雙極霍爾效應(yīng)集成電路基礎(chǔ)知識

1、雙極霍爾效應(yīng)集成電路基礎(chǔ)知識介紹：根據(jù)數(shù)字輸出，霍爾效應(yīng)集成器件可以分為四種：單極性開關(guān) , 雙 極性開關(guān)，全極性開關(guān)和鎖存型開關(guān)。本文主要來闡述雙極性開關(guān)。雙極性霍爾傳感器設(shè)計為靈敏開關(guān)（請注意這個詞“雙極”指的 是磁極性，是與雙極型半導(dǎo)體芯片結(jié)構(gòu)不相關(guān)的）。雙極型開關(guān)有一致的 遲滯性，但是，不同的器件對發(fā)生在正極或者負極的開關(guān)點的范圍是不同 的。因為需要改變磁場的極性，來確保開關(guān)點的切換，并且需要一致的遲 滯性來確保周期，所以需要磁信號改變幅度 B,故而這些器件緊密排列， 南北兩極交替使用。應(yīng)用于檢測旋轉(zhuǎn)軸的位置，例如用在無刷直流電動機（無刷）列 于圖 1，將多個磁鐵組成一個簡單的結(jié)構(gòu)，

2、采用磁場極性交替 “環(huán)形磁鐵” 。 封裝好的IC 與每個相鄰的環(huán)形磁鐵構(gòu)成霍爾雙極性開關(guān)器件。 軸旋轉(zhuǎn)時， 磁場區(qū)向霍爾元件移動。器件是受到最近的磁場影響，當(dāng)與南極磁場相對 時，打開，當(dāng)與北極磁場相對時，關(guān)閉。注意器件的打字面面向磁鐵。圖 1 兩個雙極型器件與環(huán)形磁鐵的使用磁場開關(guān)點的定義：B 為磁場強度，用來表示霍爾器件的開關(guān)點，單位是 GS（高斯）， 或者 T （特斯拉），轉(zhuǎn)換關(guān)系是 1GS=0.1mTB 磁場強度有南極和北極之分， 所以有必要記住它的代數(shù)關(guān)系， 北 極磁場為負數(shù)，南極磁場為正數(shù)。該關(guān)系可以比較南極北極磁場的代數(shù)關(guān) 系，磁場的相對強度是由 B 的絕對值表示，符號表示極性。例

3、如：一個-100GS （北極）磁場和一個 100GS（南極）磁場的強度是相同的，但是極性相反。-100GS 的強度要高于-50GS。? BOP -磁場工作點；使霍爾器件打開的磁場強度。器件輸出的參數(shù)取決 于器件的電學(xué)設(shè)計。? BRP -磁場釋放點；使霍爾器件關(guān)斷的磁場強度。器件輸出的參數(shù)取決 于器件的電學(xué)設(shè)計。HflJI I-CS? BH YS -磁開關(guān)點滯回窗口?；魻栐膫鬏敼δ芾瞄_關(guān)點之間的這 個差值來過濾掉在應(yīng)用中可能由于機械振動或電磁噪聲引起磁場的小的 波動值。 BHYS= | BOP - BRP |.典型工作狀態(tài)雙極性開關(guān)通常有一個正的 BOP 和一個負的 BRP 但是這兩個開

4、關(guān)點不是正好關(guān)于 B=0 磁場對稱的，這一特點使雙極性開關(guān)可以比鎖存型 開關(guān)更靈敏， 回差窗口更小。 雙極開關(guān)以前作為一個成本較低的產(chǎn)品來替 代鎖存型開關(guān)。很少比例（10%的雙極性開關(guān)的開關(guān)點是單邊的（完 全在 S 極或者 N 極）。這些特性可以通過南極（正）北極（負）磁場的交 替變化穩(wěn)定得到。當(dāng)磁場移走時，電路關(guān)斷，但是為了確保釋放，需要外 加一個相反的磁場。例如一個霍爾器件的最大 BOP 為 45GS 最小的 BRP 為-40G, 回差窗口最小為 15GS 但是，它的最小 BOP 可以到-25GS,最大 BRP 可以 為 30GS圖 2 表示擁有這些特征開關(guān)點的器件。 圖 2 的頂部的曲線

5、“最小 B”表示一個小的振幅可以引起開關(guān)的切換。圖2 表明了雙極性開關(guān)的三個工作模式的不同：? “鎖存模式”描述為任何一個有正值 BOP 和負值 BRP 的雙極性開關(guān)，像 霍爾鎖存型開關(guān)那樣需要兩個磁場來完成操作 （但是該設(shè)備的狀態(tài)實際沒 有鎖存）? “單極模式”描述為任何一個 BOP 和 BRP 均為正值（南極）的雙極性開 關(guān)? “負單極模式” （有時被稱為“負開關(guān)”模式）描述為任何一個BOP和 BRP 勻為負值（北極）的雙極性開關(guān)釋放點的磁通量密度不重要，因為磁極過去了，霍爾開 關(guān)沒有切換，磁通量強度接近 0，當(dāng)下一個磁極開始增加相反的磁場時， 霍爾開關(guān)將會關(guān)斷。雙極霍爾開關(guān)利用這個在釋放

