Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Тенденции и проблемы развития магниточувствительных микросхем 9
1.1. Виды датчиков магнитного поля, преимущества анизотропных магниторезистивных датчиков 9
1.2. Физические принципы и конструкция магниторезистивных датчиков 15
1.3. Выводы и постановка задачи 24
Глава II. Разработка и исследование однокристальных магниточувствительных микросхем на основе магниторезистивных элементов 26
2.1. Моделирование магниторезистивного элемента 26
2.1.1. Конструкция и технология изготовления моделируемого магниторезистивного элемента 26
2.1.2. Модель магниторезистивного элемента, учитывающая нелинейные эффекты 31
2.1.3. Результаты моделирования 34
2.1.4. Экспериментальные характеристики магниторезистивного моста 37
2.2. Разработка однокристального магниторезистивного датчика 46
2.2.1. Модель магниторезистивного элемента для системы автоматического проектирования 47
2.2.2. Разработка схемы датчика 50
2.2.3. Температурная компенсации микросхемы 54
2.2.4. Однокристальный магниторезистивный датчик 65
2.3. Выводы 67
Глава III. Оценка количества выхода годных кристаллов интегральных магниточувствительных микросхем на основе магниторезистивных элементов 69
Глава IV. Разработка и исследование микросхемы управления бесконтактным двигателем 95
4.1. Проектирование микросхемы управления бесконтактным двигателем на основе магниторезистивного моста 95
4.2. Проектирование микросхемы управления бесконтактным двигателем на основе интегрированного MP моста и датчика Холла 105
Заключение 110
Список используемой литературы 112
- Физические принципы и конструкция магниторезистивных датчиков
- Конструкция и технология изготовления моделируемого магниторезистивного элемента
- Оценка количества выхода годных кристаллов интегральных магниточувствительных микросхем на основе магниторезистивных элементов
- Проектирование микросхемы управления бесконтактным двигателем на основе интегрированного MP моста и датчика Холла
Введение к работе
Актуальность темы. В современном информационном обществе цифровая- обработка сигналов проникает практически во все аспекты жизнедеятельности человека. Такая обработка неразрывно связана приборами, регистрирующими наличие или изменение сигнала — с датчиками. Среди многообразия различных датчиков важную роль играют датчики магнитного поля. Для- решения многих бытовых, промышленных или научных задач необходимы датчики магнитного поля, регистрирующие его наличие — пороговые магниточувствительные схемы.
Массовое внедрение магниточувствительных схем, требуем их удешевления и возможности внедрения- в системы-на-кристалле, для» построения комплексов цифровой обработки- сигналов. Для этого они. должны выполнятся в, виде одного кристалла, быть стойкими к технологическим и эксплуатационным разбросам и обладать малыми размерами:
Существует несколько типов датчиков, магнитного поля, различающихся по принципу функционирования. В силу относительной, простоты изготовления.по интегральной технологии широко распространены датчики Холла, которые имеют небольшую стоимость и высокую надежность. Однако они. имеют ряд недостатков, главным из которых является относительно низкая чувствительность. Среди датчиков, которые могут производиться по интегральной технологии, существенно более высокую чувствительность имеют датчики на основе анизотропного магниторезистивного эффекта.
В связи с этим перспективным является разработка методови решений, позволяющих спроектировать и внедрить в массовое производство однокристальные магниточувствительные микросхемы на основе магниторезистивных элементов, обладающих малыми размерами и. энергопотреблением, и стойких к технологическим и эксплуатационным разбросам.
Цель диссертационной работы состоит в разработке методов проектирования и исследования однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем на основе магниторезистивных элементов, ориентированных на массовое производство.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать модель магниторезистивного элемента для повышения точности расчета нелинейных эффектов в пороговых датчиках магнитного поля.
2. Разработать модель магниторезистивного элемента для системы автоматического проектирования (SPICE).
