(整理)霍爾集成電路的原理與應(yīng)用.

1、精品文檔霍爾集成電路的原理與應(yīng)用霍爾集成電路是霍爾元件與電子線路一體化的產(chǎn)品，它是由霍爾元件、 放大器、 溫度補償電路和穩(wěn)壓電路利用集成電路工藝技術(shù)制成的。它能感知一切與磁有關(guān)的物理量，又能輸出相關(guān)的電控信息，所以霍爾集成電路既是一種集成電路，又是一種磁敏傳感器，它一般采用 DIP 或扁平封裝。一、霍爾集成電路的原理當(dāng)將一塊通電的半導(dǎo)體薄片垂直置于磁場中時，薄片兩側(cè)由此會產(chǎn)生電位差，此現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。此電位差稱為霍爾電勢，電勢的大小 E=KIB/d ，式中 K是霍爾系數(shù)，d 為薄片的厚度，I 為電流， B 為磁感應(yīng)強度。圖 1 示出霍爾效應(yīng)的原理：在三維空間內(nèi)，霍爾半導(dǎo)體平板在 XOY 平面

2、內(nèi)，它與磁場方向垂直，磁場指向Y 軸的方向，沿X 軸方向通以電流I，由于運動的電荷與磁場的相互作用，結(jié)果在Z軸方向上產(chǎn)生了霍爾電勢E，一般其值可達幾十毫伏。為此，將霍爾元件與電子線路集成在一塊約2mm*2mm 的硅基片上，就做成了溫度穩(wěn)定性好、可靠性高的霍爾集成電路。二、典型霍爾集成電路結(jié)構(gòu)分析霍爾集成電路按輸出方式可分為線性型和開關(guān)型，若按集成電路內(nèi)部的有源器件可分為雙極型和MOS 型。圖2、圖3 分別示出了一種雙極型霍爾集成電路內(nèi)部的原理結(jié)構(gòu)和邏輯結(jié)構(gòu)，圖2 為開關(guān)型的，圖 3 為線性型的。在圖 2 中 IC 內(nèi)通過霍爾元件H 的磁性檢測反映為高低電平的輸出。 V1 、 V2 組成差分放大

3、器，它將霍爾電勢放大，其放大倍數(shù)約幾十倍；V3、 V4 組成施密特觸發(fā)器，它將放大的霍爾電勢整形為矩形脈沖；V5、 V6 進一步對矩形脈沖緩沖放大；V7、 V8 為開路集電極輸出管。圖2a 中有兩個輸出端，這里之所以采用集電極開路輸出結(jié)構(gòu)， 是因為它可以有較大的負(fù)載能力，且易于與不同類型的電路接口，但亦有部分霍爾集成電路采用發(fā)射極開路輸出形式，如圖2b、 2c 所示。圖 3 所示是線性霍爾集成電路的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其輸出電壓能隨外加磁場強度的變化而連續(xù)變化，其輸出變化曲線一般如圖4 所示。 它的特點是靈敏度高，輸出動態(tài)范圍寬、線性度好。圖3a 中 V1 、 V2 為差分放大器，R1 、 R2 射極電

4、阻的負(fù)反饋展寬了電路的線性范圍，V5、 V6 第二級差分放大使放大倍數(shù)很高。有的線性霍爾集成電路還設(shè)置了引出端外接電位器進行補償、調(diào)零或改變電路的靈敏度。三、霍爾集成電路的應(yīng)用霍爾集成電路具有無觸點、無磨損、無火花、低功耗、壽命長、靈敏度高、工作頻率高的特點，它能在各種惡劣環(huán)境下可靠穩(wěn)定地工作。對于開關(guān)型霍爾IC，其最基本的應(yīng)用是作為一種接近開關(guān)，如可用作霍爾無觸點開關(guān)、限位開關(guān)、方向開關(guān)、壓力開關(guān)、轉(zhuǎn)速表等；線性型霍爾IC 可用于非接觸測距、無觸點電位器、無刷馬達、磁場測量的高斯計、磁力探傷等。對于開關(guān)型霍爾IC，其輸出端內(nèi)部一般為開路集電極晶體管或開路發(fā)射極輸出器形式，因此它能方便地與各種

5、負(fù)載配接，如可直接驅(qū)動晶體管、LED、光電耦合器、單雙向晶閘管和小電流繼電器等，并能和 TTL 及 CMOS 數(shù)字電路、PLC 輸入口、固態(tài)繼電器、各種交直流電子開關(guān)接口。圖5圖 6 示出各種驅(qū)動接口方式，其中圖5 中的霍爾 IC為開路集電極輸出，圖 6中的霍爾IC 為開路發(fā)射極輸出形式。四 、 應(yīng)用實例及電路（ 1）霍爾電勢E=KIB/d，在實用中k I d 值都是固定的，E 是 B的線性函數(shù)，即把磁通量，由于線性霍爾集成電路的輸出電量隨其檢測的磁感應(yīng)強度而線性變化，所以用微安計即可測得磁場的高斯量。（ 2） 由于電場的存在必然產(chǎn)生磁場，同樣地可以用線性霍爾IC 來對交直流電流的變化進行檢測

