霍爾電流傳感器的讀出電路設計研究

馬志愿

摘要：霍爾電流傳感器有著小尺寸、低成本和低功耗的特征，同時也有著高可靠性等優(yōu)點，廣泛應用在航空航天、汽車電子等多個領域。低噪聲霍爾電流傳感器讀出電路有著重要作用。它能夠把磁信號換成電信號，但產(chǎn)生信號弱，要合理應用高精度儀表處理該信號。本文主要闡述霍爾電流傳感器的讀出電路設計內(nèi)容，僅供參考。

關鍵詞：霍爾電流傳感器;讀出電路;設計研究

霍爾電流傳感器電路的核心技術為旋轉(zhuǎn)電流技術和斬波技術，兩項技術的主要特征是噪聲少、精準度高。在傳統(tǒng)的單通道斬波儀表中，放大器經(jīng)常出現(xiàn)高頻通路，并且要將傳統(tǒng)的低通濾波結構改進，應用紋波消除環(huán)路，解決失調(diào)電壓噪聲的問題。合理使用互補金屬氧化物半導體技術來進行仿真電路設計和驗證，確保仿真噪聲功率密度符合高精度霍爾電流傳感器電路讀出標準。

一、闡述霍爾電流傳感器裝置相關內(nèi)容

霍爾電流傳感器有著小尺寸、低成本和低功耗的特征，其準確優(yōu)化的優(yōu)勢被廣泛的使用在工業(yè)汽車、電子、航天控制等各領域。霍爾電流傳感器能夠檢測到高頻率信號，目前分析霍爾電流傳感器工作的帶寬方式，屬于近些年來的研究熱點。霍爾電流傳感器不僅輸送的信號弱，同時也會摻雜其他的干擾信號，因此需要在微弱信號上方疊加共模電壓，以便于能夠更快的讀出數(shù)據(jù)。選擇高精度儀表放大器，才能夠更快處理微弱信號。高精度儀表放大器和傳統(tǒng)放大器相比，有著精準度高、噪聲低、多模抑制等優(yōu)勢，它能夠增加高頻通道形成雙通道架構，使整體系統(tǒng)不斷擴大。運用斬波技術與旋轉(zhuǎn)電流技術，從而讓霍爾盤運效正常工作，電壓噪聲失去調(diào)整。為防止將紋波幅度輸出，要引入紋波消除環(huán)路，減小紋波。霍爾電流傳感器讀出電能并消除電路失調(diào)電壓，從而獲取更多系統(tǒng)寬帶。

二、霍爾電流傳感器的使用情況

霍爾電流傳感器的需求在近些年來不斷上升，它主要應用的是數(shù)字技術，讓霍爾電流傳感器具有磁場探測的效率和性能。霍爾電流傳感器在各行業(yè)中應用主要是在醫(yī)療保健、電子工業(yè)和國土安全中使用，它能夠和計算機程序結合，變成最大的使用市場。霍爾電流傳感器主要是應用在汽車工業(yè)中，占據(jù)總份額的40%，或者電流傳感器在汽車中應用、在防爆制動系統(tǒng)和引擎控制系統(tǒng)中使用。在運動探測中合理使用霍爾電流傳感器的電子配件和機械配件，能夠明確目標四周事物情況和位置變化情況。使用關閉運動模式和開啟離散模式探測物體速度、幅度等相關內(nèi)容，在設備中，霍爾電流傳感器屬于指南針，同時也有著對應的GPS解決方案，加速霍爾電流傳感器的發(fā)展。霍爾電流傳感器有著優(yōu)勢和價格，在今后會得到更好的發(fā)展。霍爾電流傳感器ic能夠取替?zhèn)鹘y(tǒng)電機電刷，此項技術應用在電機中比較快。霍爾電流傳感器能夠滿足性能指標，比如分辨率、靈敏度等。在開關和距離探測使用中能夠探測到磁場強度，同時在儲存應用中的磁場強度適當，要根據(jù)應用的不同，來明確電流傳感器的性能參數(shù)，選擇對應的霍爾電流傳感技術，在設計霍爾電流傳感器中信號處理電路包含了多種性能指標，制造和設計指定的傳感器反應，其性能規(guī)格要通過合適的測試方法進行驗證，比如在設計霍爾電流傳感器工作的溫度適當，為了實現(xiàn)此目標需要重視低溫度系數(shù)、尺寸等內(nèi)容，通過磁場來驗證相關內(nèi)容。

霍爾電流傳感器作為基礎的傳感器，它最早是在金屬材料中發(fā)現(xiàn)，但卻并未得到發(fā)展。半導體技術發(fā)展快，同時有著顯著的霍爾效應，能夠讓霍爾傳感器得到快速發(fā)展。霍爾電流傳感器被應用在壓力、加速度和電磁等技術的測量中。霍爾電流傳感器的主要工作方向是系統(tǒng)化、集成化和微型化，同時也朝著可靠性新型材料的方向應用，有著成熟的市場，已經(jīng)在醫(yī)療衛(wèi)生，農(nóng)業(yè)，環(huán)保等領域應用。我國霍爾電流傳感器目前有著較強的工作勢頭，在設計和制造研究過程中具有設計能力和研究能力。霍爾芯片制作范圍內(nèi)，我國企業(yè)只能提供制造和解決的方案，但設計工作遠遠落后西方發(fā)達國家。我國市場發(fā)展快，同時對霍爾傳感器的需求在不斷上升。霍爾電流傳感器要根據(jù)應用不同，來選擇對應的霍爾傳感器參數(shù)，同時也要選擇適當?shù)幕魻杺鞲衅骷夹g。霍爾電流傳感器指標包含著技術可能性指標、制造成本、溫度、濕度、霍爾傳感器幾何形狀、磁感應靈敏度特性等內(nèi)容。在設計霍爾電流傳感器時，需要重點處理此些信號，明確性能指標，從而開展制定傳感器性能工作，通過反應性能規(guī)格進行驗證。比如使用硅集成技術和溫度補償技術調(diào)節(jié)集成電路的線性內(nèi)容。