3. Разработать метод стабилизации температурного дрейфа уровня переключения однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем.
4. Разработать схемотехнические и топологические решения пороговых магниточувствительных микросхем, минимизирующих влияние технологического разброса.
5. Разработать метод оценки коэффициента выхода годных кристаллов пороговых магниточувствительных микросхем.
6. Экспериментальная проверка разработанных методов и решений на примере проектирования, изготовления и исследования характеристик серии магниточувствительных микросхем.
Научная новизна работы состоит в следующем:
1. Предложена модель, учитывающая нелинейные эффекты, связанные с насыщением и остаточной намагниченностью магниторезистивного мостового элемента.
2. Разработана модель магниторезистивного элемента для системы автоматического проектирования на основе таблиц экспериментальных данных, которая позволяет учесть изменения передаточной характеристики с температурой и полярностью магнитного поля. 3. Предложен метод компенсации температурного дрейфа магниторезистивного мостового элемента температурным дрейфом схемы сравнения пороговых уровней.
4. Предложены новые конструктивные элементы топологии магниторезистивного моста, позволяющие минимизировать влияние технологического разброса. Разработана новая конструкция блока настройки порога срабатывания микросхемы с дополнительным температурным дрейфом.
5. Предложен метод оценки коэффициента выхода годных кристаллов пороговых магниточувствительных микросхем по тангенсу угла наклона передаточной характеристики магниторезистивного моста.
Практическая ценность работы.
1. Модель, учитывающая нелинейные эффекты, связанные с насыщением и остаточной намагниченностью магниторезистивного мостового элемента, позволяет оптимально выбирать геометрические и технологические параметры магниторезистивного моста для заданного значения порога переключения и контролировать качество его изготовления.
2. Использование предложенной модели магниторезистивного элемента на основе таблиц экспериментальных данных позволяет существенно повысить качество и сократить время проектирования пороговых магниточувствительных микросхем.
3. Разработанный метод температурной компенсации уровня переключения позволяет существенно расширить эксплуатационные характеристики однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем.
4. Предложенные конструктивные элементы топологии магниторезистивного моста и конструкция блока настройки порога срабатывания микросхемы позволяют существенно повысить коэффициент выхода годных однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем.
5. Разработанный метод оценки количества годных кристаллов на пластине позволяет оперативно контролировать качество технологического процесса производства микросхем и планировать объемы поставок пластин в условиях длительного производственного цикла.
6. Внедрение разработанной серии однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем позволяет снизить себестоимость и улучшить эксплуатационные характеристики широкого спектра изделий бытового и промышленного назначения.
Внедрение. Результаты работы внедрены и легли в основу серийно выпускаемых микросхем пороговых датчиков магнитного поля К1446ЧЭ1/ЧЭ2, датчика движения металлических предметов, микросхемы управления бесконтактным двигателем, что подтверждено актом о внедрении.
Достоверность результатов. Достоверность разработанных методов и схемотехнических решений подтверждена результатами экспериментальных исследований тестовых образцов микросхем пороговых датчиков магнитного поля, а также результатами компьютерного моделирования с использованием верифицированных моделей элементов.
На защиту выносятся следующие основные положения:
1. Модель, учитывающая нелинейные эффекты, связанные с насыщением и остаточной намагниченностью магниторезистивного мостового элемента, повышает точность расчета пороговых датчиков магнитного поля, позволяя оптимально выбирать геометрические и технологические параметры магниторезистивного моста для заданного значения порога переключения.
2. Модель магниторезистивного элемента на основе таблиц экспериментальных повышает качество и сокращает сроки проектирования пороговых магниточувствительных микросхем.
3. Температурная компенсация уровня переключения микросхем температурным дрейфом схемы сравнения пороговых уровней расширяет эксплуатационные характеристики однокристальных пороговых магниточувствительных микросхем.
