，第三层则是芯片上打孔的位置在后期连线的时候方便识别。此设计大概可以分为4个模块，霍尔输入端、电源保护、电路放大电路输出。如图4.2所示就是从芯片照片当中提取出来的电路连接图。图4.2 由照片中提取的电路图4.3系统设计指导原则（1）先进性本课题中霍尔元件和其他常规的电路结合不需要复杂的电路连接，直接以霍尔元件的功能可以把被测非电

42、量向电量参数进行转化使其直接成为整个电路的输入端，同时平行霍尔效应使灵敏度更高，四霍尔效应片的设计有效的减小了误差，使补偿电路更加简洁，整个芯片的面积更小，性能效果更佳。（2）可靠性及安全性由于是平行霍尔的设计方式，所以ES41有很高的灵敏度，响应快速。对各种类型的开关有很强的适用性且面积小，具有反向电压保护功能，超小超薄的封装设计使产品的可靠性很高，这点毋庸置疑。范围很宽的工作电压区间和工作温度使ES41对各种较恶劣的使用环境有一定的抗性，能够避免一些不必要的安全隐患，在安全性方面较其他产品有一定的优势。4.4体系结构设计系统体系结构如图4.3所示。图4.3 系统体系结构4.5电路详细设计4

43、.5.1电压调整器电压调整器也称集成稳压器，主要由基准电压源、误差放大器、取样电路和调整原件四部分组成。当输入电压或者输出电流在一定范围内变化时，它可以保持输出电压不变。集成稳压器被广泛应用于各种电子设备中，取代了分立器件组装的稳压电源。它凭借成本低、体积小、性能良好、可靠性高、使用方便等优点迅速发展，成了模拟集成电路中一种重要的产品。目前集成稳压器可分为两种，一种是串联式稳压器，另一种是开关式稳压器。本课题采用的是串联式稳压器，串联式稳压器是对输出电压的变化进行采样，用采样电路与基准电压比较并放大后，控制串连在输入电压与输出电压之间的调整元件（功率晶体管），调节调整管两端的电压，使输出电压稳

44、定，调整管工作于线性区。而开关式稳压器则是将输出信号采样后，经过变换，去控制与负载串联或并联的开关的导通与截止期，然后利用电感储能元件，将脉冲电流转换成为负载中连续的稳定电流。虽然开关式稳压器比串联式稳压器的工作效率高，输出电压变化范围广，但是开关式稳压器的电路复杂，并且需要外接变压器或其他器件，所以串联式稳压器是我们优先考虑的选择。4.5.2霍尔效应元件本课题采用的标准双极工艺制程的霍尔元件，由于电流在外延层内平行芯片表面流动，因此又称为平行霍尔元件。它在P型硅片上分别外延生长出平行于芯片表面的两个N型电流和霍尔电极，芯片垂直于磁场R。当外延层内的主电流通过芯片表面是，它的灵敏度与垂直于它的

45、磁场相关。同时，外延层的杂质密度与厚度相关。这种霍尔元件额特点是灵敏度较高，一般为300V/AT且与双极集成电路互相兼容，因此广泛的应用于霍尔集成电路当中。霍尔元件如图4.4所示。图4.4 平行霍尔效应示意图4.5.3信号放大器信号放大器又叫信号放大电路，用于将传感器或经基本转换电路输出的微弱信号不失真地加以放大，以便于进一步加工和处理。本设计中放大电路为差分放大电路。差分放大的外信号输入分差模和共模两种基本输入状态。当外信号加到两输入端子之间，使两个输入信号Vi1、Vi2的大小相等、极性相反时，称为差模输入状态。此时，外输入信号称为差模输入信号，以Vid表示，且有：当外信号加到两输入端子与地

46、之间，使Vi1、Vi2大小相等、极性相同时，称为共模输入状态，此时的外输入信号称为共模输入信号，以Vic表示，且：当输入信号使Vi1、Vi2的大小不对称时，输入信号可以看成是由差模信号Vid和共模信号Vic两部分组成，其中动态时分差模输入和共模输入两种状态。(1)对差模输入信号的放大作用当差模信号Vid输入(共模信号Vic=0)时，差放两输入端信号大小相等、极性相反，即Vi1=Vi2=Vid/2,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相反，导致两输出端对地的电压增量，即差模输出电压Vod1、Vod2大小相等、极性相反，此时双端输出电压Vo=Vod1Vod2=2Vod1=Vod,可见，差放能有效地

47、放大差模输入信号。要注意的是：差放公共射极的动态电阻Rem对差模信号不起(负反馈)作用。(2)对共模输入信号的抑制作用当共模信号Vic输入(差模信号Vid=0)时，差放两输入端信号大小相等、极性相同，即Vi1=vI2=Vic,因此差动对管电流增量的大小相等、极性相同，导致两输出端对地的电压增量，即差模输出电压Voc1、Voc2大小相等、极性相同，此时双端输出电压Vo=Voc1Voc2=0,可见，差放对共模输入信号具有很强的抑制能力。典型差分放大电路如图4.5所示。图4.5 典型差分放大电路4.5.4施密特触发器施密特触发器常用接入正反馈的比较器来实现。对于这一电路，翻转发生在接近地的位置，迟滞

