霍尔集成电路的原理与应用

Jacktang

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霍尔集成电路是霍尔元件与电子线路一体化的产品，它是由霍尔元件、放大器、温度补偿电路和稳压电路利用集成电路工艺技术制成的。它能感知一切与磁有关的物理量，又能输出相关的电控信息，所以霍尔集成电路既是一种集成电路，又是一种磁敏传感器，它一般采用DIP或扁平封装。

一、霍尔集成电路的原理

当将一块通电的半导体薄片垂直置于磁场中时，薄片两侧由此会产生电位差，此现象称为霍尔效应。此电位差称为霍尔电势，电势的大小E=KIB/d，式中K是霍尔系数，d为薄片的厚度，I为电流，B为磁感应强度。图1示出霍尔效应的原理：在三维空间内，霍尔半导体平板在XOY平面内，它与磁场方向垂直，磁场指向Y轴的方向，沿X轴方向通以电流I，由于运动的电荷与磁场的相互作用，结果在Z轴方向上产生了霍尔电势E，一般其值可达几十毫伏。为此，将霍尔元件与电子线路集成在一块约2mm*2mm的硅基片上，就做成了温度稳定性好、可靠性高的霍尔集成电路。

二、典型霍尔集成电路结构分析

霍尔集成电路按输出方式可分为线性型和开关型，若按集成电路内部的有源器件可分为双极型和MOS型。图2、图3分别示出了一种双极型霍尔集成电路内部的原理结构和逻辑结构，图2为开关型的，图3为线性型的。

在图2中IC内通过霍尔元件H的磁性检测反映为高低电平的输出。V1、V2组成差分放大器，它将霍尔电势放大，其放大倍数约几十倍;V3、V4组成施密特触发器，它将放大的霍尔电势整形为矩形脉冲;V5、V6进一步对矩形脉冲缓冲放大;V7、V8为开路集电极输出管。图2a中有两个输出端，这里之所以采用集电极开路输出结构，是因为它可以有较大的负载能力，且易于与不同类型的电路接口，但亦有部分霍尔集成电路采用发射极开路输出形式，如图2b、2c所示。

图3所示是线性霍尔集成电路的内部结构，其输出电压能随外加磁场强度的变化而连续变化，其输出变化曲线一般如图4所示。它的特点是灵敏度高，输出动态范围宽、线性度好。图3a中V1、V2为差分放大器，R1、R2射极电阻的负反馈展宽了电路的线性范围，V5、V6第二级差分放大使放大倍数很高。有的线性霍尔集成电路还设置了引出端外接电位器进行补偿、调零或改变电路的灵敏度。

三、霍尔集成电路的应用

霍尔集成电路具有无触点、无磨损、无火花、低功耗、寿命长、灵敏度高、工作频率高的特点，它能在各种恶劣环境下可靠稳定地工作。对于开关型霍尔IC，其最基本的应用是作为一种接近开关，如可用作霍尔无触点开关、限位开关、方向开关、压力开关、转速表等;线性型霍尔IC可用于非接触测距、无触点电位器、无刷马达、磁场测量的高斯计、磁力探伤等。

对于开关型霍尔IC，其输出端内部一般为开路集电极晶体管或开路发射极输出器形式，因此它能方便地与各种负载配接，如可直接驱动晶体管、LED、光电耦合器、单双向晶闸管和小电流继电器等，并能和TTL及CMOS数字电路、PLC输入口、固态继电器、各种交直流电子开关接口。图5~图6示出各种驱动接口方式，其中图5中的霍尔IC为开路集电极输出，图6中的霍尔IC为开路发射极输出形式。

四 、 应用实例及电路

(1)霍尔电势E=KIB/d，在实用中k I d值都是固定的，E是B的线性函数，即把磁通量，由于线性霍尔集成电路的输出电量随其检测的磁感应强度而线性变化，所以用微安计即可测得磁场的高斯量。

(2)由于电场的存在必然产生磁场，同样地可以用线性霍尔IC来对交直流电流的变化进行检测。如图8标准磁铁芯有一缺口，其上有线圈并通有检测电流，这时线圈产生的磁场即可被芯隙处的线性霍尔IC感测同时输出指示。利用这种方法还可进行过流，过压及欠压保护，其中霍尔IC亦可使用开关型的。

(3)在两块不同的极性的磁铁中心的磁感应强度为零，放置其中的线性霍尔IC产生偏离某一侧的位移时，霍尔IC的输出电压将与其位移量成正比，所以通过这种方法可测量使杆梁位移的力的大小。

(4)霍尔IC在无刷直流电机中代替电刷起电流换向作用，它克服了使用电刷所引起的噪声大，易磨坏，寿命短等缺陷，其中R是无刷电机的永久磁铁转子。互相垂直的直径方向上的H1，H2是两块霍尔线性IC，它们分别控制四个能依次给定子线圈L1-L4提供电流的晶体管。

(5) 测量转数的方法如图11所示。把小磁铁固定在旋转体上，每转一周霍尔IC便输出一个脉冲，用计数器测量脉冲数便可得转数，单位时间内的转数即转速。

(6)图12为霍尔液位控制方法。在浮子上固定一磁铁，当液位上升，磁铁靠近霍尔开关集成电路A时，A的状态翻转，控制电路使水泵停止工作，当池中液位下降使浮子上磁铁作用于霍尔开关B时，控制电路使水泵工作。

(7)无触点电位器的应用电路如图13所示。霍尔线性IC与双基极二极管组成一张弛震荡器，该震荡器输出脉冲的形成及两个脉冲的间隔取决于霍尔IC的输出电压，用霍尔IC来控制双向可控硅的导通角，可以起到调功的作用。

(8)汽车电子点火器电路如图14所示。当汽车的起动磁钢作用于霍尔IC时，开关型IC即输出低电平，V1，V2突然截止，储存于L中的磁能在L，C2槽路产生震荡，形成约200V的交变电压，又经整个L升压产生15kV以上的高压，生成电火花，点燃汽车汽缸中的燃油。

(9)无触点交流开关如图15所示。当磁铁靠近霍尔开关IC时，SCR截止;磁铁离开后，单向可控硅导通，负载继续工作。

(10)无线防盗报警器如图16所示。门窗上的小磁铁靠近霍尔开关IC时，IC输出低电平，V因无扁置而截止;但当门窗发生位移时，小磁铁与IC分离，V通过R2获得偏置，电路起振，向外发出无线电报警信号。

五、霍尔IC的使用注意事项

1、霍尔集成电路的使用电压范围较宽，但实用时电压宜低不宜高，一般在4.5-6V为宜，过高的电源电压会引起电路的温升而使电路工作不稳定。

2、开关型霍尔IC驱动负载时，其负载电流应小于霍尔IC的负载能力。为了使霍尔的输出电压幅度大，一般其输出端加接较大阻值的负载电阻。

3、霍尔IC驱动的负载能力为感性时，应在输出端加接续流二极管。

4、驱动与霍尔IC不同的电平的负载时最好加接隔离与缓冲级，可利用光电耦合器或加三极管驱动级。

5 长距离传输霍尔IC信号时，可在开关输出与地之间加接一只退耦电容器，消除干扰脉冲;传送线性霍尔IC的输出信号应使用同轴电缆线，但最长不可大于几十米。

6 大多数霍尔IC的磁感应距离在5-10毫米，须在实用时加以控制，并安置的发信磁钢应与霍尔IC的感应点正对，减小磁路磁阻，使发信与检测可靠准确。

7 为了增强开关或线性霍尔IC的磁感应灵敏度，使用时亦可利用小磁钢增强磁偏置或加大发信磁钢的面积。