4. Введение фиктивных элементов в магниторезистивый мост и перекрытия металлом контактов к магниторезистивному элементу вместе с подстройкой пережигаемыми перемычками порогового уровня существенно повышает коэффициент выхода годных в условиях массового производства.
5. Оценить коэффициент выхода годных кристаллов пороговых магниточувствительных микросхем позволяет тангенс угла наклона передаточной характеристики магниторезистивного моста.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на 1-й окружной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов - 2009 (г. Москва, февраль ,2009 г.) и 16-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2009» (г. Москва, апрель 2009 г.).
Публикации. Результаты диссертационной работы отражены в 3-х статьях и тезисах 6-ти докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. Диссертация изложена на 111 листах основного текста, содержит 65 рисунков и 12 таблиц к основному тексту, списка литературы из 104 наименований.
Физические принципы и конструкция магниторезистивных датчиков
Существует целый ряд физических явлений, сутью которых является зависимость электрического сопротивления материала от действующего на него магнитного поля. Это обычный магниторезистивный эффект, анизотропный, гигантский и колоссальный магниторезистивные эффекты [6, 21]. Работа рассматриваемого нами датчика основана на анизотропном магниторезистивном эффекте - зависимости сопротивления ферромагнетиков от угла между вектором намагниченности материала и направлением тока в образце. Микроскопическая природа этого явления, который открыл Кельвин в 1857 г. [59], связана со спин-орбитальным взаимодействием электронов.
Приведем основные соотношения, описывающие магниторезистивный эффект [1]. Будем считать, что образец представляет собой тонкую ферромагнитную пленку прямоугольной формы, и векторы тока, магнитного поля и намагниченности лежат в плоскости образца (Рис. 1.3).
Сопротивление магниторезистивного материала максимально, если ток течет вдоль направления намагниченности, и минимально, если ток течет перпендикулярно. Зависимость удельного сопротивления р от угла в между направлением тока и намагниченностью имеет вид: или в другой форме:
Здесь pi, pt- значения удельного сопротивления материала в направлениях вдоль и поперек вектора намагниченности образца, а коэффициент магнитосопротивления определяется выражением:
В отсутствии поля, вектор намагниченности образца М направлен вдоль определенной оси анизотропии, формируемой при изготовлении магниторезистора - так называемой оси легкого намагничивания (ОЛН). При приложении поля Н направление вектора намагниченности изменяется на угол (р. Этот угол можно вычислить, определив при каком его значении достигается минимум суммарной энергии магниторезистора W: где Нх, Ну - проекции приложенного поля на оси трудного и легкого намагничивания, Нк — характеристическое поле анизотропии, определяемое материалом и формой магниторезистора.
Выражения (1.1)-(1.4) определяют зависимость сопротивления образца от приложенного поля, которая в общем случае является нелинейной. Предполагая, что угол поворота вектора намагниченности под действием поля мал ( (р « 1 ), эта зависимость описывается выражением: где /Ї - сопротивление образца в отсутствие поля, є — угол между направлением тока и осью легкого намагничивания. Из этой формулы видно, что наибольшее изменение сопротивления происходит, когда поле прикладывается перпендикулярно оси легкого намагничивания (Ну=0,
Зависимости приращения сопротивления AR=R(H)-R от величины поля Я для различной ориентации оси легкого намагничивания относительно тока иллюстрируют графики на Рис. 1.4.
Из приведенных графиков видно, что наиболее протяженный линейный участок соответствует случаю, когда ось легкого намагничивания расположена под углом 45 к направлению тока. А магниторезисторы с углами є, отличающимися на 90, имеют взаимно дополнительные (комплиментарные) характеристики. Это свойство используется при построении мостовых магниторезистивных датчиков для уменьшения температурной ошибки.
