Improvements of CMOS hall sensors for current sensing applications
Akım ölçüm uygulamaları için CMOS hall sensörü geliştirmeleri
- Tez No: 987020
- Danışmanlar: DOÇ. DR. TUFAN COŞKUN KARALAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Analog tümleşik devreler, Tümdevre tasarımı, Tümleşik devreler, Analog integrated circuits, Integrated circuits design, Integrated circuits
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
With advancements in integrated circuit (IC) technology, the trend has shifted from assembling different circuits on a board to integrating all blocks into a single chip. This approach is commonly used in sensor circuits designed to detect external variables like temperature, pressure, current, and magnetic fields. Hall effect sensors, used in applications like current, position, and speed measurement, are a good example of this integration, as they can be produced on the same chip with readout circuits. As Hall effect sensors continue to increase in performance and application diversity, the market for them is growing in importance. This thesis proposes various methods to improve the performance of a CMOS Hall sensor system-on-chip (SoC) designed for current measurement applications. The Hall sensor SoC includes sensor elements, amplifiers, analog-to-digital converters (ADC), a digital calibration block, and a digital-to-analog converter (DAC). In addition, it features standard blocks like voltage references, voltage regulators, reset blocks, and digital serial communication interfaces. The Hall sensor generates a voltage when exposed to a magnetic field, which is then amplified due to its small magnitude (200-300 μV). The signal is converted to digital using an ADC, and a digital calibration block reduces hysteresis and improves linearity. Finally, a DAC reconverts the digital signal to analog for output. For current measurement applications, key performance parameters for Hall sensors are sensitivity, output offset, and linearity. Sensitivity refers to the voltage output per unit magnetic field; output offset is the voltage difference at zero magnetic field; and linearity is affected by hysteresis and output voltage saturation. The thesis presents two classes of methods to improve these performance parameters. The first class focuses on improving the physical structure of the sensor to enhance sensitivity and reduce output offset. In the literature, sensitivity and offset are typically improved through readout circuit enhancements, which increase complexity, chip area, and power consumption. Addressing the issue within the sensor itself is considered more practical. The second class of methods involves using digital calibration algorithms to reduce hysteresis effects and improve linearity. Normally, these calibration algorithms are applied through additional digital signal processing circuits or microcontrollers on the circuit board, leading to increased cost and space requirements. Performing the calibration within the chip is therefore a more efficient approach.
Özet (Çeviri)
Tümdevre teknolojisindeki gelişmelerle birlikte farklı tümleşik devreleri kart üzerinde birleştirerek sistem oluşturma yerine, bütün farklı altblokları tek bir yonga üzerinde gerçekleştirme işi yaygınlaşmaktadır. Bu şekilde tasarlanan tümdevrelere yonga üstü sistem denilmektedir (System-On-Chip). Bu durum sıcaklık, basınç, akım, manyetik alan tarzı dış dünyaki değişkenleri algılamaya yarayan sensör devrelerinde kullanılmaktadır. Özellikle manyetik alan ve buna bağlı olarak akım, pozisyon, hız sensörü gibi uygulamalarda kullanılan Hall etkisi sensörleri, okuma devreleriyle aynı kırmık üzerinde üretilebildikleri için yonga üstü sistemler için güzel