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1、霍尔传感器原理2022/10/201本讲稿第一页，共十五页第一节第一节 霍尔元件的结构及工作原理霍尔元件的结构及工作原理 半导体薄片置于磁感应强度为半导体薄片置于磁感应强度为B 的磁场中，磁场方向垂直于薄的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流片，当有电流I 流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势动势EH，这种现象称为霍尔效应。，这种现象称为霍尔效应。磁感应强度磁感应强度B B为零时的情况为零时的情况c cd da ab b2022/10/202本讲稿第二页，共十五页磁感应强度磁感应强度B B 较大时的情况较大时的情况 作作用用在在半半导
2、导体体薄薄片片上上的的磁磁场场强强度度B越越强强，霍霍尔尔电电势势也就越高。霍尔电势也就越高。霍尔电势EH可用下式表示：可用下式表示：EH=KH IB2022/10/203本讲稿第三页，共十五页霍尔效应演示霍尔效应演示 当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的当磁场垂直于薄片时，电子受到洛仑兹力的作用，作用，向内侧偏移，在半导体薄片向内侧偏移，在半导体薄片c、d方向的端方向的端面之间建立起霍尔电势。面之间建立起霍尔电势。c cd da ab b2022/10/204本讲稿第四页，共十五页磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势磁场不垂直于霍尔元件时的霍尔电动势 若若磁磁感感应应强强度度B B不不垂垂直
3、直于于霍霍尔尔元元件件，而而是是与与其其法法线线成成某某一一角角度度 时时，实实际际上上作作用用于于霍霍尔尔元元件件上上的的有有效效磁磁感感应应强强度度是是其其法法线线方方向向（与与薄薄片片垂垂直直的的方方向向）的的分分量量，即即B Bcoscos，这时的霍尔电势为，这时的霍尔电势为 E EH H=K KH HIBIBcoscos 结论：霍尔电势与输入电流结论：霍尔电势与输入电流I、磁感应强度、磁感应强度B成正比，成正比，且当且当B的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果的方向改变时，霍尔电势的方向也随之改变。如果所施加的磁场为交变磁场，则霍尔电势为同频率的交变电所施加的磁场为交变磁场，则
4、霍尔电势为同频率的交变电势。势。2022/10/205本讲稿第五页，共十五页霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数 最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯？斯至正的多少高斯？线性区线性区2022/10/206本讲稿第六页，共十五页霍尔元件的主要外特性参数（续）霍尔元件的主要外特性参数（续）最大最大激励电流激励电流IM:由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在由于霍尔电势随激励电流增大而增大，故在应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流应用中总希望选用较大的激励电流。但激励电流增大，霍尔元件的功耗增
5、大，元件的温度升高，增大，霍尔元件的功耗增大，元件的温度升高，从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的从而引起霍尔电势的温漂增大，因此每种型号的元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从元件均规定了相应的最大激励电流，它的数值从几毫安至十几毫安。几毫安至十几毫安。以下哪一个激励电流的数值较为妥当？以下哪一个激励电流的数值较为妥当？5 5A 0.1mA 2mA 80mAA 0.1mA 2mA 80mA 2022/10/207本讲稿第七页，共十五页第二节第二节 霍尔集成电路霍尔集成电路 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性型集成电路是将霍尔元件和恒
6、流源、线性差动放线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔器件如UGN3501等。等。线性型三端线性型三端 霍霍尔集成电路尔集成电路2022/10/208本讲稿第八页，共十五页线性型霍尔特性线性型霍尔特性 右图示出了具有双右图示出了具有双端差动输出特性的线性端差动输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲霍尔器件的输出特性曲线。当磁场为零时，它线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁感受
7、的磁场为正向（磁钢的钢的S S极对准霍尔器件极对准霍尔器件的正面）时，的正面）时，输出为输出为正；磁场反向时，输出正；磁场反向时，输出为负。为负。请画出线性范围请画出线性范围2022/10/209本讲稿第九页，共十五页开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路 开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当极开路输出门）等电路做在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当
8、外加阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如输出高电平。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020等。等。2022/10/2010本讲稿第十页，共十五页开关型霍尔集成电路的开关型霍尔集成电路的外形及内部电路外形及内部电路OCOC门门 施密特施密特 触发电路触发电路 双端输入、双端输入、单端输出运放单端输出运放霍尔霍尔 元件元件.VccVcc2022/10/2011本讲稿第十一页，共十五页开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路（OC门输出）的接线门输出）的接线 请按以下电路，将下一页
9、中的有关元件连接起来请按以下电路，将下一页中的有关元件连接起来.2022/10/2012本讲稿第十二页，共十五页开关型霍尔集成电路开关型霍尔集成电路与继电器的接线与继电器的接线?本讲稿第十三页，共十五页开关型霍尔集成电路的史密特输出特性开关型霍尔集成电路的史密特输出特性 回差越回差越大，抗振动大，抗振动干扰能力就干扰能力就越强。越强。当磁铁从远到近地接近霍尔当磁铁从远到近地接近霍尔IC，到多少特斯拉时输，到多少特斯拉时输出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔出翻转？当磁铁从近到远地远离霍尔IC，到多少特斯拉，到多少特斯拉时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？时输出再次翻转？回差为多少特斯拉？2022/10/2014本讲稿第十四页，共十五页出去活动一下出去活动一下2022/10/2015本讲稿第十五页，共十五页