雙極霍爾效應(yīng)集成電路基礎(chǔ)知識(shí)

1、雙極霍爾效應(yīng)集成電路基礎(chǔ)知識(shí)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：?jiǎn)螛O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(jì)為靈敏開關(guān)（請(qǐng)注意這個(gè)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(duì)發(fā)生在正極或者負(fù)極的開關(guān)點(diǎn)的范圍是不同 的。因?yàn)樾枰淖兇艌?chǎng)的極性，來確保開關(guān)點(diǎn)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(hào)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(cè)旋轉(zhuǎn)軸的位置，例如用在無刷直流電動(dòng)機(jī)（無刷）列 于圖 1，將多個(gè)磁鐵組成一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，

2、采用磁場(chǎng)極性交替 “環(huán)形磁鐵” 。 封裝好的IC 與每個(gè)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(shí)， 磁場(chǎng)區(qū)向霍爾元件移動(dòng)。器件是受到最近的磁場(chǎng)影響，當(dāng)與南極磁場(chǎng)相對(duì) 時(shí)，打開，當(dāng)與北極磁場(chǎng)相對(duì)時(shí)，關(guān)閉。注意器件的打字面面向磁鐵。圖 1 兩個(gè)雙極型器件與環(huán)形磁鐵的使用磁場(chǎng)開關(guān)點(diǎn)的定義：B 為磁場(chǎng)強(qiáng)度，用來表示霍爾器件的開關(guān)點(diǎn)，單位是 GS（高斯）， 或者 T （特斯拉），轉(zhuǎn)換關(guān)系是 1GS=0.1mTB 磁場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)為負(fù)數(shù)，南極磁場(chǎng)為正數(shù)。該關(guān)系可以比較南極北極磁場(chǎng)的代數(shù)關(guān) 系，磁場(chǎng)的相對(duì)強(qiáng)度是由 B 的絕對(duì)值表示，符號(hào)表示極性。例

3、如：一個(gè)-100GS （北極）磁場(chǎng)和一個(gè) 100GS（南極）磁場(chǎng)的強(qiáng)度是相同的，但是極性相反。-100GS 的強(qiáng)度要高于-50GS。? BOP -磁場(chǎng)工作點(diǎn)；使霍爾器件打開的磁場(chǎng)強(qiáng)度。器件輸出的參數(shù)取決 于器件的電學(xué)設(shè)計(jì)。? BRP -磁場(chǎng)釋放點(diǎn)；使霍爾器件關(guān)斷的磁場(chǎng)強(qiáng)度。器件輸出的參數(shù)取決 于器件的電學(xué)設(shè)計(jì)。HflJI I-CS? BH YS -磁開關(guān)點(diǎn)滯回窗口。霍爾元件的傳輸功能利用開關(guān)點(diǎn)之間的這 個(gè)差值來過濾掉在應(yīng)用中可能由于機(jī)械振動(dòng)或電磁噪聲引起磁場(chǎng)的小的 波動(dòng)值。 BHYS= | BOP - BRP |.典型工作狀態(tài)雙極性開關(guān)通常有一個(gè)正的 BOP 和一個(gè)負(fù)的 BRP 但是這兩個(gè)開

4、關(guān)點(diǎn)不是正好關(guān)于 B=0 磁場(chǎng)對(duì)稱的，這一特點(diǎn)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(gè)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(diǎn)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(fù)）磁場(chǎng)的交 替變化穩(wěn)定得到。當(dāng)磁場(chǎng)移走時(shí)，電路關(guān)斷，但是為了確保釋放，需要外 加一個(gè)相反的磁場(chǎng)。例如一個(gè)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(diǎn)的器件。 圖 2 的頂部的曲線

