霍爾電流傳感器的讀出電路設(shè)計(jì)研究

馬志愿

摘要：霍爾電流傳感器有著小尺寸、低成本和低功耗的特征，同時(shí)也有著高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車電子等多個(gè)領(lǐng)域。低噪聲霍爾電流傳感器讀出電路有著重要作用。它能夠把磁信號換成電信號，但產(chǎn)生信號弱，要合理應(yīng)用高精度儀表處理該信號。本文主要闡述霍爾電流傳感器的讀出電路設(shè)計(jì)內(nèi)容，僅供參考。

關(guān)鍵詞：霍爾電流傳感器;讀出電路;設(shè)計(jì)研究

霍爾電流傳感器電路的核心技術(shù)為旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)和斬波技術(shù)，兩項(xiàng)技術(shù)的主要特征是噪聲少、精準(zhǔn)度高。在傳統(tǒng)的單通道斬波儀表中，放大器經(jīng)常出現(xiàn)高頻通路，并且要將傳統(tǒng)的低通濾波結(jié)構(gòu)改進(jìn)，應(yīng)用紋波消除環(huán)路，解決失調(diào)電壓噪聲的問題。合理使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)來進(jìn)行仿真電路設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，確保仿真噪聲功率密度符合高精度霍爾電流傳感器電路讀出標(biāo)準(zhǔn)。

一、闡述霍爾電流傳感器裝置相關(guān)內(nèi)容

霍爾電流傳感器有著小尺寸、低成本和低功耗的特征，其準(zhǔn)確優(yōu)化的優(yōu)勢被廣泛的使用在工業(yè)汽車、電子、航天控制等各領(lǐng)域?；魻栯娏鱾鞲衅髂軌驒z測到高頻率信號，目前分析霍爾電流傳感器工作的帶寬方式，屬于近些年來的研究熱點(diǎn)?；魻栯娏鱾鞲衅鞑粌H輸送的信號弱，同時(shí)也會摻雜其他的干擾信號，因此需要在微弱信號上方疊加共模電壓，以便于能夠更快的讀出數(shù)據(jù)。選擇高精度儀表放大器，才能夠更快處理微弱信號。高精度儀表放大器和傳統(tǒng)放大器相比，有著精準(zhǔn)度高、噪聲低、多模抑制等優(yōu)勢，它能夠增加高頻通道形成雙通道架構(gòu)，使整體系統(tǒng)不斷擴(kuò)大。運(yùn)用斬波技術(shù)與旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)，從而讓霍爾盤運(yùn)效正常工作，電壓噪聲失去調(diào)整。為防止將紋波幅度輸出，要引入紋波消除環(huán)路，減小紋波。霍爾電流傳感器讀出電能并消除電路失調(diào)電壓，從而獲取更多系統(tǒng)寬帶。

二、霍爾電流傳感器的使用情況

霍爾電流傳感器的需求在近些年來不斷上升，它主要應(yīng)用的是數(shù)字技術(shù)，讓霍爾電流傳感器具有磁場探測的效率和性能?；魻栯娏鱾鞲衅髟诟餍袠I(yè)中應(yīng)用主要是在醫(yī)療保健、電子工業(yè)和國土安全中使用，它能夠和計(jì)算機(jī)程序結(jié)合，變成最大的使用市場?；魻栯娏鱾鞲衅髦饕菓?yīng)用在汽車工業(yè)中，占據(jù)總份額的40%，或者電流傳感器在汽車中應(yīng)用、在防爆制動(dòng)系統(tǒng)和引擎控制系統(tǒng)中使用。在運(yùn)動(dòng)探測中合理使用霍爾電流傳感器的電子配件和機(jī)械配件，能夠明確目標(biāo)四周事物情況和位置變化情況。使用關(guān)閉運(yùn)動(dòng)模式和開啟離散模式探測物體速度、幅度等相關(guān)內(nèi)容，在設(shè)備中，霍爾電流傳感器屬于指南針，同時(shí)也有著對應(yīng)的GPS解決方案，加速霍爾電流傳感器的發(fā)展?；魻栯娏鱾鞲衅饔兄鴥?yōu)勢和價(jià)格，在今后會得到更好的發(fā)展?；魻栯娏鱾鞲衅鱥c能夠取替?zhèn)鹘y(tǒng)電機(jī)電刷，此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在電機(jī)中比較快?；魻栯娏鱾鞲衅髂軌驖M足性能指標(biāo)，比如分辨率、靈敏度等。在開關(guān)和距離探測使用中能夠探測到磁場強(qiáng)度，同時(shí)在儲存應(yīng)用中的磁場強(qiáng)度適當(dāng)，要根據(jù)應(yīng)用的不同，來明確電流傳感器的性能參數(shù)，選擇對應(yīng)的霍爾電流傳感技術(shù)，在設(shè)計(jì)霍爾電流傳感器中信號處理電路包含了多種性能指標(biāo)，制造和設(shè)計(jì)指定的傳感器反應(yīng)，其性能規(guī)格要通過合適的測試方法進(jìn)行驗(yàn)證，比如在設(shè)計(jì)霍爾電流傳感器工作的溫度適當(dāng)，為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)需要重視低溫度系數(shù)、尺寸等內(nèi)容，通過磁場來驗(yàn)證相關(guān)內(nèi)容。