bir örnek olmaktadır. Uygulama çeşitliliği ve yüksek performansları sayesinde sektördeki Hall etkisi sensör pazarı önem kazanarak artmaktadır. Bu tezde de akım ölçüm uygulamaları için tasarlanan CMOS Hall sensör yonga üstü sistem devresinin performansını arttırmak için çeşitli methodlar önerilmiştir. Hall sensör tümdevresi, sensör elemanları, kuvvetlendirici devreleri, analog-sayısal dönüştürücü, sayısal kalibrasyon bloğu ve sayısal-analog dönüştürücü devrelerinden oluşmaktadır. Bu devrelere ek olarak neredeyse her tümdevrede bulunan referans gerilim üreteci, gerilim regülatörleri, reset üreteci (Power on Reset-POR) altbloğu ve sayısal seri haberleşme altbloğu bulunmaktadır. Sensör elemanı üzerine dik gelen manyetik alan ile birlikte Hall gerilimi oluşturur. Bu Hall gerilimi çok küçük (200-300 μV) olduğu için kuvvetlendirici devresine ihtiyaç duyulmaktadır. Sonrasında ise analog-sayısal dönüştürücü devresi ile işaret sayısala dönüştürülür. Sayısal dönüştürülme sebebi sayısal kalibrasyon bloğu kullanılarak işaretin gösterdiği histeresis davranışının azaltılarak lineerliğinin arttırılmasıdır. Sonrasında ise sayısal analog dönüştürücü kullanılarak işaret tekrar analoga çevrilerek çıkışa verilir. Hall sensörleri için bulunan çeşitli performans parametrelerinden akım ölçüm uygulaması için önemli olanlar hassasiyet, çıkış offseti ve lineerliktir. Hassasiyet birim manyetik alana karşılık çıkışa verilen gerilim, çıkış offseti manyetik alan uygulanmadığı durumdaki çıkışta oluşan gerilim farkı ve lineerlik ise ölçülmek istenen akım ve manyetik alan ilişkisinden gelen histeresis davranışı ve çıkış gerilimindeki doyma ile tanımlanabilir. Bu tezde yukarıda bahsedilen performan parametrelerini geliştirme amacıyla yöntemler önerilmiştir. Bu yöntemler iki sınıfa ayrılmıştır. İlki sensörün fiziksel yapısını geliştirerek hassasiyeti yükseltmek ve çıkış offsetini de azaltmayı amaçlar. Literatürde genellikle okuma devrelerinde yapılan geliştirmelerle hassasiyet ve offset iyileştirmeleri yapılmaktadır. Bunlar devre karmaşıklığı, devrenin kapladığı alan ve güç tüketimi gibi ekstra maliyetler çıkardığı için sorunu yerinde yani sensörün içinde çözmek daha mantıklıdır. Diğeri ise sayısal kalibrasyon bloğu kullanılarak histeresis etkisini azaltıcı algoritmalar deneyerek lineerliği arttırmak üzerinedir. Normalde bu tür kalibrasyon algoritmaları kart devresi seviyesinde sensör yongasının çıkışına ekstra sayısal işaret işleme ya da mikrokontrolör gibi devreler üzerinden uygulanmaktadır. Bu da sistem için ekstra maliyet ve kart alanı demektir. Kalibrasyonu yonga içinde yapmak bu açıdan mantıklıdır. Bu doğrulta tasarlanan Hall sensörü devresi, 300 mT ve 30 kHz sinyal bant genişliği aralığında 11 V/T kazanç ve %0,76 RMS doğruluğu elde etmektedir. SoC, akım sensörünün manyetik çekirdeğinin neden olduğu doğrusal olmayanlıkları kalibre etmek için polinom hesaplama algoritması uygulayan bir sayısal düzeltme birimine sahiptir. Sensörün ofset sıcaklık kayması, −40◦C ila 85◦C aralığında derece başına 6,81 μT'dir. 10 A'den 10 A'e kadar akımları ölçebilir ve %1,67 RMS ölçüm hassasiyetine ulaşabilir. Fiziksel geliştirmeler konusunda sensör çıkış bağlantıları tek büyük bir bağlantı yerine birden fazla küçük bağlantı elemanı koyularak yapılmış ve hassasiyet olan etkisi incelenmiştir. Çıkış offseti için ise sensörün etrafına işlevsiz katmanlar koyularak bunların çıkış offseti varyansını ne kadar etkilediğine bakılmıştır. Çeşitli sensör yapılarının FEM simülasyonlarını kullanarak, çıkış ofsetinin kaynakları ve bunu azaltma yöntemleri tanımlanmaktadır. Simülasyon sonuçları, çapraz şekilli sensörlerin kullanılmasının, sekizgen şekilli sensörlerin yanı sıra yuvarlatılmış köşeli kare şekilli sensörlerden %75 daha fazla varyans gösterdi˘gini göstermektedir. Do˘gru akım akı¸s yolunun kısıtlanmasının daha büyük ofset varyansları üreteceği belirlenmiştir. Ek olarak, ölçümler, geometriye ek olarak ofseti de etkileyen yakınlık etkilerinin olduğunu göstermektedir. Diğer yapılarla çevrili sensörler, simülasyonlarda gözlemlenen varyasyon ilişkilerini göstermektedir. Kenarlara yerleştirilen sensörler ek sensör ofset varyasyonu göstermektedir. Ölçülen sensör ofsetleri, yakınlık etkileri de dahil olmak üzere 5 mV ile 20 mV arasında değişmektedir. Yakınlık etkilerini azaltabilirsek, varyasyon 5 mV ile 10 mV arasında ölçülmektedir. Bu nedenle, Hall sensörü çıkış voltajı ofset varyansını azaltmak, akım akışındaki kısıtlamalardan kaçınmak için işlevsiz (dummy) katmanlar kullanmayı içerir. Sistem seviyesi geliştirmede ise histeresis etkisinden kurtulmak için lineerleştirme algoritmalarında doğrusal polinoma uyma algoritması kullanılmıştır. Ancak istenen doğruluk elde edilemediği için histeresis polinomuna uyma algoritması denenmiştir. Bu çalışmada geliştirilmiş bir akım sensörü önerilmiştir. Akım sensörü gelişmiş bir kalibrasyon algoritması kullanır ve %1'den daha iyi bir doğruluk elde etmeyi hedeflemektedir. Hall etkisine dayalı akım sensörleri akımdan kaynaklanan manyetik alanı ölçer. Hall elemanı, manyetik alanı Hall etkisini kullanarak bir voltaja dönüştürür. Ferromanyetik çekirdekteki manyetik geçirgenliğin doğrusal olmaması, manyetik alan oluşumu sırasında doğrusal olmayanlığa neden olur ve histerezise neden olur. Böylece Hall etkisi akım sensörünün doğruluğu azalır. Doğruluktaki düşüşü önlemek için sensörün histerezis karakteristiği kalibre edilebilir. Girişler gürültüyü temizlemek için filtrelenir. Bir dizi kalibrasyon polinomu oluşturarak, bu işlevler sensör çıkışlarını iyileştirmek için kullanılabilir. Algoritma, sensör hata performansını, kazanç kalibreli sensörlerde %1'den min RMS ölçüm hatasına dayalı kalibrasyon için %0,3'e çıkarabilir. Sonuç olarak tezde akım ölçüm uygulamalarında kullanılan Hall etkisi sensörler için geliştirmeler sunulmuştur. Tezde yapılan çalışmalardan iki adet uluslararası dergi makalesi ve bir adet uluslararası konferans bildirisi yayınlanmıştır. Bu çalışmaları ve bu tezi de içeren proje, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) araştırma hibesi 115C053 tarafından finanse edilmiştir.
Benzer Tezler
- Eşikaltı çalışan otaların iyileştirilmesi ve tip elektroniği alanına uygulanması
Başlık çevirisi yok
GÜRSEL DÜZENLİ
Yüksek Lisans
Türkçe
1996
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. H. HAKAN KUNTMAN
- Analysis and Improvement of Thermal Properties for CMOS-MEMS Thermopile
CMOS-MEMS Termopilin Termal Özelliklerinin Analizi ve İyileştirilmesi
MUHAMMED ENES MERMER
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiNatıonal Changhua Unıversıty Of EducatıonElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CHIH-HSIUNG SHEN (沈志雄)
- CMOS akım taşıyıcılarının makromodellerinin oluşturulması ve akım taşıyıcılı sistemlerin analizi
Formation of macromodels of CMOS current conveyorsand analysis of current conveyors filters
BERNA YENEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. HAKAN KUNTMAN
- High-speed design of high-resolution dacs
Yüksek çözünürlüklü sayısal-analog dönüştürücülerin yüksek hızlı tasarımı
INDRIT MYDERRIZI
Doktora
İngilizce
2009
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ ZEKİ
- A new nano-design of ımage steganography structure based on quantum technology
Kuantum teknolojisine dayalı görüntü steganografisi
HUSEYN SALAHOV
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolKadir Has ÜniversitesiBilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİMA JAFARİ NAVİMİPOUR