移動通信課題PPT課件VIP

1、2021-11-414.2 4.2 磁電效應(yīng)磁電效應(yīng) （一）霍耳效應(yīng)（一）霍耳效應(yīng) 半導(dǎo)體薄片置于磁感應(yīng)強度為B 的磁場中，磁場方向垂直于薄片，當有電流I 流過薄片時，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動勢EH，這種現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)， EH稱為霍耳電勢。 磁感應(yīng)強度B B為零時的情況c cd da ab b第1頁/共34頁2021-11-42 作用在半導(dǎo)體薄片上的磁場強度B越強，霍耳電勢也就越高。霍耳電勢EH可用下式表示： EH=RH JB磁感應(yīng)強度B B較大時的情況第2頁/共34頁2021-11-43霍耳效應(yīng)演示霍耳效應(yīng)演示 當磁場垂直于薄片時，電子受到洛侖茲力的作用，向內(nèi)側(cè)偏移，在半導(dǎo)體薄

2、片c、d方向的端面之間建立起霍耳電勢。c cd da ab b第3頁/共34頁2021-11-44* *磁場不垂直于半導(dǎo)體薄片時磁場不垂直于半導(dǎo)體薄片時 若磁感應(yīng)強度B B不垂直于半導(dǎo)體薄片，而是與其法線成某一角度 時，實際上作用于半導(dǎo)體薄片上的有效磁感應(yīng)強度是其法線方向的分量，即B Bcoscos ，這時的霍耳電勢為： E EH H= =R RH HJBJBcoscos U UH H= =KIKIH HB Bcoscos 結(jié)論：霍耳電勢與輸入電流密度J J、磁感應(yīng)強度B成正比，且當B的方向改變時，霍耳電勢的方向也隨之改變。如果所施加的磁場為交變磁場，則霍耳電勢為同頻率的交變電勢。 第4頁/共

3、34頁2021-11-45 （二）磁阻效應(yīng)和形狀效應(yīng)（二）磁阻效應(yīng)和形狀效應(yīng) 半導(dǎo)體外加磁場時，電阻值增加的物理現(xiàn)半導(dǎo)體外加磁場時，電阻值增加的物理現(xiàn)象可分為兩種情況：象可分為兩種情況： 1. 磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng) 半導(dǎo)體外加磁場時，自身電阻率增加的現(xiàn)半導(dǎo)體外加磁場時，自身電阻率增加的現(xiàn)象，磁阻效應(yīng)直接反映固體的物性。象，磁阻效應(yīng)直接反映固體的物性。 2. 形狀效應(yīng)形狀效應(yīng) 半導(dǎo)體外加磁場時，在金屬電極附近電流半導(dǎo)體外加磁場時，在金屬電極附近電流路徑增長而使電阻值增加的現(xiàn)象，形狀效應(yīng)與電路徑增長而使電阻值增加的現(xiàn)象，形狀效應(yīng)與電極和元件的形狀有關(guān)。極和元件的形狀有關(guān)。第5頁/共34頁2021-11

4、-46ABCDR1R2R3R4(d)等效電路霍耳元件基本結(jié)構(gòu)：4.3 4.3 霍耳元件霍耳元件 (a)外形結(jié)構(gòu)示意圖(b)圖形符號單端輸出 雙端輸出(c)電路符號激勵電極1、1被稱為器件電流端子、控制電流端子或輸入電流端子?；舳姌O2、2被稱為霍耳端子或輸出電壓端子。流入到器件內(nèi)的電流，稱為器件電流、控制電流或輸入電流。若霍耳端子間連接負載，成為霍耳負載電阻或霍耳負載。電流電極間的電阻，稱為輸入電阻或者控制內(nèi)阻?；舳俗娱g的電阻，稱為輸出電阻或霍耳側(cè)內(nèi)部電阻。第6頁/共34頁2021-11-47霍耳元件的主要外特性參數(shù)霍耳元件的主要外特性參數(shù) 最大磁感應(yīng)強度BM: : 上圖所示霍耳元件的線性范

5、圍是多少？線性區(qū)第7頁/共34頁2021-11-48霍耳元件的主要外特性參數(shù)霍耳元件的主要外特性參數(shù)最大激勵電流IM : :以霍耳元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵以霍耳元件允許最大溫升為限制所對應(yīng)的激勵電流稱為最大允許激勵電流。電流稱為最大允許激勵電流。 由于霍耳電勢隨激勵電流增大而增大，故在應(yīng)由于霍耳電勢隨激勵電流增大而增大，故在應(yīng)用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流用中總希望選用較大的激勵電流。但激勵電流增大，霍耳元件的功耗增大，元件的溫度升高，增大，霍耳元件的功耗增大，元件的溫度升高，從而引起霍耳電勢的溫漂增大，因此每種型號從而引起霍耳電勢的溫漂增大，因此每種型號的元件均規(guī)定了相應(yīng)