6、點磁通量額外的幅值， 取得較低的工作的點通量密度，把它應(yīng)用在環(huán)形磁鐵上有很大的優(yōu)勢。BOP圖 2 用于低磁振幅，窄磁極交換的雙極型開關(guān)的開關(guān)點的范圍從圖 2 的 Vout 我們可以看到，對于這些模式，每個磁極的轉(zhuǎn)換都是穩(wěn)定的，隨著不同工作模式，輸出的占空比不同。一個工作于鎖存模式的雙極性開關(guān)具有幾乎對稱的開關(guān)點。當(dāng)它在相等的間距環(huán)形 磁鐵的兩極工作時，它的占空比將趨向完美。話雖如此，即使開關(guān)點被扭i I0HY5( (rn)廠Bmin)Unipolar mode unitlatch mode unitNegative unipolar rrxxie unitYourUnipolar mode u

7、ni!VOUTrriVOUT! L Latch mode unhI1Negative unipdar mode unitB-7.5Minitrium ABVQUT4530I-7.5-25-401十卄f、BoMmax)BHVS1BRP( (max)BOPBws(min)Q) m25苛匚世a xnLZQP43SB-B+曲，它的占空比仍然會接近 50%對于電動機換相來說，這個是有優(yōu)勢的， 因為效率比較高。器件有單極模式，南極磁場控制工作點和釋放點，北極 磁場不起作用，在這種模式下，器件擁有40%勺占空比。器件在負單極模式，北極磁場控制工作點和釋放點，南極磁場不起作用，這種模式下，器 件擁有60%勺占

8、空比。圖 4 顯示雙極性霍爾開關(guān)在三種模式下的輸出特性曲線B+圖 3A,鎖存模式的特性曲線請注意，開關(guān)點遲滯區(qū) BHYS 包括 B=0VOUT （QFfjVOUT（an）（sal）c c比oCNJTtuff）圖 3B,單極模式的特性曲線請注意，開關(guān)點遲滯區(qū) BHYS 在 B=0 的右邊，北極磁場對器件無影響磁場強度 B （G）圖 3C，負單極模式的特性曲線請注意，開關(guān)點遲滯區(qū) BHYS 在 B=0 的左邊，南極磁場對器件無影響磁鐵一個磁鐵可以提供兩個相反的磁極，然而，用環(huán)形或者帶狀的磁鐵 更符合成本效益。環(huán)形和帶狀磁鐵可以指定間距的使磁極交替變換。一個 環(huán)形磁鐵是環(huán)型或圓盤狀（見圖1）徑向或軸

9、向磁極交替變化。帶狀磁鐵是一個磁極交替變換的帶狀結(jié)構(gòu)。環(huán)形磁鐵中包含了陶瓷，稀土材料，柔 性材料。帶狀磁鐵總是利用柔性材料，如丁腈橡膠粘合劑含有鋇鐵，或更 高級的能源稀土材料。環(huán)形磁鐵有許多的磁極，一般用（磁極 /英寸）來定義。一個 4 極環(huán) 形磁鐵包含兩個南極兩個北極（N-S-N-S ），一個 11 個磁極/英寸的條形 磁鐵在每間隔 0.0909 英寸就有一個磁極交換。極間距離可以從磁鐵制造 商那里得到。上拉電阻上拉電阻必須連接在電源和輸出引腳之間，上拉電阻的阻值一般是1- 10kQ。最小上拉電阻是傳感器最大輸出電流（拉電流）和電源的函數(shù)。20mA 是一個最大輸出電流的典型值，并在此情況下，

10、最低可拉 VCC / 0.020 的負載。如果考慮消耗的電流，上拉電阻可以增大到 50-100 kQ。 注意：如果上拉電阻過大，那么即使外部的磁場是磁關(guān)斷狀態(tài)，電路的輸 出也將是低電平。這并不是器件的問題，而是在與上拉電阻和傳感器IC的輸出引腳間發(fā)生的電流泄露。 嚴重的話，會使大幅降低芯片的輸出電壓， 使其失去邏輯功能。使用濾波電容參考圖 4 中濾波電容的擺放位置，一般來說： ?對于沒有斬波穩(wěn)定的設(shè)計來說，建議在輸出和接地之間以及電源和接地 之間分別放置一個 0.01 yF 的電容。?對于斬波穩(wěn)定設(shè)計，必須在電源和地之間放置一個0.1 yF 的電容，建議在輸出和地面之間放置一個一個 0.1 y

11、F 的電容。GND+廠r- 1 -BYPASSZTX OJ pF圖 4 典型應(yīng)用圖上電狀態(tài)在通電情況下，只有外部磁場大于 BOP 或者小于 BRP 的情況下，雙極器件才能上電在一個有效的狀態(tài)。如果磁場強度是在遲滯帶，BOP 和BRP 之間，器件保持最初的狀態(tài)，然后經(jīng)過一個開關(guān)點，達到第一個正確 的狀態(tài)。器件可以設(shè)計一個上電邏輯使器件在開關(guān)點到達之前，一直處于 關(guān)閉狀態(tài)。上電時間上電時間某種程度上取決于器件的設(shè)計，數(shù)字輸出傳感器IC,如雙極器件，達到初始穩(wěn)定的上電時間如下：有斬波放大器設(shè)計的器件，上電時間v25us，沒有斬波放大器設(shè)計的器件v4us。一般說來，在通電之后經(jīng)歷這段時間之前，器件的輸出可能處于一個不正確的狀態(tài)，但是，經(jīng)過這 段時間之后，器件的輸出肯定處于一個正確的狀態(tài)。功耗總功耗是兩個因素的總和：?消耗在器件上的功率， 不包括在輸出端的功率耗散。 這個值的大小是 Vcc 與電源電流 Icc 的乘積。電源電壓和電源電流已經(jīng)在數(shù)據(jù)表中被指定了。 例如，Vcc=12V ， Icc=9mA ，功耗為 108 mW 。?消耗在輸出管上的功率， 它的大小是飽和導(dǎo)通電壓 Vonsat