Область применимости соотношения (1.5) определяется условием Н НК 1, т.к. только в этом случае можно считать угол р малым. Соотношение теоретически рассчитанной и экспериментально полученной характеристик магниторезистора показывает график на Рис. 1.5. При величине магнитного поля, большей 2Нк, сопротивление магниторезистора уже практически не изменяется. Это связано с почти полной переориентацией вектора намагниченности вдоль направления вектора внешнего поля.
Явление изменения электрического сопротивления ферромагнетика под воздействием магнитного поля наблюдается у нескольких материалов и сплавов [23, 49], В настоящее время для изготовления магниторезистивных датчиков в основном применяются пермаллой (NiFe) и сплав NiFeCo с различным процентным составом входящих в сплав компонентов. Параметры наиболее распространенных магниторезистивных материалов приведены в Таблице 1.4 [1].
Пермаллой характеризуется малой величиной поля анизотропии, что в соответствии с выражением (1.5) увеличивает магниторезистивный эффект и позволяет достигнуть порогового значения измеряемого магнитного поля приблизительно 10 мкТ. При этом верхняя граница измеряемого поля достигает 0.5 — 0.6 мТ. Величина магниторезистивного эффекта в пермаллое составляет 2-3% в зависимости от процентного состава. Данная величина является характерной для анизотропного магниторезистивного эффекта в ферромагнетиках на основе сплава NiFe.
Добавление кобальта в пермаллой приводит к увеличению значения коэффициента магнитосопротивления Лр/р до 3.2% , а также сильному увеличению значение поля анизотропии Нк (Рис. 1.6). Это позволяет за счет уменьшения чувствительности сдвинуть диапазон измеряемого магнитного поля вплоть до 2-4 мТ.
Конструкция и технология изготовления моделируемого магниторезистивного элемента
Исходя из назначения разрабатываемого типа интегральных микросхем - пороговых индикаторов магнитного поля, была выбрана конструкция магниторезистивного моста, представленная ранее на Рис. 1.8. Так как требуемый диапазон измеряемых магнитных полей находится в районе 1-3 мТ, применение технологии полюсов Барбера с высокой линейностью при полях до 1 мТ не оправдано, поскольку усложняет технологию изготовления и увеличивает потребление тока и размер датчика.
Материал для изготовления MP моста также выбирался исходя из требуемого диапазона внешнего магнитного поля. Так как магниторезистор входит в насыщение при величине поля порядка 2Нк, нами использовался сплав Ni6oFeioCo3o со значением характеристического поля анизотропии порядка 2 мТ (см. Таблицу 1.4).
Геометрические размеры магниторезистивного моста выбирались из следующих соображений [14,15]: толщина напыления MP слоя определяется двумя факторами. Во-первых она не должна быть достаточно тонкой, т.к. чем тоньше MP слой, тем больше вероятность его разрыва на неоднородности рельефа подложки, и тем труднее контролировать точность напыления пленки. Во-вторых, в ферромагнитных пленок толще 30-40 нм существенно увеличивается коэрцитивная сила [19]. Это обусловлено тем, что в относительно толстых пленках границы доменов образованы преимущественно блоховскими стенками, а не неелевскими, у которых существенно меньше энергия. Поэтому была выбрана толщина MP пленки 30 нм.