48、量由R1与R2的阻值控制。比较器提取了两个输入之差的符号。当同相（+）输入的电压高于反相（-）输入的电压时，比较器输出翻转到高工作电压+Vs；当同相（+）输入的电压低于反相（-）输入的电压时，比较器输出翻转到低工作电压-Vs。这里的反相（-）输入是接地的，因此这里的比较器实现了函数符号，具有二态输出的特性，只有高和低两种状态，当同相（+）端连续输入时总有相同的符号。由于电阻网络将施密特触发器的输入端（即比较器的同相（+）端）和比较器的输出端连接起来，施密特触发器的表现类似比较器，能在不同的时刻翻转电平，这取决于比较器的输出是高还是低。若输入是绝对值很大的负输入，输出将为低电平；若输入是绝对值很

49、大的正输入，输出将为高电平，这就实现了同相施密特触发器的功能。不过对于取值处于两个阈值之间的输入，输出状态同时取决于输入和输出。例如，如果施密特触发器的当前状态是高电平，输出会处于正电源+Vs上。这时V+就会成为Vin和+Vs间的分压器。在这种情况下，只有当V+=0（接地）时，比较器才会翻转到低电平。 因此必须降低到低于-R1Vs/R2时，输出才会翻转状态。一旦比较器的输出翻转到Vs，翻转回高电平的阈值就变成了+R1Vs/R2。这样，电路就形成了一段围绕原点的翻转电压带，而触发电平是R1Vs/R2。只有当输入电压上升到电压带的上限，输出才会翻转到高电平；只有当输入电压下降到电压带的下限，输出才

50、会翻转回低电平。若R1为0，R2为无穷大（即开路）。电压带的宽度会压缩到0，此时电路就变成一个标准比较器。输出特性如右图所示。阈值T由R1Vs/R2给出，输出M的最大值是电源轨。实际配置的非反相施密特触发电路如4.6图所示。图4.6 施密特触发电路输出特性曲线与上述基本配置的输出曲线形状相同，阈值大小也与上述配置满足相同的关系。不同点在于上例的输出电压取决于供电电源，而这一电路的输出电压由两个齐纳二极管确定。在这一配置中，输出电平可以通过选择适宜的齐纳二极管来改变，而输出电平对于电源波动具有抵抗力，也就是说输出电平提高了比较器的电源电压抑制比（PSRR）。电阻R3用于限制通过二极管的电流，电阻

51、R4将比较器的输入漏电流引起的输入失调电压降低到最小。4.5.5集电极开路输出集电极开路又名“开集级电路”或“OC门”（ HYPERLINK /view/1458.htm t _blank 英语：Open Collector，），是一种 HYPERLINK /view/1355.htm t _blank 集成电路的输出装置。OC门实际上只是一个NPN型 HYPERLINK /view/3794.htm t _blank 三极管，并不输出某一特定电压值或电流值。OC门根据三极管 HYPERLINK /view/6751682.htm t _blank 基级所接的集成电路来决定（三极管 HYPER

52、LINK /view/328630.htm t _blank 发射极接地），通过三极管 HYPERLINK /view/2099871.htm t _blank 集电极，使其开路而输出。而输出设备若为 HYPERLINK /view/127147.htm t _blank 场效应晶体管（MOSFET），则称之为漏极开路（ HYPERLINK /view/1458.htm t _blank 英语：Open Drain，俗称“OD门”），工作原理相仿。通过OC门这一装置，能够让 HYPERLINK /view/283675.htm t _blank 逻辑门输出端的直接并联使用。两个OC门的并联，可

53、以实现 HYPERLINK /view/674177.htm t _blank 逻辑与的关系，称为“线与”，但在输出端口应加一个 HYPERLINK /view/1106477.htm t _blank 上拉电阻与 HYPERLINK /view/13542.htm t _blank 电源相连。4.5.6功能模块设计电路功能模块设计如图4.7所示。图4.7 电路功能模块大连东软信息学院毕业设计（论文）第5章系统实现5.1环境配置软件环境：Debian.GNU/Linux,Linux 5.2.0-4-686-pae/Cadence 00.5.98实现系统的主要方法利用Cadence下的版图和电路

54、绘制、校对和仿真功能，对电路和版图进行分析验证，已保证系统的功能实现。5.2电路功能实现5.2.1电压调整器的实现电压调整器的电路如图5.1所示。图5.1 电压调整器电路电压调整器是将指不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路。由于集成稳压器具有稳压精度高，工作稳定可靠等特点，在各个电源中得到了普遍的应用。电压调整器可以分为串联调整式、并联调整式和开关稳压器三大类。在本电路中使用的串联调整式的电压稳定器。电压稳定器的工作原理，首先取样电路将输出电压Uo按比例取图，送入比较放大器与基准电压进行比较，差值被放大后去控制调整管，以使输出电压Uo保持稳定。本电路具有限流保护、过热保护和过压保护，采

