霍爾效應的修正方法分析(圖)

2020-11-21 電子發燒友

霍爾效應

當一塊通有電流的金屬或半導體薄片垂直地放在磁場中時，薄片的兩端就會產生電位差，這種現象就稱為霍爾效應。兩端具有的電位差值稱為霍爾電勢UH，其表達式為

UH=K·Ia·B/d

其中K為霍爾係數，Ia為薄片中通過的電流，B為外加磁場（洛倫茲力Lorrentz）的磁感應強度，d是薄片的厚度。由此可見，霍爾效應的靈敏度高低與外加磁場的磁感應強度成正比的關係。其中，磁場中金屬板的霍爾效應，純金屬的霍爾係數比較小，而半導體材料的霍爾係數要大幾個數量級，因此一般使用矽、鍺、砷化銦、銻化銦等半導體材料作為霍爾元件。

圖1 S-5711ANDL-I4T1G引腳排列圖

其中，無接觸傳感將是大勢所趨，在無接觸型傳感器中，憑藉著高可靠性等優勢，霍爾效應傳感器（Hall Effect Sensor）在汽車領域也贏得廣泛的應用空間。霍爾電流傳感器的優點是電路形式簡單，成本相對較低。缺點是精度，線性度較差，響應時間較慢，溫度漂移較大。本文主要針對霍爾電流傳感器的非線性問題討論了減小非線性度的修正方法。

修正方法分析

現以集成S-5711ANDL-I4T1G霍爾傳感器為例說明修正方法。

1 S-5711A簡介

S-5711A系列是採用CMOS技術開發的高靈敏度、低消耗電流的霍爾IC（磁性開關IC）。可檢測出磁束密度的強度，使輸出電壓發生變化。通過與磁石的組合，可進行各種設備的開/關檢測。

①S-5711ANDL-I4T1G引腳排列圖如圖1所示。

②S-5711A工作特性

S-5711A系列霍爾集成傳感器的工作特性曲線如圖2所示。若將磁石靠近傳感器IC，針對此IC的標記面，當垂直方向的磁束密度超過BOPN或BOPS時，VOUT從「H」轉變為「L」；若將磁石遠離此IC，當磁束密度低於BRPN或BRPS時，VOUT從「L」轉變為「H」。

由霍爾開關集成傳感器的一般工作特性可知，磁滯BH對開關動作的可靠性非常有利。霍爾開關集成傳感器的工作特性曲線反映了外加磁場與傳感器輸出電平的關係。當外加磁感應強度大於「開」的磁感應強度時，輸出電平由高變低，傳感器處於開狀態。當外加磁感應強度小於釋放點「關」的磁感應強度時，輸出電平由低變高，傳感器處於關狀態。

此類傳感器的優點是：不受磁石極性影響，可減少在生產組裝時的人為出錯；從機械式轉到IC開關，其消耗電流低也是一個優點。而其應用環境也很廣泛，主要包括手機（滑蓋/開合蓋/翻蓋）等須以感應開合蓋或開合組件實現整機系統或模塊開關功能的各種場合。

2 修正方法

圖2 S-5711A工作特性

S-5711ANDL-I4T1G集成傳感器具有高靈敏度，工作溫度範圍寬（-40～+85℃）等特點。通常，霍爾電壓VOUT與磁感應強度B為非線性關係，其絕對線性度為29%。且存在不平衡電壓UHe，如果使用不當，必定會影響檢測系統的精度。S-5711ANDL-I4T1G晶片內部電路原理如圖3所示。

圖3 S-5711ANDL-I4T1G晶片內部電路原理

其輸出電壓由下式所確定：

UH=KHIHBcosθ+KeIH

式中KH——霍爾靈敏度

IH——霍爾傳感器驅動電流；

B——磁感應強度；

Cosθ——元件平面法線與B的夾角；

Ke———不平衡係數。

KeIH=UHe稱為不平衡電壓，（UHe/UH））×100%稱為不平衡率，設其為Re。一般霍爾元件的Re為±10%左右。KH和由被檢電流產生的B均為非線性因素。消除不平衡電壓和改善的非線性度的電路如圖4所示。

圖4 消除不平衡電壓和改善的非線性度的電路

圖4中的電流I相當於被檢測電流，晶片3腳不用。改變電流I就是改變了磁感應強度B。測試曲線如圖5所示。

圖5中：曲線1：R14=0；曲線2：R14→∞；曲線3：R14=100Ω。直線4稱為理論線性度擬合曲線，是原點（0，0）和限量點Q（3.8，2.4）的連線。曲線1沒有加校正電位計RP1，這時不平衡電壓UHe=0.3V，不平衡率為Re=（UHe/UH）×100%=（0.3/2.4）×100%=12.5%。

對線性度進行分析如下。

線性度是測量系統靜態特性對選定擬合直線y=b+kx的接近程度。

δL=（|Δm|/Ym）×100%

式中Δm——靜態特性與選定擬合直線的最大擬合偏差；

Ym——y的限量值。

確定擬合直線的方法不同，δL也不同。本文採用絕對線性度方法，這種方法得到的值一般比最小二乘法線性度的要大。

對於圖5中曲線1：|Δm1|=0.7V，限量值Ym=UHm=2.4V，由式δL=（|Δm|/Ym）×100%可知線性度δL1=29%，即對霍爾傳感器不加校正電路時，絕對線性度為29%，比較大。電路經過校正後，最佳工作狀態為圖5中曲線3，有|Δm3|=0.13V，同理δL3=7.6%，可見線性度得到很大的改善。圖5中曲線2（R14→∞）：消除了不平衡電壓，又獲得了良好的線性度。但同時在同樣磁感應強度下即同強度被檢測電流情況下，輸出電壓下降，即傳感器靈敏度下降，但這個不足可由後級放大器來彌補。

結束語

通過非線性修正，此設計的霍爾電流傳感器具備了較高的精度和良好的線性度，實用性強。通過實驗和理論分析，文中設計的電路能找出霍爾傳感器的最佳線性工作狀態，並消除不平衡電壓。

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