6、。如圖 8 標(biāo)準(zhǔn)磁鐵芯有一缺口，其上有線圈并通有檢測電流，這時線圈產(chǎn)生的磁場即可被芯隙處的線性霍爾IC 感測同時輸出指示。利用這種方法還可進行過流，過壓及欠壓保護，其中霍爾IC 亦可使用開關(guān)型的。（ 3）在兩塊不同的極性的磁鐵中心的磁感應(yīng)強度為零，放置其中的線性霍爾IC 產(chǎn)生偏離某一側(cè)的位移時，霍爾 IC 的輸出電壓將與其位移量成正比，所以通過這種方法可測量使桿梁位移的力的大小。 4） 4） 霍爾 IC 在無刷直流電機中代替電刷起電流換向作用，它克服了使用電刷所引起的噪聲大，易磨壞，壽命短等缺陷，其中R 是無刷電機的永久磁鐵轉(zhuǎn)子。互相垂直的直徑方向上的H1 ， H2 是兩塊霍爾線性 IC，它們

7、分別控制四個能依次給定子線圈L1-L4 提供電流的晶體管。 5） 測量轉(zhuǎn)數(shù)的方法如圖11 所示。 把小磁鐵固定在旋轉(zhuǎn)體上，每轉(zhuǎn)一周霍爾IC 便輸出一個脈沖，用計數(shù)器測量脈沖數(shù)便可得轉(zhuǎn)數(shù)，單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)即轉(zhuǎn)速。（ 6）圖12 為霍爾液位控制方法。在浮子上固定一磁鐵，當(dāng)液位上升， 磁鐵靠近霍爾開關(guān)集成電路A 時， A 的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，控制電路使水泵停止工作，當(dāng)池中液位下降使浮子上磁鐵作用于霍爾開關(guān)B 時，控制電路使水泵工作。（ 7）無觸點電位器的應(yīng)用電路如圖13 所示?；魻柧€性IC 與雙基極二極管組成一張弛震蕩器，該震蕩器輸出脈沖的形成及兩個脈沖的間隔取決于霍爾IC 的輸出電壓，用霍爾 IC 來控制

8、雙向可控硅的導(dǎo)通角，可以起到調(diào)功的作用。（ 8）汽車電子點火器電路如圖14 所示。當(dāng)汽車的起動磁鋼作用于霍爾IC 時，開關(guān)型IC 即輸出低電平，V1， V2 突然截止，儲存于L中的磁能在L， C2 槽路產(chǎn)生震蕩，形成約200V 的交變電壓，又經(jīng)整個L 升壓產(chǎn)生15kV 以上的高壓，生成電火花，點燃汽車汽缸中的燃油。（ 9）無觸點交流開關(guān)如圖15 所示。當(dāng)磁鐵靠近霍爾開關(guān)IC 時， SCR 截止；磁鐵離開后，單向可控硅導(dǎo)通，負(fù)載繼續(xù)工作。（ 10 ）無線防盜報警器如圖16 所示。門窗上的小磁鐵靠近霍爾開關(guān) IC 時， IC 輸出低電平，V因無扁置而截止；但當(dāng)門窗發(fā)生位移時，小磁鐵與IC 分離，

9、V通過 R2 獲得偏置，電路起振，向外發(fā)出無線電報警信號。五、霍爾IC 的使用注意事項1 、霍爾集成電路的使用電壓范圍較寬，但實用時電壓宜低不宜高，一般在4.5-6V 為宜，過高的電源電壓會引起電路的溫升而使電路工作不穩(wěn)定。2、開關(guān)型霍爾IC 驅(qū)動負(fù)載時，其負(fù)載電流應(yīng)小于霍爾IC 的負(fù)載能力。 為了使霍爾的輸出電壓幅度大，一般其輸出端加接較大阻值的負(fù)載電阻。3、 霍爾 IC 驅(qū)動的負(fù)載能力為感性時，應(yīng)在輸出端加接續(xù)流二極管。4、驅(qū)動與霍爾IC 不同的電平的負(fù)載時最好加接隔離與緩沖級，可利用光電耦合器或加三極管驅(qū)動級。5 長距離傳輸霍爾IC 信號時，可在開關(guān)輸出與地之間加接一只退耦電容器，消除干擾脈沖；傳送線性霍爾IC 的輸出信號應(yīng)使用同軸電