Ширина MP полоски была выбрана не только исходя из соображений уменьшения гистерезиса передаточной характеристики, но и точности ее воспроизводства и требования компактности магниторезистивного элемента. Основным фактором, влияющим на воспроизводство, является точность травления. Т.к. для технологии 1мкм погрешность травления составляет 0.1 мкм, ширина полоски была выбрана равной Юмкм — на два порядка больше погрешности. Длина MP полосок выбиралась, исходя из суммарного электрического сопротивления моста, которое прямо пропорционально длине. Для обеспечения заданного тока потребления, сопротивление MP моста должно быть не менее 1 кОм. Для этого использовались полоски длиной 100 мкм, число полосок для каждого сопротивления моста равнялось 12. В результате площадь, занимаемая MP мостом, составила приблизительно 400х400мкм. Процесс изготовления магниторезистивного моста состоит из нескольких основных этапов: 1) Нанесение оксида на всю поверхность кремниевой пластины; 2) Напыление тонкого (0,1 мкм) слоя титана. Этот слой служит для улучшения адгезии MP материала. 3) Напыление магниторезистивного материала; 4) Стравливание лишнего MP материала. Формирование моста. 5) Отжиг пластины в постоянном, направленном вдоль оси симметрии моста, магнитном поле; 6) Напыление тонкого слоя титана; 7) Нанесение слоя оксида (1-я пассивация); 8) Формирование контактов и алюминиевых проводников; 9) Нанесение слоя оксида (2-я пассивация). Особую важность имеют процессы нанесения MP слоя и последующий отжиг в магнитном поле. Оптимальный выбор параметров этих процессов является сложной задачей, т.к. зачастую свойства датчика зависят сразу от нескольких из них. На рис.2.2(a) представлены зависимости коэффициента магниторезистивного эффекта и коэрцитивной силы в зависимости от температуры подложки при напылении [9, 10]. Видно, что величина магниторезистивного эффекта имеет максимум при температуре порядка 300С, а при более низких или более высоких температурах величина эффекта резко спадает. При повышении температуры подложки до 360-400С резко увеличивается коэрцитивная сила. Для нашего технологического процесса была выбрана температура напыления в 280С. На рис. 2.2(6) представлена зависимость величины MP эффекта, характеристического поля анизотропии и коэрцитивной силы от температуры отжига [9,10]. Отталкиваясь от необходимого значения поля анизотропии в 2 кА/м, температура отжига должна быль в районе 300С, однако максимум коэффициента MP эффекта и минимум коэрцитивной силы лежит в районе 400С. Компромиссной температурой магнитного отжига стало 350С.
Оценка количества выхода годных кристаллов интегральных магниточувствительных микросхем на основе магниторезистивных элементов
Поскольку требования, предъявляемые к качеству интегральных микросхем, непрерывно растут, выбор оптимальных параметров элементов схемы становится распространенной технической проблемой проектирования. Присутствие технологических разбросов в процессе изготовления интегральных микросхем влечет за собой отличие реальных размеров элементов кристаллов, таких как резисторы, емкости и транзисторы от их номинальных размеров.
Основой разрабатываемых магниточувствительных микросхем является магниторезистивный (MP) элемент, выполняемый в виде мостовой схемы. Технологические отклонения в процессе его производства вносят основной вклад в итоговое количество выхода годных кристаллов. В связи с этим, особое внимание при изготовлении магниторезистивного датчика уделяется качеству нанесения магниторезистивного слоя. Кроме того, изменения внешних параметров (таких как температура, напряжение питания, напряженности приложенного магнитного поля и т.д.) влияют на изменения рабочих характеристик микросхемы в течении ее срока службы.
Производство полупроводниковых микросхем состоит из нескольких стадий: проектирование интегральной микросхемы, подготовка фотошаблонов, производство пластин, изготовление кристаллов, монтаж, корпусирование и тестирование. Каждая стадия также содержит в себе несколько процессов. Например, изготовление пластины состоит из окисления, фотолитографии, нанесение маски поликремния, ионной имплантации, нанесения слоя металла и так далее. Для изготовления современных полупроводниковых схем требуется больше 400 отдельных процессов, что по времени часто занимает более двух месяцев. Помимо этих процессов при изготовлении MP датчиков добавляются такие процессы, как нанесение MP слоя, его травление и отжиг. Причем все эти процессы происходят в магнитном поле и в специфических условиях, что усложняет производство микросхем MP датчиков по сравнению с обычными КМОП микросхемами. Реализация сложного процесс производства полупроводниковой схемы содержит большое количество возможных дефектов. Дефекты вызывают ошибки и отказы в работе интегральных схем, они также приводят к снижению объема выпуска годных изделий и деградации надежности. В частности при изготовлении магниторезистивных датчиков очень важны дефекты, связанные с нанесением MP слоя, которые приводят к следующим проблемам: 1) увеличение гистерезиса передаточной характеристики; 2) нестабильность начального напряжения смещения в мостовой схеме; 3) уменьшение линейной части передаточной характеристики магниторезистивного слоя;
Дефект, ошибка - часто используемые термины, как в разработке полупроводниковых схем, так и в анализе надежности и объем выпуска годных изделий. В полупроводниковой промышленности дефект определен как любой физический недостаток, который не удовлетворяет указанные требования. Ошибка - критический дефект, который затрагивает производительность или функциональное поведение интегральной схемы. Во многих случаях ошибка и отказ используются взаимозаменяемо, чтобы указать на сбой в функционировании микросхемы.