5、“最小 B”表示一個(gè)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(gè)工作模式的不同：? “鎖存模式”描述為任何一個(gè)有正值 BOP 和負(fù)值 BRP 的雙極性開關(guān)，像 霍爾鎖存型開關(guān)那樣需要兩個(gè)磁場(chǎng)來完成操作 （但是該設(shè)備的狀態(tài)實(shí)際沒 有鎖存）? “單極模式”描述為任何一個(gè) BOP 和 BRP 均為正值（南極）的雙極性開 關(guān)? “負(fù)單極模式” （有時(shí)被稱為“負(fù)開關(guān)”模式）描述為任何一個(gè)BOP和 BRP 勻?yàn)樨?fù)值（北極）的雙極性開關(guān)釋放點(diǎn)的磁通量密度不重要，因?yàn)榇艠O過去了，霍爾開 關(guān)沒有切換，磁通量強(qiáng)度接近 0，當(dāng)下一個(gè)磁極開始增加相反的磁場(chǎng)時(shí)， 霍爾開關(guān)將會(huì)關(guān)斷。雙極霍爾開關(guān)利用這個(gè)在釋放

6、點(diǎn)磁通量額外的幅值， 取得較低的工作的點(diǎn)通量密度，把它應(yīng)用在環(huán)形磁鐵上有很大的優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)的范圍從圖 2 的 Vout 我們可以看到，對(duì)于這些模式，每個(gè)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(gè)工作于鎖存模式的雙極性開關(guān)具有幾乎對(duì)稱的開關(guān)點(diǎn)。當(dāng)它在相等的間距環(huán)形 磁鐵的兩極工作時(shí)，它的占空比將趨向完美。話雖如此，即使開關(guān)點(diǎn)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(huì)接近 50%對(duì)于電動(dòng)機(jī)換相來說，這個(gè)是有優(yōu)勢(shì)的， 因?yàn)樾时容^高。器件有單極模式，南極磁場(chǎng)控制工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)，北極 磁場(chǎng)不起作用，在這種模式下，器件擁有40%勺占空比。器件在負(fù)單極模式，北極磁場(chǎng)控制工作點(diǎn)和釋放點(diǎn)，南極磁場(chǎng)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(qǐng)注意，開關(guān)點(diǎn)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(qǐng)注意，開關(guān)點(diǎn)遲滯區(qū) BHYS 在 B=0 的右邊，北極磁場(chǎng)對(duì)器件無影響磁場(chǎng)強(qiáng)度 B （G）圖 3C，負(fù)單極模式的特性曲線請(qǐng)注意，開關(guān)點(diǎn)遲滯區(qū) BHYS 在 B=0 的左邊，南極磁場(chǎng)對(duì)器件無影響磁鐵一個(gè)磁鐵可以提供兩個(gè)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(gè) 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(gè)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(jí)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(gè) 4 極環(huán) 形磁鐵包含兩個(gè)南極兩個(gè)北極（N-S-N-S ），一個(gè) 11 個(gè)磁極/英寸的條形 磁鐵在每間隔 0.0909 英寸就有一個(gè)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(gè)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(fù)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(chǎng)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(yán)重的話，會(huì)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(duì)于沒有斬波穩(wěn)定的設(shè)計(jì)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(gè) 0.01 yF 的電容。?對(duì)于斬波穩(wěn)定設(shè)計(jì)，必須在電源和地之間放置一個(gè)0.1 yF 的電容，建議在輸出和地面之間放置一個(gè)一個(gè) 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(chǎng)大于 BOP 或者小于 BRP 的情況下，雙極器件才能上電在一個(gè)有效的狀態(tài)。如果磁場(chǎng)強(qiáng)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(gè)開關(guān)點(diǎn)，達(dá)到第一個(gè)正確 的狀態(tài)。器件可以設(shè)計(jì)一個(gè)上電邏輯使器件在開關(guān)點(diǎn)到達(dá)之前，一直處于 關(guān)閉狀態(tài)。上電時(shí)間上電時(shí)間某種程度上取決于器件的設(shè)計(jì)，數(shù)字輸出傳感器IC,如雙極器件，達(dá)到初始穩(wěn)定的上電時(shí)間如下：有斬波放大器設(shè)計(jì)的器件，上電時(shí)間v25us，沒有斬波放大器設(shè)計(jì)的器件v4us。一般說來，在通電之后經(jīng)歷這段時(shí)間之前，器件的輸出可能處于一個(gè)不正確的狀態(tài)，但是，經(jīng)過這 段時(shí)間之后，器件的輸出肯定處于一個(gè)正確的狀態(tài)。功耗總功耗是兩個(gè)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(gè)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