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        霍爾電流傳感器的讀出電路設(shè)計(jì)研究

        2022-02-21 06:04:21馬志愿
        科技信息 2022年4期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計(jì)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(shí)也有著高可靠性等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用在航空航天、汽車電子等多個(gè)領(lǐng)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(hào)換成電信號(hào),但產(chǎn)生信號(hào)弱,要合理應(yīng)用高精度儀表處理該信號(hào)。本文主要闡述霍爾電流傳感器的讀出電路設(shè)計(jì)內(nèi)容,僅供參考。

        關(guān)鍵詞:霍爾電流傳感器;讀出電路;設(shè)計(jì)研究

        霍爾電流傳感器電路的核心技術(shù)為旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)和斬波技術(shù),兩項(xiàng)技術(shù)的主要特征是噪聲少、精準(zhǔn)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(jié)構(gòu)改進(jìn),應(yīng)用紋波消除環(huán)路,解決失調(diào)電壓噪聲的問(wèn)題。合理使用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體技術(shù)來(lái)進(jìn)行仿真電路設(shè)計(jì)和驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)。

        一、闡述霍爾電流傳感器裝置相關(guān)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(zhǔn)確優(yōu)化的優(yōu)勢(shì)被廣泛的使用在工業(yè)汽車、電子、航天控制等各領(lǐng)域?;魻栯娏鱾鞲衅髂軌驒z測(cè)到高頻率信號(hào),目前分析霍爾電流傳感器工作的帶寬方式,屬于近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)?;魻栯娏鱾鞲衅鞑粌H輸送的信號(hào)弱,同時(shí)也會(huì)摻雜其他的干擾信號(hào),因此需要在微弱信號(hào)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(hào)。高精度儀表放大器和傳統(tǒng)放大器相比,有著精準(zhǔn)度高、噪聲低、多模抑制等優(yōu)勢(shì),它能夠增加高頻通道形成雙通道架構(gòu),使整體系統(tǒng)不斷擴(kuò)大。運(yùn)用斬波技術(shù)與旋轉(zhuǎn)電流技術(shù),從而讓霍爾盤運(yùn)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(lái)不斷上升,它主要應(yīng)用的是數(shù)字技術(shù),讓霍爾電流傳感器具有磁場(chǎng)探測(cè)的效率和性能。霍爾電流傳感器在各行業(yè)中應(yīng)用主要是在醫(yī)療保健、電子工業(yè)和國(guó)土安全中使用,它能夠和計(jì)算機(jī)程序結(jié)合,變成最大的使用市場(chǎng)?;魻栯娏鱾鞲衅髦饕菓?yīng)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(yīng)用、在防爆制動(dòng)系統(tǒng)和引擎控制系統(tǒng)中使用。在運(yùn)動(dòng)探測(cè)中合理使用霍爾電流傳感器的電子配件和機(jī)械配件,能夠明確目標(biāo)四周事物情況和位置變化情況。使用關(guān)閉運(yùn)動(dòng)模式和開啟離散模式探測(cè)物體速度、幅度等相關(guān)內(nèi)容,在設(shè)備中,霍爾電流傳感器屬于指南針,同時(shí)也有著對(duì)應(yīng)的GPS解決方案,加速霍爾電流傳感器的發(fā)展?;魻栯娏鱾鞲衅饔兄鴥?yōu)勢(shì)和價(jià)格,在今后會(huì)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(jī)電刷,此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用在電機(jī)中比較快?;魻栯娏鱾鞲衅髂軌驖M足性能指標(biāo),比如分辨率、靈敏度等。在開關(guān)和距離探測(cè)使用中能夠探測(cè)到磁場(chǎng)強(qiáng)度,同時(shí)在儲(chǔ)存應(yīng)用中的磁場(chǎng)強(qiáng)度適當(dāng),要根據(jù)應(yīng)用的不同,來(lái)明確電流傳感器的性能參數(shù),選擇對(duì)應(yīng)的霍爾電流傳感技術(shù),在設(shè)計(jì)霍爾電流傳感器中信號(hào)處理電路包含了多種性能指標(biāo),制造和設(shè)計(jì)指定的傳感器反應(yīng),其性能規(guī)格要通過(guò)合適的測(cè)試方法進(jìn)行驗(yàn)證,比如在設(shè)計(jì)霍爾電流傳感器工作的溫度適當(dāng),為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)需要重視低溫度系數(shù)、尺寸等內(nèi)容,通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)驗(yàn)證相關(guān)內(nèi)容。