Классификация, диагноз и анализ дефектов и ошибок важны для того, чтобы увеличить количество выпуска годных и надежность. Дефекты могут быть классифицированы по типам согласно их размеру, источникам и местоположению, следующим образом:
Глобальными дефектами являются дефекты, которые происходят на относительно больших областях поверхности пластины. Основными источниками глобальных дефектов являются: дислокации на пластине, нарушение границ масок, различие уровней имплантации и так далее. Количество глобальных дефектов можно постепенно уменьшать во время производства партии путем жесткого контроля соответствующих производственных процессов.
Локальные дефекты, или дефекты пятна, являются случайными точечными дефектами, которые главным образом происходят из-за попадания нежелательных инородных частиц, металлических примесей, и электростатического заряда. Они главным образом вызваны загрязнением производственных помещений, несовершенными производственными процессами и неосторожным обращением с пластинами. Жесткие и мягкие дефекты.
Локальные дефекты можно разделить на жесткие или мягкие. Жесткий дефект — это локальный дефект, который приводит к разрыву или короткому замыканию цепи, то есть к отказу интегральной схемы. Напротив, мягкий дефект не затрагивает функциональные возможности схем, но он вызывает уменьшение или увеличение физических размеров устройства, которое может изменить его рабочие характеристики. Межслойные и внутрислойные дефекты.
Основанные на их местоположении, локальные дефекты классифицируются на межслойные дефекты и дефекты внутри одного слоя. Недостаток или излишек материала проводящего слоя может привести к разрыву или короткому замыканию электрической цепи.
Применяя данную классификацию к MP датчикам необходимо отметить ряд дефектов приводящих к неправильной работе микросхемы в целом. В основном это локальные дефекты, связанные с нанесение магниторезистивного слоя. Во время процесса химического травления нанесенного MP слоя могут возникать неровности на краях полосок магниточувствительного элемента. Также возможно рассовмещение шаблонов, что приведет к неправильным геометрическим размерам магниточувствительного элемента. Во время температурного отжига могут возникнуть неровности на поверхности MP слоя или измениться его магнитные характеристики, что также повлечет неправильную работу схемы датчика.
Чтобы увеличить объем выхода годных микросхем и их надежность, необходимо эффективно управлять производственными дефектами и ошибками. Тут возможны два подхода. Первый подход основан на снижении числа дефектов и ошибок за счет контроля производственных процессов с минимально допустимым уровнем загрязнения. Основными методами в данном подходе являются: классификация, диагностика, анализ ошибок и нарушений, а также статистический контроль процесса.
Другой подход к снижению дефектов и ошибок состоит в том, что необходимо проектировать так называемые отказоустойчивые схемы и архитектуры. В частности для магниточувствительных интегральных схем на основе магниторезистивных элементов необходимо применять как схемотехнические методы повышения отказоустойчивости, описанные в главе 2, так и топологические методы, описанные ниже.
Проектирование микросхемы управления бесконтактным двигателем на основе интегрированного MP моста и датчика Холла
Применение MP датчика в составе микросхемы драйвера электродвигателя постоянного тока позволяет реализовать ее поверхностный монтаж непосредственно на печатную плату двигателя без существенного изменения его технических характеристик.
