CN1026440C - 霍尔器件的短路输出方法与可集成的霍尔电路 - Google Patents

Abstract

霍尔器件对磁场响应信号的一种输出方法，其中霍尔器件的两个输出电极处于等电位状态，霍尔器件对磁场的响应以短路霍尔电流的形式从霍尔器件的一个输出电极输出后，经转换电路转换成为输出电压。电路的构成包括一个霍尔器件和一个运算放大器。霍尔器件的两个输出电极与运算放大的同相和反相输入端分别相连接，一个反馈电阻连接在运算放大器的输出端与反相输入端之间。

Description

本发明与霍尔器件原理及线性霍尔电路有关。

霍尔器件与霍尔电路作为磁场测量的一种工具，在电力电子技术与传感器电子学等领域有着广泛的需要。它可用于各种情形的磁场测量，如电机，永磁元件，电流传感器，静位移以及力学量传感器等。

在现有技术中，霍尔器件对磁场的响应大都以差动霍尔电压信号的形式输出，然后再经由与霍尔器件相连接的后级电路放大和变换。例如HONEYWELL公司的专利U.S.Pat.No.4，760，285所采用的技术就属于这种情形。

本发明的目的在于揭示霍尔器件的一种新颖的工作方式，即短路霍尔电流单端输出方式，以及实现和利用这种工作方式的电路原理与设计技术。

图1示出了本发明的基本电路，它包含一个霍尔器件10，一个运算放大器OA和一个电阻Rf。霍尔器件10的两个输出电极12、14与运算放大器OA的反相输入端和同相输入端分别连接。电阻Rf连接在运算放大器OA的输出端15与反相输入端之间。由于电阻Rf提供的负反馈作用，霍尔器件10的两个输出电极12与14在理想情况下将被强迫处于等电位状态，即“短路”状态。因此，当霍尔器件10的两个输入电极11与13 之间有工作偏置电流通过，并且有磁场存在时，霍尔器件10对磁场的响应将以短路霍尔电流的形式输出。在理论上，霍尔器件的短路霍尔电流在差动输出情况下，其对磁场的归一化灵敏度与霍尔器件的开路霍尔电压对磁场的归一化灵敏度是相等的。但是，在图1所示的情形下，由于运算放大器在理想情况下具有趋于无穷大的输入阻抗，其输入端电流为零，因而霍尔器件10对磁场响应所产生的短路霍尔电流不能从它的输出电极14输出，而只能从它的输出电极12输出后流经反馈电阻Rf，并转换为输出电压Vo。这就是所说的霍尔器件的短路霍尔电流单端输出方式。霍尔器件对磁场响应的这种输出方式具有一个重要的优点，它使霍尔器件对磁场的灵敏度提高了一倍。其理论解释如下述。

由于霍尔器件10的输出电极14没有电流输出，在磁场作用下霍尔器件10内部靠近输出电极14的一侧，即左侧将出现霍尔电场。该霍尔电场所产生的漂移电流将正好抵消霍尔器件10内部左侧边界附近的霍尔电流。这与霍尔器件通常的工作情形是相似的。又由于霍尔器件10的输出电极12被强迫与它的另外一个输出电极14处于等电位状态，因此，霍尔器件10内部靠近输出电极12的一侧，即右侧将出现一个与上述左侧的霍尔电场成镜象的电场。此镜象电场在霍尔器件10内部右侧边界附近所产生的漂移电流与该处的霍尔电流大小相等，并且方向相同。从而使霍尔器件10的输出电极12所输出的信号电流增大一倍。

上述的霍尔器件对磁场响应的输出方法还具有另外一个突出的优点，即其后级放大电路十分简单，仅用一个运算放大器和一个电阻。事实上，图1所示的电路就是一个完善的可实施的设计方案。该电路的工作原理如下。在霍尔器件10具有理想对称结构的情况下，当不存在磁场时，霍尔器件10的输出电极14处于正负电源电压V+与V-之间的中点电位。该中点电位作为参考电压加在运算放大器OA的同相输入端上。由于在理想情况下反馈电阻Rf上这时没有电流流过，因此运算放大器OA的输出电压Vo的“零点”就是正负电源电压V+与V-之间的中点电位。当存在磁场时，霍尔器件10从输出电极12输出的信号电流流过反馈电阻Rf，产生相应的输出电压增量。