        霍爾電流傳感器作為基礎(chǔ)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(dǎo)體技術(shù)發(fā)展快,同時(shí)有著顯著的霍爾效應(yīng),能夠讓霍爾傳感器得到快速發(fā)展?;魻栯娏鱾鞲衅鞅粦?yīng)用在壓力、加速度和電磁等技術(shù)的測(cè)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(shí)也朝著可靠性新型材料的方向應(yīng)用,有著成熟的市場(chǎng),已經(jīng)在醫(yī)療衛(wèi)生,農(nóng)業(yè),環(huán)保等領(lǐng)域應(yīng)用。我國(guó)霍爾電流傳感器目前有著較強(qiáng)的工作勢(shì)頭,在設(shè)計(jì)和制造研究過(guò)程中具有設(shè)計(jì)能力和研究能力?;魻栃酒谱鞣秶鷥?nèi),我國(guó)企業(yè)只能提供制造和解決的方案,但設(shè)計(jì)工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后西方發(fā)達(dá)國(guó)家。我國(guó)市場(chǎng)發(fā)展快,同時(shí)對(duì)霍爾傳感器的需求在不斷上升?;魻栯娏鱾鞲衅饕鶕?jù)應(yīng)用不同,來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的霍爾傳感器參數(shù),同時(shí)也要選擇適當(dāng)?shù)幕魻杺鞲衅骷夹g(shù)。霍爾電流傳感器指標(biāo)包含著技術(shù)可能性指標(biāo)、制造成本、溫度、濕度、霍爾傳感器幾何形狀、磁感應(yīng)靈敏度特性等內(nèi)容。在設(shè)計(jì)霍爾電流傳感器時(shí),需要重點(diǎn)處理此些信號(hào),明確性能指標(biāo),從而開展制定傳感器性能工作,通過(guò)反應(yīng)性能規(guī)格進(jìn)行驗(yàn)證。比如使用硅集成技術(shù)和溫度補(bǔ)償技術(shù)調(diào)節(jié)集成電路的線性內(nèi)容。

        三、分析和設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)中,霍爾盤輸出信號(hào)在通過(guò)首個(gè)轉(zhuǎn)播器調(diào)制后能夠成為另一頻率信號(hào),此調(diào)制信號(hào)能夠能夠轉(zhuǎn)換為首個(gè)失調(diào)電壓,從而放大數(shù)倍。第二個(gè)斬波器調(diào)解至原頻率處,運(yùn)放失調(diào)電壓會(huì)讓首個(gè)斬波器調(diào)制。最后的低通濾波器轉(zhuǎn)播技術(shù)能夠消除低頻的噪聲,但要保證斬波頻率高于首個(gè)噪聲轉(zhuǎn)角頻率。為確保會(huì)信號(hào)不被低通濾波器所影響,出路的信號(hào)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(jié)構(gòu)信號(hào)寬度是由低通濾波器帶寬所影響[1]。

        (二)設(shè)計(jì)系統(tǒng)級(jí)結(jié)構(gòu)電路

        本文提出的霍爾電流傳感器讀出電路結(jié)構(gòu)由兩個(gè)信號(hào)通道構(gòu)成,一個(gè)是旋轉(zhuǎn)霍爾傳感器的低頻通道,另一個(gè)是非旋轉(zhuǎn)霍爾傳感器的高頻通道。為使兩個(gè)通道增益有著匹配性,要合理應(yīng)用運(yùn)算霍爾盤和放大器結(jié)構(gòu)。初級(jí)運(yùn)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(jí)運(yùn)算放大器需要應(yīng)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(yīng)用斬波技術(shù)和旋轉(zhuǎn)電流技術(shù),若是通道帶寬一致,則兩倍閉環(huán)增益輸出級(jí)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(yīng),同時(shí)使用虛擬段接地段補(bǔ)償電流,同時(shí)更好的抑制。在輸出的一層低通濾波器會(huì)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(shè)置2000Hz,此輸出時(shí)間一般是由常數(shù)所決定,甚至頻率會(huì)小于旋轉(zhuǎn)頻率。為使兩項(xiàng)通路有著平滑頻率曲線,要保證相關(guān)波特曲線有著匹配性[2]。

        (三)旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)

        霍爾盤應(yīng)用N型工藝制作而成,所含有的四個(gè)端口能夠制作惠斯通電橋?;魻柋P的摻雜濃度不均勻,并且設(shè)置深度也有所不同,使霍爾傳感器產(chǎn)生失調(diào)電壓的問(wèn)題?;魻杺鞲衅髦挟a(chǎn)生的霍爾信號(hào)要應(yīng)用放大器放大儀表,但也會(huì)出現(xiàn)噪聲。旋轉(zhuǎn)電流技術(shù)要應(yīng)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(yīng)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(yīng)在原頻率上保持,確?;魻栐敵鲭妷汉椭绷魇д{(diào)電壓、交流霍爾電壓相同。斬波器濾器可以計(jì)量霍爾電壓,進(jìn)而計(jì)量出直流信號(hào)。并且要計(jì)量失調(diào)電壓,進(jìn)而計(jì)量交流信號(hào)。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(hào),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(huì)被輸入電容遏制[3]?;魻柋PN阱有著不匹配性,會(huì)讓霍爾傳感器的失調(diào)信號(hào)失去作用,同時(shí)各相位數(shù)值存在差異。通過(guò)旋轉(zhuǎn)電流技術(shù),會(huì)把失調(diào)信號(hào)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(hào)和運(yùn)放失調(diào)電壓會(huì)以方波模式在第二級(jí)輸出端存在。應(yīng)用感應(yīng)電阻器,第二級(jí)輸出端電壓紋波變成電流紋波[4]。

        結(jié)束語(yǔ):

        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(shè)計(jì)仿真結(jié)果符合要求,同時(shí)將開關(guān)電容陷波濾波器應(yīng)用其中,解決消除電壓噪聲的目地。

        參考文獻(xiàn):

        [1]李鑫. 高性能霍爾電流傳感器芯片設(shè)計(jì)[D].西安科技大學(xué),2021.

        [2]李致銘,蘭哲沖,金楷越,張杰,張鴻.寄生電容自適應(yīng)抑制的飛法級(jí)電容傳感器讀出電路[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),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(shù)研究綜述[J].半導(dǎo)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(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2019,38(05):74-76+79.

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