55、用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠。5.2.2霍尔效应片本课题中以霍尔效应片作为输入信号的提供者，霍尔效应片能把大部分的被测量转换（位移、电压、磁力等）为电信号，使整个电路的关键点成立；即主要使用的是电阻负载式射耦对差分输入级，图5.2为电阻负载式射耦对差分输入级的电路图，此电路的优点是电路简单、所用元件少，因而对称性好、制作容易。缺点是电压增益小，因为是电阻负载，所以单端化和电平位移电路复杂，输入最大共模电压VICM范围小。5.2.3信号放大电路本次设计的信号放大电路如图5.2所示。图5.2 信号放大电路运算放大器的设计相对于其他模块来说比较复杂，内部电路种类较多，差分放大对，

56、此电路主要是以电阻和PNP型恒流源作为负载，放大由输入级过来的信号并有效的减小零点漂移。由于不加偏置电路，信号只有一个半周在基极中产生电流，而且这个半周的一部分会小于三极管的阀值电压，因此三极管只能放大这个信号的不足一个半周。想要放大整个信号周期就需要加偏置电路，本课题中主要是下偏电流较多，所以以放大作用为主的三极管组合偏置电路使整个三极管的工作更加稳定。此运算放大器分为两级运行，即一级放大部分和二级放大部分，作用就是使整个电路的信号放大的倍数更大，三极管更加稳定，再加上施密特触发器在二级放大部分后对整个即将输出的信号进行整形，滤除杂波，使输出更加稳定。5.2.4集电极开路输出集电极开路输出电

57、路如图5.3所示。图5.3 集电极开路输出在本课题电路中，输出部分为驱动电路和一个三极管进行输出，驱动电路为固定的负载提供相对应的电流电压功率等环境，从而满足负载的额定功率使得负载可以正常工作，这样的设计使输出的结果更为稳定，让整个电路对各种环境下的使用都有所响应。大连东软信息学院毕业设计（论文）第6章系统测试6.1 版图设计本设计最终版图如图6.1所示，版图的绘制过程使用的EDA工具是用Cadence来完成的，使用的是4um 25V Bipolar工艺，第一步就是给每个独立的器件建立一个cell，完成之后根据芯片的照片完成尺寸的调整以及器件在整个版图之中的布局，最后根据芯片照片的金属连线一层

58、并针对本次设计进行一定修改完成金属连线，最后完成版图的绘制。图6.1 ES41芯片版图6.2版图DRC和LVS检查6.1.1版图DRC检查DRC为版图的工艺规则检查，EDA工具将根据之前已经设定好的最小工艺器件库，逐一和版图上的器件进行比对，如果版图有与最小工艺尺寸不符合的地方，EDA工具将报错。我们可以根据软件所提示的错误的地方进行修改，最终符合器件的工艺库。如图6.2所示为通过DRC检查。图6.2 DRC检查6.1.2版图LVS检查LVS为电路的连接关系检查，如图6.3所示，在进行LVS前先要经过Extract，即版图中的电路提取，其中PNP和电阻需要用特殊的标识层来表示，在进行Extra

59、ct后即可表示出来。Extract后会出现版图上的细节错误，类似DRC，根据工具栏里的错误内容修改版图。无错误后方可进行LVS。图6.4为根据芯片照片提取出用于LVS的电路图。将这两张图比对进行LVS,图6.5为LVS进程。经过修改之后最终通过LVS，通过LVS如图6.6所示。图6.3 Extract后的版图图6.4 用于LVS的电路图图6.5 LVS进程图6.6 通过LVS检查在进行LVS的过程中，版图中的一些器件可能在LVS之中起不到作用，在版图中也许充当着备用的作用或让版图的布局更佳均匀，这些器件在电路中并无实际意义，所以在进行LVS的电路图中可以进行删减，部分器件在Extract中无法

60、提取出来，也可在LVS的电路图中进行删减，最后进行版图电路与电路图的对比，进行错误的查找。在进行LVS的过程之中出现了20多条错误，基本都是连接节点的问题，有的则有可能是牵一发而动全身，在经过跟实习公司工程师的询问之后将大多数系统提示的错误都改了过来。其中有一部分错误系统会报假错，就是虽然提示LVS有错误但是这个错误可能不存在，不会影响之后的流片过程，所以我们就可以选择忽略这些错误。大连东软信息学院毕业设计（论文）第7章结论ES41是专为直流无刷电机设计的双级霍尔开关电路，响应速度快，灵敏度高，具有较高的工作温度范围及可靠性。ES41具有很多特点，芯片采用小尺寸封装，而且灵敏度高。电路内带反向