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。在傳統的單通道斬波儀表中，放大器經常出現高頻通路，并且要將傳統的低通濾波結構改進，應用紋波消除環路，解決失調電壓噪聲的問題。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，其準確優化的優勢被廣泛的使用在工業汽車、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據。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放大器相比，有著精準度高、噪聲低、多模抑制等優勢，它能夠增加高頻通道形成雙通道架構，使整體系統不斷擴大。運用斬波技術與旋轉電流技術，從而讓霍爾盤運效正常工作，電壓噪聲失去調整。為防止將紋波幅度輸出，要引入紋波消除環路，減小紋波。霍爾電流傳感器讀出電能并消除電路失調電壓，從而獲取更多系統寬帶。

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中應用主要是在醫療保健、電子工業和國土安全中使用，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中，占據總份額的40%，或者電流傳感器在汽車中應用、在防爆制動系統和引擎控制系統中使用。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展。霍爾電流傳感器有著優勢和價格，在今后會得到更好的發展。霍爾電流傳感器ic能夠取替傳統電機電刷，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，要根據應用的不同，來明確電流傳感器的性能參數，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，為了實現此目標需要重視低溫度系數、尺寸等內容，通過磁場來驗證相關內容。

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現，但卻并未得到發展。半導體技術發展快，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，已經在醫療衛生，農業，環保等領域應用。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，我國企業只能提供制造和解決的方案，但設計工作遠遠落后西方發達國家。我國市場發展快，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應用不同，來選擇對應的霍爾傳感器參數，同時也要選擇適當的霍爾傳感器技術。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，通過反應性能規格進行驗證。比如使用硅集成技術和溫度補償技術調節集成電路的線性內容。

三、分析和設計電路

（一）單通道帶斬波儀表放大器

傳統單通道帶轉播儀表放大器結構中，霍爾盤輸出信號在通過首個轉播器調制后能夠成為另一頻率信號，此調制信號能夠能夠轉換為首個失調電壓，從而放大數倍。第二個斬波器調解至原頻率處，運放失調電壓會讓首個斬波器調制。最后的低通濾波器轉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，為了能夠將濾波電路失調，電壓噪聲消除，斬波頻率需要比低通濾波器的寬帶大。傳統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，一個是旋轉霍爾傳感器的低頻通道，另一個是非旋轉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百倍閉環增益電容耦合儀表，二級運算放大器需要應用1/5閉環增益的反向放大器。一般情況，低頻通道只能應用斬波技術和旋轉電流技術，若是通道帶寬一致，則兩倍閉環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所決定，甚至頻率會小于旋轉頻率。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，使霍爾傳感器產生失調電壓的問題。霍爾傳感器中產生的霍爾信號要應用放大器放大儀表，但也會出現噪聲。旋轉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性工作，調節霍爾電壓到頻率處，并且失調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。并且要計量失調電壓，進而計量交流信號。使用低通濾波器將交流失調電壓消除。在處理旋轉電路的電流后，霍爾電壓也要用作AC信號，維持失調電壓處在DC狀態，因此失調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信號失去作用，同時各相位數值存在差異。通過旋轉電流技術，會把失調信號變為AC變量，使用電容而被放大。在調節后，失調信號和運放失調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，2019，38（05）：74-76+79.