PL210806B1 - Układ polaryzacji czujnika hallotronowego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ polaryzacji czujnika hallotronowego zwłaszcza do liniowego pomiaru natężenia pola magnetycznego.

Czujnik hallotronowy jest przyrządem półprzewodnikowym o czterech zaciskach, w którym napięcie na dwóch zaciskach wyjściowych - zwane napięciem Halla - jest proporcjonalne do iloczynu prądu polaryzującego przepływającego przez strukturę półprzewodnikową umieszczoną między zaciskami wejściowymi i natężenia indukcji magnetycznej w kierunku prostopadłym do struktury półprzewodnikowej.

W znanych układach polaryzacji czujników hallotronowych prąd polaryzujący ma stałą wartość wytwarzaną przez zewnętrzne źródło prądowe zbudowane na wzmacniaczu operacyjnym i źródle napięciowym. Napięcie wyjściowe czujnika jest wówczas proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego. Czujniki hallotronowe charakteryzują się znaczną wartością współczynnika temperaturowego napięcia Halla i w tego typu rozwiązaniach istnieje duży wpływ temperatury na napięcie wyjściowe.

W czujnikach hallotronowych wykonanych z materiał u InSb rezystancja czujnika charakteryzuje się zbliżonym współczynnikiem temperaturowym do współczynnika temperaturowego napięcia Halla. Czujniki takie są polaryzowane stałą wartością napięcia podawanego między zaciski wejściowe, dzięki czemu współczynnik temperaturowy napięcia Halla jest kompensowany współczynnikiem temperaturowym rezystancji czujnika. To rozwiązanie nie nadaje się z kolei do polaryzacji powszechnie stosowanych czujników hallotronowych wykonanych z innych materiałów półprzewodnikowych takich jak polimorficzne struktury GaAs-InGaAs-AlGaAs, w których współczynnik temperaturowy rezystancji czujnika jest przeciwnego znaku do współczynnika temperaturowego napięcia Halla.

Układ według wynalazku oprócz źródła napięcia referencyjnego oraz wzmacniacza operacyjnego zawiera dodatkowy wzmacniacz operacyjny oraz dodatkowy czujnik hallotronowy. Źródło napięcia referencyjnego jest połączone z wejściem nieodwracającym dodatkowego wzmacniacza operacyjnego a dodatkowy czujnik hallotronowy jest włączony zaciskami wejś ciowymi mię dzy wyjś cie i wejś cie odwracające tego wzmacniacza. Między wejście odwracające dodatkowego wzmacniacza operacyjnego i masę jest włączony rezystor. W ten sposób napię cie na wyjś ciu dodatkowego wzmacniacza operacyjnego jest proporcjonalne do napięcia referencyjnego. Współczynnik proporcjonalności jest równy wzmocnieniu dodatkowego wzmacniacza operacyjnego, które jest równe ilorazowi sumy rezystancji dodatkowego czujnika hallotronowego i rezystora do rezystancji rezystora, i jest zależne od temperatury. Napięcie wyjściowe dodatkowego wzmacniacza jest podawane na wejście nieodwracające wzmacniacza operacyjnego, który pełni rolę źródła prądowego polaryzującego pomiarowy czujnik hallotronowy, włączony między wyjście i wejście odwracające tego wzmacniacza. Prąd polaryzujący pomiarowy czujnik hallotronowy jest w ten sposób proporcjonalny do napięcia wyjściowego dodatkowego wzmacniacza operacyjnego, które zależy z kolei od temperatury przez zależne od temperatury wzmocnienie dodatkowego wzmacniacza operacyjnego.

Podstawową zaletą układu jest kompensacja ujemnego współczynnika temperaturowego napięcia wyjściowego pomiarowego czujnika hallotronowego przez dodatni współczynnik temperaturowy rezystancji dodatkowego czujnika hallotronowego dołączonego do dodatkowego wzmacniacza operacyjnego. Przez odpowiedni dobór wartości rezystancji rezystora dodatkowego wzmacniacza operacyjnego w przypadku, gdy obydwa czujniki są wykonane w technologii polimorficznych struktur GaAs-InGaAs-AlGaAs, możliwe jest zmniejszenie wpływu temperatury na napięcie wyjściowe pomiarowego czujnika hallotronowego, o ponad rząd wielkości.