6、的最大激勵電流，它的數(shù)的元件均規(guī)定了相應(yīng)的最大激勵電流，它的數(shù)值從幾毫安至十幾毫安。值從幾毫安至十幾毫安。 第8頁/共34頁2021-11-49圖中控制電流I由電源E供給,R為調(diào)節(jié)電阻,保證器件內(nèi)所需控制電流I。霍耳輸出端接負載R3,R3可是一般電阻或放大器的輸入電阻、或表頭內(nèi)阻等。磁場B垂直通過霍耳器件,在磁場與控制電流作用下，由負載上獲得電壓?？刂齐娏鱅；霍耳電勢VH；控制電壓V；輸出電阻R2；輸入電阻R1；霍耳負載電阻R3；霍耳電流IH。 VHR3VBIEIH霍耳元件基本測量電路R實際使用時,器件輸入信號可以是I或B，或者IB,而輸出可以正比于I或B, 或者正比于其乘積IB。第9頁/共3

7、4頁2021-11-410霍耳元件的溫度補償霍耳元件的溫度補償溫度變化，導(dǎo)致霍爾元件內(nèi)阻、霍爾靈敏度等變化，給測量帶來一定誤差，即溫度誤差。為了減小溫度誤差，需采取溫度補償措施。采用恒流源供電和輸入回路并聯(lián)電阻|選取合適的負載電阻RL 采用恒壓源和輸入回路串聯(lián)電阻|采用溫度補償元件 第10頁/共34頁2021-11-4114.4 4.4 霍耳集成元件霍耳集成元件霍耳集成元件是霍耳元件與運放一體化的結(jié)構(gòu)，可分為線性輸出型和開關(guān)輸出型兩大類。線性型集成電路是將霍線性型集成電路是將霍耳元件和恒流源、線性耳元件和恒流源、線性差動放大器等做在一個差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏芯片上，輸出電壓為

8、伏級，比直接使用霍耳元級，比直接使用霍耳元件方便得多。件方便得多。線性型三端霍耳集成電路第11頁/共34頁2021-11-412線性輸出型霍耳集成元件線性輸出型霍耳集成元件單端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖23輸出+穩(wěn)壓VCC1霍耳元件放大地H穩(wěn)壓H3VCC地4輸出輸出18675 雙端輸出傳感器的電路結(jié)構(gòu)框圖三端器件，輸出電壓對外加磁場的微小變化能做出線性響應(yīng)，典型產(chǎn)品是SL3501T。8腳雙列直插封裝的器件，它可提供差動射極跟隨輸出，還可提供輸出失調(diào)調(diào)零，典型產(chǎn)品是SL3501M。第12頁/共34頁2021-11-413線性輸出型霍耳集成元件特性線性輸出型霍耳集成元件特性右圖示出了具有雙端差動右圖

9、示出了具有雙端差動輸出特性的線性霍耳器件輸出特性的線性霍耳器件的輸出特性曲線。當磁場的輸出特性曲線。當磁場為零時，它的輸出電壓等為零時，它的輸出電壓等于零；當感受的磁場為正于零；當感受的磁場為正向向( (磁鋼的磁鋼的S S極對準霍耳器極對準霍耳器件的正面件的正面) )時，時， 輸出為正；輸出為正；磁場反向時，輸出為負。磁場反向時，輸出為負。線性范圍第13頁/共34頁2021-11-414開關(guān)輸出型霍耳集成元件開關(guān)輸出型霍耳集成元件開關(guān)型霍耳集成電路是將霍耳元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門等電路做在同一個芯片上。當外加磁場強度超過規(guī)定的工作點時，OC門由高阻態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，輸出變?yōu)榈?/p>

10、電平；當外加磁場強度低于釋放點時，OC門重新變?yōu)楦咦钁B(tài)，輸出高電平?；舳_關(guān)集成傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖霍耳元件雙端輸入單端輸出的運放施密特出發(fā)器OC門第14頁/共34頁2021-11-415典型開關(guān)輸出型霍耳集成器件典型開關(guān)輸出型霍耳集成器件UGN3020（b）應(yīng)用電路 （a）外型 霍耳開關(guān)集成傳感器的外型及應(yīng)用電路第15頁/共34頁2021-11-416開關(guān)輸出型霍耳集成元件應(yīng)用實例開關(guān)輸出型霍耳集成元件應(yīng)用實例第16頁/共34頁2021-11-417? ?第17頁/共34頁2021-11-418開關(guān)輸出型霍耳集成傳感器構(gòu)成的接口電路開關(guān)輸出型霍耳集成傳感器構(gòu)成的接口電路 第18頁/共34頁20

