双极霍尔效应集成电路基础知识

双极霍尔效应集成电路基础知识介绍：根据数字输出，霍尔效应集成器件可以分为四种：单极性开关 ,双 极性开关，全极性开关和锁存型开关。本文主要来阐述双极性开关。双极性霍尔传感器设计为灵敏开关（请注意这个词“双极”指的是磁 极性，是与双极型半导体芯片结构不相关的）。双极型开关有一致的迟滞 性，但是，不同的器件对发生在正极或者负极的开关点的范围是不同的。 因为需要改变磁场的极性，来确保开关点的切换，并且需要一致的迟滞性 来确保周期，所以需要磁信号改变幅度AB,故而这些器件紧密排列，南 北两极交替使用。应用于检测旋转轴的位置，例如用在无刷直流电动机（无刷）列于图 1，将多个磁铁组成一个简单的结构，采用磁场极性交替“环形磁铁”。 封装好的IC与每个相邻的环形磁铁构成霍尔双极性开关器件。轴旋转时， 磁场区向霍尔元件移动。器件是受到最近的磁场影响，当与南极磁场相对 时，打开，当与北极磁场相对时，关闭。注意器件的打字面面向磁铁。图1 两个双极型器件与环形磁铁的使用磁场开关点的定义：B为磁场强度，用来表示霍尔器件的开关点，单位是GS （高斯），或 者T （特斯拉），转换关系是lGS=O.lmT。B 磁场强度有南极和北极之分，所以有必要记住它的代数关系，北极 磁场为负数，南极磁场为正数。该关系可以比较南极北极磁场的代数关系， 磁场的相对强度是由B的绝对值表示，符号表示极性。例如:-个-100GS（北极）磁场和一个100GS （南极）磁场的强度是相同的，但是极性相反。 -100GS的强度要高于-50GS。 BOP -磁场工作点；使霍尔器件打开的磁场强度。器件输出的参数取决 于器件的电学设计。 BRP -磁场释放点；使霍尔器件关断的磁场强度。器件输出的参数取决 于器件的电学设计。 BHYS -磁开关点滞回窗口。霍尔元件的传输功能利用开关点之间的这 个差值来过滤掉在应用中可能由于机械振动或电磁噪声引起磁场的小的 波动值。 BHYS = | BOP BRP |.典型工作状态双极性开关通常有一个正的BOP和一个负的BRP,但是这两个开关点 不是正好关于 B=0 磁场对称的，这一特点使双极性开关可以比锁存型开关 更灵敏,回差窗口更小。双极开关以前作为一个成本较低的产品来替代锁 存型开关。很少比例（70% ）的双极性开关的开关点是单边的（完全在S 极或者 N 极）。这些特性可以通过南极（正）北极（负）磁场的交替变化 稳定得到。当磁场移走时,电路关断,但是为了确保释放,需要外加一个 相反的磁场。例如一个霍尔器件的最大BOP为45GS，最小的BRP为-40G，回差 窗口最小为15GS。但是，它的最小BOP可以到-25GS,最大BRP可以为30GS。 图2表示拥有这些特征开关点的器件。图2的顶部的曲线“最小AB”表 示一个小的振幅可以引起开关的切换。图 2 表明了双极性开关的三个工作 模式的不同： “锁存模式”描述为任何一个有正值BOP和负值BRP的双极性开关，像 霍尔锁存型开关那样需要两个磁场来完成操作（但是该设备的状态实际没 有锁存） “单极模式”描述为任何一个 BOP 和 BRP 均为正值（南极）的双极性开 关 “负单极模式” （有时被称为“负开关”模式）描述为任何一个 BOP和 BRP 均为负值（北极）的双极性开关释放点的磁通量密度不重要，因为磁极过去了，霍尔开关没有切 换，磁通量强度接近 0，当下一个磁极开始增加相反的磁场时，霍尔开关 将会关断。双极霍尔开关利用这个在释放点磁通量额外的幅值，取得较低 的工作的点通量密度，把它应用在环形磁铁上有很大的优势。BOp(max)BnYsimin) Unipolar mode unitBRP(max)B囂(min) Latch mode unit,Brtys(min) N&gativeunipolar motfeunit BRp(min)Unipcriar mode unitLatch mode unitNegative unipolar mode unit图 2 用于低磁振幅，窄磁极交换的双极型开关的开关点的范围从图 2 的 Vout 我们可以看到，对于这些模式，每个磁极的转换 都是稳定的，随着不同工作模式，输出的占空比不同。