霍尔效应及其非线性修正(图)

霍尔效应

当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为霍尔电势UH，其表达式为
UH=K·Ia·B/d

其中K为霍尔系数，Ia为薄片中通过的电流，B为外加磁场(洛伦兹力Lorrentz)的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。其中，磁场中金属板的霍尔效应，纯金属的霍尔系数比较小，而半导体材料的霍尔系数要大几个数量级，因此一般使用硅、锗、砷化铟、锑化铟等半导体材料作为霍尔元件。

图1 S-5711ANDL-I4T1G引脚排列图

其中，无接触传感将是大势所趋，在无接触型传感器中，凭借着高可靠性等优势，霍尔效应传感器(Hall Effect Sensor)在汽车领域也赢得广泛的应用空间。霍尔电流传感器的优点是电路形式简单，成本相对较低。缺点是精度，线性度较差，响应时间较慢，温度漂移较大。本文主要针对霍尔电流传感器的非线性问题讨论了减小非线性度的修正方法。

修正方法分析

现以集成S-5711ANDL-I4T1G霍尔传感器为例说明修正方法。

1 S-5711A简介

S-5711A系列是采用CMOS技术开发的高灵敏度、低消耗电流的霍尔IC(磁性开关IC)。可检测出磁束密度的强度，使输出电压发生变化。通过与磁石的组合，可进行各种设备的开/关检测。

①S-5711ANDL-I4T1G引脚排列图如图1所示。

②S-5711A工作特性

S-5711A系列霍尔集成传感器的工作特性曲线如图2所示。若将磁石靠近传感器IC，针对此IC的标记面，当垂直方向的磁束密度超过BOPN或BOPS时，VOUT从“H”转变为“L”；若将磁石远离此IC，当磁束密度低于BRPN或BRPS时，VOUT从“L”转变为“H”。

由霍尔开关集成传感器的一般工作特性可知，磁滞BH对开关动作的可靠性非常有利。霍尔开关集成传感器的工作特性曲线反映了外加磁场与传感器输出电平的关系。当外加磁感应强度大于“开”的磁感应强度时，输出电平由高变低，传感器处于开状态。当外加磁感应强度小于释放点“关”的磁感应强度时，输出电平由低变高，传感器处于关状态。

此类传感器的优点是：不受磁石极性影响，可减少在生产组装时的人为出错；从机械式转到IC开关，其消耗电流低也是一个优点。而其应用环境也很广泛，主要包括手机（滑盖/开合盖/翻盖）等须以感应开合盖或开合组件实现整机系统或模块开关功能的各种场合。

2 修正方法

图2 S-5711A工作特性

S-5711ANDL-I4T1G集成传感器具有高灵敏度，工作温度范围宽(-40～+85℃)等特点。通常，霍尔电压VOUT与磁感应强度B为非线性关系，其绝对线性度为29%。且存在不平衡电压UHe，如果使用不当，必定会影响检测系统的精度。S-5711ANDL-I4T1G芯片内部电路原理如图3所示。

图3 S-5711ANDL-I4T1G芯片内部电路原理

其输出电压由下式所确定:

UH=KHIHBcosθ+KeIH

式中KH——霍尔灵敏度

IH——霍尔传感器驱动电流；

B——磁感应强度；

Cosθ——元件平面法线与B的夹角；

Ke———不平衡系数。

KeIH=UHe称为不平衡电压，（UHe/UH））×100%称为不平衡率，设其为Re。一般霍尔元件的Re为±10%左右。KH和由被检电流产生的B均为非线性因素。消除不平衡电压和改善的非线性度的电路如图4所示。

图4 消除不平衡电压和改善的非线性度的电路

图4中的电流I相当于被检测电流，芯片3脚不用。改变电流I就是改变了磁感应强度B。测试曲线如图5所示。

图5中：曲线1：R14=0；曲线2：R14→∞；曲线3：R14=100Ω。直线4称为理论线性度拟合曲线，是原点（0，0）和限量点Q（3.8，2.4）的连线。曲线1没有加校正电位计RP1，这时不平衡电压UHe=0.3V，不平衡率为Re=（UHe/UH）×100%=(0.3/2.4)×100%=12.5%。
对线性度进行分析如下。

线性度是测量系统静态特性对选定拟合直线y=b+kx的接近程度。

δL=（|Δm|/Ym）×100%

式中Δm——静态特性与选定拟合直线的最大拟合偏差；

Ym——y的限量值。

确定拟合直线的方法不同，δL也不同。本文采用绝对线性度方法，这种方法得到的值一般比最小二乘法线性度的要大。

对于图5中曲线1：|Δm1|=0.7V，限量值Ym=UHm=2.4V，由式δL=（|Δm|/Ym）×100%可知线性度δL1=29%，即对霍尔传感器不加校正电路时，绝对线性度为29%，比较大。电路经过校正后，最佳工作状态为图5中曲线3，有|Δm3|=0.13V，同理δL3=7.6%，可见线性度得到很大的改善。图5中曲线2（R14→∞）：消除了不平衡电压，又获得了良好的线性度。但同时在同样磁感应强度下即同强度被检测电流情况下，输出电压下降，即传感器灵敏度下降，但这个不足可由后级放大器来弥补。

结束语

通过非线性修正，此设计的霍尔电流传感器具备了较高的精度和良好的线性度，实用性强。通过实验和理论分析，文中设计的电路能找出霍尔传感器的最佳线性工作状态，并消除不平衡电压。