霍爾電流傳感器作為基礎(chǔ)的傳感器，它最早是在金屬材料中發(fā)現(xiàn)，但卻并未得到發(fā)展。半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展快，同時(shí)有著顯著的霍爾效應(yīng)，能夠讓霍爾傳感器得到快速發(fā)展?；魻栯娏鱾鞲衅鞅粦?yīng)用在壓力、加速度和電磁等技術(shù)的測量中?；魻栯娏鱾鞲衅鞯闹饕ぷ鞣较蚴窍到y(tǒng)化、集成化和微型化，同時(shí)也朝著可靠性新型材料的方向應(yīng)用，有著成熟的市場，已經(jīng)在醫(yī)療衛(wèi)生，農(nóng)業(yè)，環(huán)保等領(lǐng)域應(yīng)用。我國霍爾電流傳感器目前有著較強(qiáng)的工作勢頭，在設(shè)計(jì)和制造研究過程中具有設(shè)計(jì)能力和研究能力?；魻栃酒谱鞣秶鷥?nèi)，我國企業(yè)只能提供制造和解決的方案，但設(shè)計(jì)工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后西方發(fā)達(dá)國家。我國市場發(fā)展快，同時(shí)對霍爾傳感器的需求在不斷上升?；魻栯娏鱾鞲衅饕鶕?jù)應(yīng)用不同，來選擇對應(yīng)的霍爾傳感器參數(shù)，同時(shí)也要選擇適當(dāng)?shù)幕魻杺鞲衅骷夹g(shù)?；魻栯娏鱾鞲衅髦笜?biāo)包含著技術(shù)可能性指標(biāo)、制造成本、溫度、濕度、霍爾傳感器幾何形狀、磁感應(yīng)靈敏度特性等內(nèi)容。在設(shè)計(jì)霍爾電流傳感器時(shí)，需要重點(diǎn)處理此些信號，明確性能指標(biāo)，從而開展制定傳感器性能工作，通過反應(yīng)性能規(guī)格進(jìn)行驗(yàn)證。比如使用硅集成技術(shù)和溫度補(bǔ)償技術(shù)調(diào)節(jié)集成電路的線性內(nèi)容。

三、分析和設(shè)計(jì)電路

（一）單通道帶斬波儀表放大器

傳統(tǒng)單通道帶轉(zhuǎn)播儀表放大器結(jié)構(gòu)中，霍爾盤輸出信號在通過首個(gè)轉(zhuǎn)播器調(diào)制后能夠成為另一頻率信號，此調(diào)制信號能夠能夠轉(zhuǎn)換為首個(gè)失調(diào)電壓，從而放大數(shù)倍。第二個(gè)斬波器調(diào)解至原頻率處，運(yùn)放失調(diào)電壓會讓首個(gè)斬波器調(diào)制。最后的低通濾波器轉(zhuǎn)播技術(shù)能夠消除低頻的噪聲，但要保證斬波頻率高于首個(gè)噪聲轉(zhuǎn)角頻率。為確保會信號不被低通濾波器所影響，出路的信號頻率要比低通濾波器的寬帶小，為了能夠?qū)V波電路失調(diào)，電壓噪聲消除，斬波頻率需要比低通濾波器的寬帶大。傳統(tǒng)單通道斬波儀表的放大器結(jié)構(gòu)信號寬度是由低通濾波器帶寬所影響[1]。