三、分析和設計電路

（一）單通道帶斬波儀表放大器

傳統(tǒng)單通道帶轉(zhuǎn)播儀表放大器結構中，霍爾盤輸出信號在通過首個轉(zhuǎn)播器調(diào)制后能夠成為另一頻率信號，此調(diào)制信號能夠能夠轉(zhuǎn)換為首個失調(diào)電壓，從而放大數(shù)倍。第二個斬波器調(diào)解至原頻率處，運放失調(diào)電壓會讓首個斬波器調(diào)制。最后的低通濾波器轉(zhuǎn)播技術能夠消除低頻的噪聲，但要保證斬波頻率高于首個噪聲轉(zhuǎn)角頻率。為確保會信號不被低通濾波器所影響，出路的信號頻率要比低通濾波器的寬帶小，為了能夠?qū)V波電路失調(diào)，電壓噪聲消除，斬波頻率需要比低通濾波器的寬帶大。傳統(tǒng)單通道斬波儀表的放大器結構信號寬度是由低通濾波器帶寬所影響[1]。

（二）設計系統(tǒng)級結構電路

本文提出的霍爾電流傳感器讀出電路結構由兩個信號通道構成，一個是旋轉(zhuǎn)霍爾傳感器的低頻通道，另一個是非旋轉(zhuǎn)霍爾傳感器的高頻通道。為使兩個通道增益有著匹配性，要合理應用運算霍爾盤和放大器結構。初級運算放大器需要使用數(shù)百倍閉環(huán)增益電容耦合儀表，二級運算放大器需要應用1/5閉環(huán)增益的反向放大器。一般情況，低頻通道只能應用斬波技術和旋轉(zhuǎn)電流技術，若是通道帶寬一致，則兩倍閉環(huán)增益輸出級能夠自由的將低頻和高頻路徑組合在一起。低頻路徑若是有波紋產(chǎn)生，則紋波消除回路感應，同時使用虛擬段接地段補償電流，同時更好的抑制。在輸出的一層低通濾波器會將殘余的紋波消除。在低頻路徑中，要使用高頻路徑填充低頻路徑紋波消除回路。并且也要綜合芯片因素，高頻路徑和低頻路徑交叉頻率設置2000Hz，此輸出時間一般是由常數(shù)所決定，甚至頻率會小于旋轉(zhuǎn)頻率。為使兩項通路有著平滑頻率曲線，要保證相關波特曲線有著匹配性[2]。

（三）旋轉(zhuǎn)電流技術

霍爾盤應用N型工藝制作而成，所含有的四個端口能夠制作惠斯通電橋。霍爾盤的摻雜濃度不均勻，并且設置深度也有所不同，使霍爾傳感器產(chǎn)生失調(diào)電壓的問題。霍爾傳感器中產(chǎn)生的霍爾信號要應用放大器放大儀表，但也會出現(xiàn)噪聲。旋轉(zhuǎn)電流技術要應用霍爾元件控制輸出端的位置，并且也要將電壓性能改變。應用周期性特征開展循環(huán)性工作，調(diào)節(jié)霍爾電壓到頻率處，并且失調(diào)電壓應在原頻率上保持，確保霍爾元件輸出電壓和直流失調(diào)電壓、交流霍爾電壓相同。斬波器濾器可以計量霍爾電壓，進而計量出直流信號。并且要計量失調(diào)電壓，進而計量交流信號。使用低通濾波器將交流失調(diào)電壓消除。在處理旋轉(zhuǎn)電路的電流后，霍爾電壓也要用作AC信號，維持失調(diào)電壓處在DC狀態(tài)，因此失調(diào)電壓一般情況會被輸入電容遏制[3]。霍爾盤N阱有著不匹配性，會讓霍爾傳感器的失調(diào)信號失去作用，同時各相位數(shù)值存在差異。通過旋轉(zhuǎn)電流技術，會把失調(diào)信號變?yōu)锳C變量，使用電容而被放大。在調(diào)節(jié)后，失調(diào)信號和運放失調(diào)電壓會以方波模式在第二級輸出端存在。應用感應電阻器，第二級輸出端電壓紋波變成電流紋波[4]。

結束語：

綜上所述，霍爾電流傳感器讀出電路的特征主要是低噪聲和高精度，確保設計仿真結果符合要求，同時將開關電容陷波濾波器應用其中，解決消除電壓噪聲的目地。

參考文獻：

[1]李鑫. 高性能霍爾電流傳感器芯片設計[D].西安科技大學，2021.

[2]李致銘，蘭哲沖，金楷越，張杰，張鴻.寄生電容自適應抑制的飛法級電容傳感器讀出電路[J].西安交通大學學報，2021，55（05）：154-161.

[3]劉嶸侃，邢德智，唐昭煥，徐煬.低噪聲CMOS圖像傳感器技術研究綜述[J].半導體光電，2020，41（06）：768-773.

[4]劉章旺，魏榕山.基于霍爾電流傳感器的讀出電路設計[J].傳感器與微系統(tǒng)，2019，38（05）：74-76+79.