霍爾效應(yīng)及其非線性修正(圖)

霍爾效應(yīng)

當(dāng)一塊通有電流的金屬或半導(dǎo)體薄片垂直地放在磁場(chǎng)中時(shí)，薄片的兩端就會(huì)產(chǎn)生電位差，這種現(xiàn)象就稱(chēng)為霍爾效應(yīng)。兩端具有的電位差值稱(chēng)為霍爾電勢(shì)UH，其表達(dá)式為
UH=K·Ia·B/d

其中K為霍爾系數(shù)，Ia為薄片中通過(guò)的電流，B為外加磁場(chǎng)(洛倫茲力Lorrentz)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，d是薄片的厚度。由此可見(jiàn)，霍爾效應(yīng)的靈敏度高低與外加磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度成正比的關(guān)系。其中，磁場(chǎng)中金屬板的霍爾效應(yīng)，純金屬的霍爾系數(shù)比較小，而半導(dǎo)體材料的霍爾系數(shù)要大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此一般使用硅、鍺、砷化銦、銻化銦等半導(dǎo)體材料作為霍爾元件。

圖1 S-5711ANDL-I4T1G引腳排列圖

其中，無(wú)接觸傳感將是大勢(shì)所趨，在無(wú)接觸型傳感器中，憑借著高可靠性等優(yōu)勢(shì)，霍爾效應(yīng)傳感器(Hall Effect Sensor)在汽車(chē)領(lǐng)域也贏得廣泛的應(yīng)用空間。霍爾電流傳感器的優(yōu)點(diǎn)是電路形式簡(jiǎn)單，成本相對(duì)較低。缺點(diǎn)是精度，線性度較差，響應(yīng)時(shí)間較慢，溫度漂移較大。本文主要針對(duì)霍爾電流傳感器的非線性問(wèn)題討論了減小非線性度的修正方法。

修正方法分析

現(xiàn)以集成S-5711ANDL-I4T1G霍爾傳感器為例說(shuō)明修正方法。

1 S-5711A簡(jiǎn)介

S-5711A系列是采用CMOS技術(shù)開(kāi)發(fā)的高靈敏度、低消耗電流的霍爾IC(磁性開(kāi)關(guān)IC)?？蓹z測(cè)出磁束密度的強(qiáng)度，使輸出電壓發(fā)生變化。通過(guò)與磁石的組合，可進(jìn)行各種設(shè)備的開(kāi)/關(guān)檢測(cè)。

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(duì)此IC的標(biāo)記面，當(dāng)垂直方向的磁束密度超過(guò)BOPN或BOPS時(shí)，VOUT從“H”轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>“L”；若將磁石遠(yuǎn)離此IC，當(dāng)磁束密度低于BRPN或BRPS時(shí)，VOUT從“L”轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>“H”。

由霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的一般工作特性可知，磁滯BH對(duì)開(kāi)關(guān)動(dòng)作的可靠性非常有利。霍爾開(kāi)關(guān)集成傳感器的工作特性曲線反映了外加磁場(chǎng)與傳感器輸出電平的關(guān)系。當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度大于“開(kāi)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，輸出電平由高變低，傳感器處于開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)外加磁感應(yīng)強(qiáng)度小于釋放點(diǎn)“關(guān)”的磁感應(yīng)強(qiáng)度時(shí)，輸出電平由低變高，傳感器處于關(guān)狀態(tài)。

此類(lèi)傳感器的優(yōu)點(diǎn)是：不受磁石極性影響，可減少在生產(chǎn)組裝時(shí)的人為出錯(cuò)；從機(jī)械式轉(zhuǎn)到IC開(kāi)關(guān)，其消耗電流低也是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。而其應(yīng)用環(huán)境也很廣泛，主要包括手機(jī)（滑蓋/開(kāi)合蓋/翻蓋）等須以感應(yīng)開(kāi)合蓋或開(kāi)合組件實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)或模塊開(kāi)關(guān)功能的各種場(chǎng)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，工作溫度范圍寬(-40～+85℃)等特點(diǎn)。通常，霍爾電壓VOUT與磁感應(yīng)強(qiáng)度B為非線性關(guān)系，其絕對(duì)線性度為29%。且存在不平衡電壓UHe，如果使用不當(dāng)，必定會(huì)影響檢測(cè)系統(tǒng)的精度。S-5711ANDL-I4T1G芯片內(nèi)部電路原理如圖3所示。

圖3 S-5711ANDL-I4T1G芯片內(nèi)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(qū)動(dòng)電流；

B——磁感應(yīng)強(qiáng)度；

Cosθ——元件平面法線與B的夾角；

Ke———不平衡系數(shù)。

KeIH=UHe稱(chēng)為不平衡電壓，（UHe/UH））×100%稱(chēng)為不平衡率，設(shè)其為Re。一般霍爾元件的Re為±10%左右。KH和由被檢電流產(chǎn)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(dāng)于被檢測(cè)電流，芯片3腳不用。改變電流I就是改變了磁感應(yīng)強(qiáng)度B。測(cè)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(chēng)為理論線性度擬合曲線，是原點(diǎn)（0，0）和限量點(diǎn)Q（3.8，2.4）的連線。曲線1沒(méi)有加校正電位計(jì)RP1，這時(shí)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(duì)線性度進(jìn)行分析如下。

線性度是測(cè)量系統(tǒng)靜態(tài)特性對(duì)選定擬合直線y=b+kx的接近程度。

δL=（|Δm|/Ym）×100%

式中Δm——靜態(tài)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。本文采用絕對(duì)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(duì)于圖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(duì)霍爾傳感器不加校正電路時(shí)，絕對(duì)線性度為29%，比較大。電路經(jīng)過(guò)校正后，最佳工作狀態(tài)為圖5中曲線3，有|Δm3|=0.13V，同理δL3=7.6%，可見(jiàn)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(shí)在同樣磁感應(yīng)強(qiáng)度下即同強(qiáng)度被檢測(cè)電流情況下，輸出電壓下降，即傳感器靈敏度下降，但這個(gè)不足可由后級(jí)放大器來(lái)彌補(bǔ)。

結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)非線性修正，此設(shè)計(jì)的霍爾電流傳感器具備了較高的精度和良好的線性度，實(shí)用性強(qiáng)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論分析，文中設(shè)計(jì)的電路能找出霍爾傳感器的最佳線性工作狀態(tài)，并消除不平衡電壓。