一个工作于锁存模 式的双极性开关具有几乎对称的开关点。当它在相等的间距环形磁铁的两 极工作时，它的占空比将趋向完美。话虽如此，即使开关点被扭曲，它的占空比仍然会接近 50%。对于电动机换相来说，这个是有优势的，因为效 率比较高。器件有单极模式，南极磁场控制工作点和释放点，北极磁场不 起作用，在这种模式下，器件拥有 40%的占空比。器件在负单极模式，北 极磁场控制工作点和释放点，南极磁场不起作用，这种模式下，器件拥有 60%的占空比。图 4 显示双极性霍尔开关在三种模式下的输出特性曲线图 3A ，锁存模式的特性曲线请注意，开关点迟滞区 BHYS 包括 B=0oVOUT&fl)V0UT(wi)5at)图 3B ，单极模式的特性曲线请注意，开关点迟滞区BHYS在B=0的右边，北极磁场对器件无影响磁场强度 B （G）图3C，负单极模式的特性曲线请注意，开关点迟滞区 BHYS 在 B=0 的左边，南极磁场对器件无影响磁铁一个磁铁可以提供两个相反的磁极，然而，用环形或者带状的磁铁 更符合成本效益。环形和带状磁铁可以指定间距的使磁极交替变换。一个 环形磁铁是环型或圆盘状（见图 1）径向或轴向磁极交替变化。带状磁铁 是一个磁极交替变换的带状结构。环形磁铁中包含了陶瓷，稀土材料，柔 性材料。带状磁铁总是利用柔性材料，如丁腈橡胶粘合剂含有钡铁，或更 高级的能源稀土材料。环形磁铁有许多的磁极，一般用（磁极/英寸）来定义。一个4 极环 形磁铁包含两个南极两个北极（N-S-N-S）, 个11个磁极/英寸的条形 磁铁在每间隔 0.0909 英寸就有一个磁极交换。极间距离可以从磁铁制造 商那里得到。上拉电阻上拉电阻必须连接在电源和输出引脚之间，上拉电阻的阻值一般是 1-10kQ。最小上拉电阻是传感器最大输出电流（拉电流）和电源的函数。 20mA 是一个最大输出电流的典型值，并在此情况下，最低可拉 VCC / 0.020的负载。如果考虑消耗的电流，上拉电阻可以增大到50-100 kQ。注意：如果上拉电阻过大，那么即使外部的磁场是磁关断状态，电路的输出也将是低电平。这并不是器件的问题，而是在与上拉电阻和传感器 IC 的输出引脚间发生的电流泄露。严重的话，会使大幅降低芯片的输出电压， 使其失去逻辑功能。使用滤波电容参考图 4 中滤波电容的摆放位置，一般来说： 对于没有斩波稳定的设计来说，建议在输出和接地之间以及电源和接地 之间分别放置一个0.01pF的电容。对于斩波稳定设计，必须在电源和地之间放置一个0.1pF的电容，建议 在输出和地面之间放置一个一个0.1pF的电容。RpullupOutputvccHall DeviceVOUT图4 典型应用图上电状态在通电情况下，只有外部磁场大于BOP或者小于BRP的情况下，双 极器件才能上电在一个有效的状态。如果磁场强度是在迟滞带， BOP 和 BRP 之间，器件保持最初的状态，然后经过一个开关点，达到第一个正确 的状态。器件可以设计一个上电逻辑使器件在开关点到达之前，一直处于 关闭状态。上电时间上电时间某种程度上取决于器件的设计，数字输出传感器IC,如双极 器件，达到初始稳定的上电时间如下：有斩波放大器设计的器件，上电时 间V 25us，没有斩波放大器设计的器件V4us。一般说来，在通电之后经历这段时间之前，器件的输出可能处于一个不正确的状态，但是，经过这 段时间之后，器件的输出肯定处于一个正确的状态。功耗总功耗是两个因素的总和： 消耗在器件上的功率，不包括在输出端的功率耗散。这个值的大小是 Vcc 与电源电流 Icc 的乘积。电源电压和电源电流已经在数据表中被指定了。 例如，Vcc=12V, lcc=9mA,功耗为 108 mW。消耗在输出管上的功率，它的大小是饱和导通电压Vonsat与输出电流Ion （由上拉电阻决定）的乘积。如果最坏情况下， Vonsat=0.4， lon=20mA， 功耗为8 mW。由于饱和导通电压的值比较小，所以在输出上的功耗比较 小。在这个例子中消耗的总功率为116mW。利用这个数字来降低数据表 中的额定功率，检查最大允许工作温度是否应该降低。涉及的应用领域直流无刷电机速度传感器脉冲计数器 编码器汽车