霍尔集成传感器：原理与应用介绍

用霍尔元件制作成的传感器集成电路可分为线性型和开关型两大类。

1.霍尔线性集成传感器

（1）结构

线性集成霍尔传感器是将霍尔元件、放大电路、电压调整电路、电流放大输出级、失调调整和线性度调整部分集成在一块芯片上，其特点是输出电压随外加磁感应强度B呈线性变化。输出电压为伏特级，比直接使用霍尔元件方便得多。较典型的线性型霍尔元件如UGN3501等。霍尔线性集成传感器分单端输出和双端输出两种，它们的结构如图6-10a、b所示。

（2）线性型霍尔特性

霍尔元件的输出特性具有双端差动输出特性曲线。当磁场为零时，它的输出电压等于零；当感受的磁场为正向（磁钢的S极对准霍尔元件的正面）时，输出为正；磁场反向时，输出为负。

图6-10 线性集成霍尔传感器的电路结构

a）SL3501T型结构（单端输出） b）SL3501M型结构（双端输出）

2.霍尔开关集成传感器

（1）结构

开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路制作在同一个芯片上。当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出变为低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平，如图6-11所示。较典型的开关型霍尔器件如UGN3020、3518等。

1）霍尔元件：在0.1T磁场作用下，霍尔元件开路时可输出20mV左右的霍尔电压，当有负载时输出10mV左右的霍尔电压。

2）差分放大器：放大器将霍尔电压放大，以便驱动后一级整形电路。

3）整形电路：一般采用施密特触发器，它把经差分放大的电压整形为矩形脉冲，实现A-D转换。

4）输出管：由一个或两个晶体管组成，采用单管或双管集电极开路输出，集电极输出的优点是可以与很多类型的电路直接连接，使用方便。

5）电源电路：包括稳压电路和恒流电路，设置稳压和恒流电路的目的，一方面是改善霍尔传感器的温度性能，另一方面可以大大提高集成霍尔传感器工作电源电压的适用范围。

（2）霍尔开关集成传感器的特性(www.xing528.com)

1）磁特性。霍尔开关集成传感器的磁特性是指由高电平翻转为低电平的导通磁感应强度B（H→L）、由低电平翻转为高电平的截止磁感应强度B（L→H）和磁感应强度的滞环宽度。

图6-11 霍尔开关集成传感器原理框图

图6-12 霍尔开关集成传感器磁电转换特性曲线

滞环宽度对霍尔开关集成传感器是必需的，因为在导通磁感应强度B（H→L）附近，如果没有滞环效应或滞环效应很小，那么由于磁噪声或磁钢振动等原因，会使电路的输出反复开启和关闭，形成类似于自激振荡现象。为防止这种现象的产生，必须具有一定宽度的滞环。但如果这种滞环宽度过大，对开关动作也是不利的，因为要求磁场变化幅度很大，有可能不发生动作而出现漏计现象。

我国CS型开关集成霍尔传感器的滞环宽度典型值为6×10^-3T。

图6-12给出了霍尔开关集成传感器磁电转换特性曲线，横坐标表示作用于霍尔元件上的正向磁感应强度。

2）电特性。霍尔开关集成传感器的电特性是指它的输出电性能，标志它的输出电性能的主要参数有输出高电平U_OH、输出低电平U_OL、负载电流I_OL、输出漏电流I_OH、截止电源电流I_CCH和导通电源电流I_CCL等参数，如表6-2所示。

表6-2 CS型霍尔开关集成传感器的磁特性参数

图6-13 霍尔开关集成传感器特性

a）温度特性 b）磁特性

3）温度特性。霍尔开关集成传感器参数也随温度的变化而变化，在此主要讨论它的导通磁感应强度B（H→L）、截止磁感应强度B（L→H）和滞环宽度的温度特性。由图6-13a可以看出，导通磁感应强度的温度系数约为（1.5～2）×10^-4T/℃，是正温度系数。从B（H→L）与B（L→H）特性曲线的差值中算出滞环宽度的温度系数约为（-0.2～-0.3）%/℃，是负温度系数。

图6-13b给出了CS型霍尔开关集成传感器两个磁特性参数随电源电压E的变化曲线。从图中可以看出，B（H→L）和B（L→H）参数在电源电压E＜6V时，随电源电压减少而增加，但滞环宽度随电源电压减小而减小；在电源电压E＞8V时，这三个参数基本变化不大。