На рисунке 4.8 представлена временная диаграмма работы микросхемы во время запуска в случае неверного определения полярности магнитного поля.
По результатам проектирования микросхемы управления бесконтактным двигателем на основе магниторезистивного чувствительного элемента была выявлена одна проблема - успешное функционирование данной микросхемы зависит от правильного расположения на печатной плате изделия, причем область такого расположения является небольшой. Это вызвано тем, что MP элемент, в отличие от датчика Холла не чувствителен к полярности магнитного поля.
В то же время для микросхем на основе датчика Холла характерен повышенный шум, связанный с периодическим несовпадением частоты чоппер-стабилизации элемента Холла и вращения мотора. В данном разделе предложена реализация схемы MP-датчика с переключаемым элементом Холла для применения в схемах бесконтактных двигателях постоянного тока для устранения обоих проблем.
Эффект повышенного шума возникает вследствие неоднозначности определения момента изменения полярности магнитного поля из-за дискретного по времени характера работы чоппер-стабилизации датчика Холла. Эффект наиболее выражен на высоких оборотах и приводит не только к повышенному шуму двигателя, но и к большему току потребления двигателя. Для устранения данного эффекта предлагается использование чувствительного магниторезистивного элемента.
На низких оборотах двигателя (до 600 об/мин) используется чоппер-стабилизация датчика Холла, т.е. применяется переключаемый элемент Холла, который используется для выделения напряжения смещения от полезного сигнала и наоборот Переключаемый элемент представлен на рис.4.10.
При наличии магнитного поля это, соответственно, приводит к появлению напряжения на другой паре выводов. Сигнал на выходе элемента Холла описывается выражением: U(2) = -UH+ IUQFFI; где UH - напряжение на элементе Холла, UOFF — напряжение смещения нулевого уровня схемы («смещение нуля»).
Далее сигнал усиливается, и, при помощи схемы выборки хранения, выделяются постоянные составляющие для каждого из состояний. Общая схема датчика в режиме работы на низких оборотах представлена на рис.4.11. Переключаемый элемент Холла представлен блоком ЭХ. После усреднения и усиления, получим усиленное напряжение Холла без смещения:
Использование датчика Холла с чоппер-стабилизацией необходимо для работы только с постоянными (не периодическими) полями для определения направления первоначального вращения. Для переменных периодических полей, которые наблюдаются при работе двигателя, достаточно использовать магниторезистивныи датчик. Отсюда вытекает второй режим работы, который используется для устранения эффекта повышенного шума и тока потребления. В данном режиме прекращается работа датчика Холла и переключение обмоток двигателя происходит по сигналу с магниторезистивного датчика. В этом режиме работа микросхемы аналогична рассмотренной в главе 4.2 за исключением необходимости определения знака первоначального вращения. Т.к. к моменту подключения MP датчика двигатель вращает мотор в нужном направлении, то от магниторезистивного датчика требуется только определять моменты переключения тока в катушках.
При запуске двигателя микросхема начинает работать в первом режиме. Начинается переключение элемента Холла и выделение напряжения Холла, и сравнение его с начальным сигналом. Тем самым обеспечивается определение текущего знака магнитного поля и формирование соответствующего управляющего сигнала и далее, через один из мощных выходных транзисторов, выходного тока. Работа в первом режиме продолжается до достижения определенного числа оборотов (600 об/мин).
Далее, при достижении данной скорости вращения, происходит остановка переключений элемента Холла и начинается работа во 2 режиме. Подключается магниторезистивныи датчик, конструктивно расположенный на том же кристалле. Тем самым снова обеспечивается определение текущего знака магнитного поля и формирование соответствующего управляющего сигнала и выходного тока. На выходе два сигнала, полученные в каждом из режимов работы, объединяются в один при помощи системы ключей.