Układ według wynalazku w przykładzie wykonania jest przedstawiony na rysunku stanowiącym schemat blokowy układu polaryzacji czujnika hallotronowego.

Źródło napięcia referencyjnego Vref jest połączone z wejściem nieodwracającym Wn1 dodatkowego wzmacniacza operacyjnego Wz1, którego wejście odwracające Wo1 jest połączone przez rezystor R1 z masą M układu oraz przez końcówki wejściowe W1H1 i W2H1 dodatkowego czujnika hallotronowego H1 z wyjściem Wy1 wzmacniacza Wzm1. Wyjście Wy1 dodatkowego wzmacniacza

Wz1 jest połączone z wejściem nieodwracającym Wn2 wzmacniacza operacyjnego Wz2. Wejście odwracające Wo2 wzmacniacza operacyjnego Wz2 jest połączone przez rezystor R2 z masą M układu oraz przez końcówki wejściowe W1H2 i W2H2 pomiarowego czujnika hallotronowego H2 z wyjściem Wy2 tego wzmacniacza.

Dodatkowy czujnik hallotronowy H1 powinien znajdować się w takiej samej temperaturze otoczenia jak pomiarowy czujnik hallotronowy H2.

PL 210 806 B1

W przypadku, gdy moduł ujemnego współczynnika temperaturowego α rezystancji RH1 dodatkowego czujnika hallotronowego H1 jest k-krotnie większy od modułu współczynnika temperaturowego β napięcia Halla VH2 pomiarowego czujnika H2, wartość rezystora R1 minimalizująca wpływ temperatury na napięcie Halla VH2 pomiarowego czujnika hallotronowego H2 powinna wynosić (k-1)xRH1. Napięcie Halla VH2 pomiarowego czujnika hallotronowego H2 wyraża się wówczas wzorem

VH2 = γ- B - Vref - ^k ' -(l -(β- ΔΤ)²)

R1 - R2 ^{v v} ’ gdzie γ jest stałą zależną od typu czujnika, B jest wartością indukcji magnetycznej, RH10 jest wartością rezystancji dodatkowego czujnika hallotronowego H1 w temperaturze odniesienia T0, β jest współczynnikiem temperaturowym napięcia Halla VH2 czujnika H2, a ΔT jest różnicą między temperaturą obydwu czujników a temperaturą odniesienia T0. Dla wartości współczynnika β równej 0,1% zmiana wartości napięcia Halla VH2 w opisywanym układzie przy zmianie temperatury w stosunku do temperatury odniesienia o 50°C wynosi 0,25%. W przypadku zasilania czujnika pomiarowego hallotronowego stałym prądem zmiana ta wyniosłaby 5%.

Claims (1)

1. Układ polaryzacji czujnika hallotronowego zbudowany w oparciu o źródło napięcia referencyjnego i wzmacniacz operacyjny, znamienny tym, że zawiera dodatkowy wzmacniacz operacyjny (Wz1) oraz dodatkowy czujnik hallotronowy (H1), przy czym wejście nieodwracające (Wn1) dodatkowego wzmacniacza operacyjnego (Wz1) jest połączone ze źródłem napięcia odniesienia (Vref), a wejście odwracające (Wo1) jest połączone przez rezystor (R1) z masą (M) układu oraz przez wyprowadzenia wejściowe (W1H1) i (W2H1) dodatkowego czujnika hallotronowego (H1) z wyjściem (Wy1) dodatkowego wzmacniacza operacyjnego (Wz1), przy czym wyjście (Wy1) tego wzmacniacza jest połączone z wejściem nieodwracającym (Wn2) wzmacniacza operacyjnego (Wz2), którego wejście odwracające (Wo2) jest połączone przez rezystor (R2) z masą (M) układu oraz przez końcówki wejściowe (W1H2) i (W2H2) pomiarowego czujnika hallotronowego (H2) z wyjściem (Wy2) wzmacniacza operacyjnego (Wz2).