图2示出了图1的一个变化的方案。它在霍尔器件10的输入电极11、13与正负电源线16、17之间分别串联接入了电阻R1与R2。当霍尔器件10的两个输入电极11与13之间的输入电阻较小时，为了将霍尔器件10的偏置电流控制在一个适当的数值，可采用图2的电路设计。在图2情况下，霍尔器件10的输出电极14的电位由电阻R1、R2，以及霍尔器件10的输入电阻所组成的分压电路来决定。为了使加在运算放大器同相输入端的参考电位保持在正负电源电压V+与V-之间的中点电位上，电阻R1与R2应取相等的电阻值。

图3所示电路是图2电路的一个变化方案。它在霍尔器件10的输出电极12与正负电源线16、17之间分 别连接了电阻R3与R4，用于补偿霍尔器件10的不平衡电流。根据不平衡电流的正负方向，R3与R4两个电阻中可省去其中之一。

图4所示电路是图2的另一变化方案。它采用电流源18作为霍尔器件10的偏置电流源。采用电流源偏置技术是为了对霍尔器件10的温度特性进行补偿。例如电流源18可以采用一个与绝对温度成正比的电流源，即所谓PTAT电流源。另外，电流源18也可以置于取代电阻R1的位置上，而不是取代电阻R2。在采用电流源偏置的情况下，霍尔器件10的输出电极14的电位由电阻R1，电流源18，以及霍尔器件10的输入电阻确定。根据电流源18的电流与霍尔器件10的输入电阻，适当选取R1的阻值，可使输出电极14的电位处于正负电源电压V+与V-的中点。具体的数值例将在实施实例二中给出。但是在这种情况下，当电源电压变化时，在霍尔器件10的输出电极14上将出现共模电压，而不能保持在电源的中点电位上。为使运算放大器OA的输出“零点”能跟随变化的电源中点电位，在图4中增加了共模电位补偿电路，即从正负电源到同相输入端的电阻R5与R6。当R5＝R6＝2Rf时，图4的电路对于电源电压来说事实上是一个平衡差动放大器，从而运算放大器输出电压Vo的“零点”能跟随电源电压中点电位的变化。

本发明的再一个优点是由于电路简单，易于实现各种方式的集成化，例如单片集成，混合集成，以及采用表面安装元件的模式集成等。并且，集成后电路引出端子少， 可以仅有三个引出端，即正负电源端以及输出端。而且，只要增加第四个引出端，就可以从电路外部实现增益控制与输出调零。例如，图1的电路可以变为如图5所示的四端电路，其中除正负电源与输出端外，引出了一个调整端ADJ。参照图1与图2不难看出，在图5所示的情况下，调零电阻与控制增益的反馈电阻都可以从外部连接。

下面给出本发明的两个实施实例。实例中霍尔器件均采用中国科学院半导体研究所生产的GaAs霍尔器件，其输入电阻≈1k，短路霍尔电流灵敏度（差动输出）≈20%/T，单端输出时约为40%/T;运算放大器均采用uA741。两实例中的其它元件值以及电路的输出电压Vo对磁场的灵敏度实验结果如下：

实例一：电路如图2所示。

R1＝R2＝2.5k，Rf＝50k，

电源电压＝12V，Vo＝40V/T。

实例二：电路如图4所示。电流源采用美国NS公司的PTAT电流源LM134，设置工作电流＝2mA，

R1＝2.5k，Rf＝50k，

R5＝R6＝100k，电源电压＝12V，

Vo＝40V/T。

注：T为磁感应单位“特斯拉”。

附图说明：

图1.本发明的基本电路。

图2.图1的变化，增加了偏置电阻R1与R2。

图3.图2的变化，增加了调零电阻R3与R4。

图4.采用电流源偏置的情形。

图5.增益可控、零点可调的四端电路。

注：在图1至图4的电路中，运算放大器OA的正负电源端至电源线16与17的连接线省略未画出。

Claims (1)

1、一种用于磁场测量的线性霍尔电路由一个霍尔器件(10)和一个运放电路(OA)构成，其中，一个用作负反馈的电阻(Rf)连接在运放OA的反相输入端与输出端(15)之间，运放OA的反相输入端与同相输入端分别连接至霍尔器件10的两个输出电极(12与14)，一个偏置电阻(R1)连接在正电源线(16)与霍尔器件10的一个输入电极(11)之间，其特征在于，还有第二个偏置电阻(R2)连接在霍尔器件10的另一输入电极(13)与负电源线(17)之间，并且，所说的两个偏置电阻R1与R2取相等的电阻值。

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