（二）設(shè)計(jì)系統(tǒng)級結(jié)構(gòu)電路

本文提出的霍爾電流傳感器讀出電路結(jié)構(gòu)由兩個(gè)信號通道構(gòu)成，一個(gè)是旋轉(zhuǎn)霍爾傳感器的低頻通道，另一個(gè)是非旋轉(zhuǎn)霍爾傳感器的高頻通道。為使兩個(gè)通道增益有著匹配性，要合理應(yīng)用運(yùn)算霍爾盤和放大器結(jié)構(gòu)。初級運(yùn)算放大器需要使用數(shù)百倍閉環(huán)增益電容耦合儀表，二級運(yùn)算放大器需要應(yīng)用1/5閉環(huán)增益的反向放大器。一般情況，低頻通道只能應(yīng)用斬波技術(shù)和旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)，若是通道帶寬一致，則兩倍閉環(huán)增益輸出級能夠自由的將低頻和高頻路徑組合在一起。低頻路徑若是有波紋產(chǎn)生，則紋波消除回路感應(yīng)，同時(shí)使用虛擬段接地段補(bǔ)償電流，同時(shí)更好的抑制。在輸出的一層低通濾波器會將殘余的紋波消除。在低頻路徑中，要使用高頻路徑填充低頻路徑紋波消除回路。并且也要綜合芯片因素，高頻路徑和低頻路徑交叉頻率設(shè)置2000Hz，此輸出時(shí)間一般是由常數(shù)所決定，甚至頻率會小于旋轉(zhuǎn)頻率。為使兩項(xiàng)通路有著平滑頻率曲線，要保證相關(guān)波特曲線有著匹配性[2]。

（三）旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)

霍爾盤應(yīng)用N型工藝制作而成，所含有的四個(gè)端口能夠制作惠斯通電橋?；魻柋P的摻雜濃度不均勻，并且設(shè)置深度也有所不同，使霍爾傳感器產(chǎn)生失調(diào)電壓的問題?；魻杺鞲衅髦挟a(chǎn)生的霍爾信號要應(yīng)用放大器放大儀表，但也會出現(xiàn)噪聲。旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)要應(yīng)用霍爾元件控制輸出端的位置，并且也要將電壓性能改變。應(yīng)用周期性特征開展循環(huán)性工作，調(diào)節(jié)霍爾電壓到頻率處，并且失調(diào)電壓應(yīng)在原頻率上保持，確?；魻栐敵鲭妷汉椭绷魇д{(diào)電壓、交流霍爾電壓相同。斬波器濾器可以計(jì)量霍爾電壓，進(jìn)而計(jì)量出直流信號。并且要計(jì)量失調(diào)電壓，進(jìn)而計(jì)量交流信號。使用低通濾波器將交流失調(diào)電壓消除。在處理旋轉(zhuǎn)電路的電流后，霍爾電壓也要用作AC信號，維持失調(diào)電壓處在DC狀態(tài)，因此失調(diào)電壓一般情況會被輸入電容遏制[3]?；魻柋PN阱有著不匹配性，會讓霍爾傳感器的失調(diào)信號失去作用，同時(shí)各相位數(shù)值存在差異。通過旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)，會把失調(diào)信號變?yōu)锳C變量，使用電容而被放大。在調(diào)節(jié)后，失調(diào)信號和運(yùn)放失調(diào)電壓會以方波模式在第二級輸出端存在。應(yīng)用感應(yīng)電阻器，第二級輸出端電壓紋波變成電流紋波[4]。

結(jié)束語：

綜上所述，霍爾電流傳感器讀出電路的特征主要是低噪聲和高精度，確保設(shè)計(jì)仿真結(jié)果符合要求，同時(shí)將開關(guān)電容陷波濾波器應(yīng)用其中，解決消除電壓噪聲的目地。

參考文獻(xiàn)：

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