11、21-11-419 * *霍耳傳感器的應(yīng)用霍耳傳感器的應(yīng)用 利用霍耳電勢與外加磁通密度成比例利用霍耳電勢與外加磁通密度成比例的特性，可借助于固定元件的控制電流，的特性，可借助于固定元件的控制電流，對磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機對磁量以及其他可轉(zhuǎn)換成磁量的電量、機械量和非電量等進行測量和控制。應(yīng)用這械量和非電量等進行測量和控制。應(yīng)用這類特性制作的器具有磁通計、電流計、磁類特性制作的器具有磁通計、電流計、磁讀頭、位移計、速度計、振動計、羅盤、讀頭、位移計、速度計、振動計、羅盤、轉(zhuǎn)速計、無觸點開關(guān)等。轉(zhuǎn)速計、無觸點開關(guān)等。第19頁/共34頁2021-11-420霍耳特斯拉計霍耳特斯拉計(高斯計

12、高斯計)及其使用及其使用霍耳元件磁鐵第20頁/共34頁2021-11-421霍耳傳感器用于測量磁場強度霍耳傳感器用于測量磁場強度 霍耳元件測量鐵心氣隙的B值第21頁/共34頁2021-11-422霍耳轉(zhuǎn)速表霍耳轉(zhuǎn)速表 當齒對準霍耳元件時，磁力線集中穿過霍耳元件，可產(chǎn)生較大的霍耳電動勢，放大、整形后輸出高電平；反之，當齒輪的空擋對準霍耳元件時，輸出為低電平。（一）工作原理第22頁/共34頁2021-11-423 在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選在被測轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)軸上安裝一個齒盤，也可選取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍耳器件及磁取機械系統(tǒng)中的一個齒輪，將線性型霍耳器件及磁路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的

13、轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙路系統(tǒng)靠近齒盤。齒盤的轉(zhuǎn)動使磁路的磁阻隨氣隙的改變而周期性地變化，霍耳器件輸出的微小脈沖的改變而周期性地變化，霍耳器件輸出的微小脈沖信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。信號經(jīng)隔直、放大、整形后可以確定被測物的轉(zhuǎn)速。S SN N線性霍耳磁鐵（二）實際應(yīng)用第23頁/共34頁2021-11-424霍耳轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置霍耳轉(zhuǎn)速傳感器在汽車防抱死裝置（ABS）中的應(yīng)用）中的應(yīng)用 若汽車在剎車時車輪被抱死，將產(chǎn)生危險。用霍耳轉(zhuǎn)速傳感器來檢測車輪的轉(zhuǎn)動狀態(tài)有助于控制剎車力的大小。帶有微型磁鐵的霍耳傳感器鋼質(zhì)霍耳第24頁/共34頁2021-11-425霍耳式無刷電動機

14、霍耳式無刷電動機 霍耳式無刷電動機取消了換向器和電刷，采用霍耳元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相對位置，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電樞電流的換向，維持電動機的正常運轉(zhuǎn)。由于無刷電動機不產(chǎn)生電火花及電刷磨損等問題，所以它在錄像機、CD唱機、光驅(qū)等家用電器中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 普通直流電動機使用的電刷和換向器霍耳式無刷電動機第25頁/共34頁2021-11-426無刷電動機在電動自行車上的應(yīng)用無刷電動機在電動自行車上的應(yīng)用 電動自行車可充電電池組無刷電動機第26頁/共34頁2021-11-427電動自行車的電動自行車的無刷電動機及控制電路無刷電動機及控制電路去速度控制器 利用PW

15、M調(diào)速第27頁/共34頁2021-11-428霍耳式接近開關(guān)霍耳式接近開關(guān) 當磁鐵的有效磁極接近、并達到動作距離時，霍耳式接近開關(guān)動作。霍耳接近開關(guān)一般還配一塊釹鐵硼磁鐵。第28頁/共34頁2021-11-429霍耳式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示霍耳式接近開關(guān)用于轉(zhuǎn)速測量演示軟鐵分流翼片 開關(guān)型霍耳IC IC 第29頁/共34頁2021-11-430霍耳電流傳感器霍耳電流傳感器 將被測電流的導(dǎo)線穿過霍耳電流傳感器的檢測孔。當有電流通過導(dǎo)線時，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁力線集中在鐵心內(nèi)，并在鐵心的缺口處穿過霍耳元件，從而產(chǎn)生與電流成正比的霍耳電壓。第30頁/共34頁2021-11-431霍耳電流傳感器演示霍耳電流傳感器演示鐵心 線性霍耳IC EH