霍尔电流传感器的读出电路设计研究

马志愿

摘要：霍尔电流传感器有着小尺寸、低成本和低功耗的特征，同时也有着高可靠性等优点，广泛应用在航空航天、汽车电子等多个领域。低噪声霍尔电流传感器读出电路有着重要作用。它能够把磁信号换成电信号，但产生信号弱，要合理应用高精度仪表处理该信号。本文主要阐述霍尔电流传感器的读出电路设计内容，仅供参考。

关键词：霍尔电流传感器;读出电路;设计研究

霍尔电流传感器电路的核心技术为旋转电流技术和斩波技术，两项技术的主要特征是噪声少、精准度高。在传统的单通道斩波仪表中，放大器经常出现高频通路，并且要将传统的低通滤波结构改进，应用纹波消除环路，解决失调电压噪声的问题。合理使用互补金属氧化物半导体技术来进行仿真电路设计和验证，确保仿真噪声功率密度符合高精度霍尔电流传感器电路读出标准。

一、阐述霍尔电流传感器装置相关内容

霍尔电流传感器有着小尺寸、低成本和低功耗的特征，其准确优化的优势被广泛的使用在工业汽车、电子、航天控制等各领域。霍尔电流传感器能够检测到高频率信号，目前分析霍尔电流传感器工作的带宽方式，属于近些年来的研究热点。霍尔电流传感器不仅输送的信号弱，同时也会掺杂其他的干扰信号，因此需要在微弱信号上方叠加共模电压，以便于能够更快的读出数据。选择高精度仪表放大器，才能够更快处理微弱信号。高精度仪表放大器和传统放大器相比，有着精准度高、噪声低、多模抑制等优势，它能够增加高频通道形成双通道架构，使整体系统不断扩大。运用斩波技术与旋转电流技术，从而让霍尔盘运效正常工作，电压噪声失去调整。为防止将纹波幅度输出，要引入纹波消除环路，减小纹波。霍尔电流传感器读出电能并消除电路失调电压，从而获取更多系统宽带。

二、霍尔电流传感器的使用情况

霍尔电流传感器的需求在近些年来不断上升，它主要应用的是数字技术，让霍尔电流传感器具有磁场探测的效率和性能。霍尔电流传感器在各行业中应用主要是在医疗保健、电子工业和国土安全中使用，它能够和计算机程序结合，变成最大的使用市场。霍尔电流传感器主要是应用在汽车工业中，占据总份额的40%，或者电流传感器在汽车中应用、在防爆制动系统和引擎控制系统中使用。在运动探测中合理使用霍尔电流传感器的电子配件和机械配件，能够明确目标四周事物情况和位置变化情况。使用关闭运动模式和开启离散模式探测物体速度、幅度等相关内容，在设备中，霍尔电流传感器属于指南针，同时也有着对应的GPS解决方案，加速霍尔电流传感器的发展。霍尔电流传感器有着优势和价格，在今后会得到更好的发展。霍尔电流传感器ic能够取替传统电机电刷，此项技术应用在电机中比较快。霍尔电流传感器能够满足性能指标，比如分辨率、灵敏度等。在开关和距离探测使用中能够探测到磁场强度，同时在储存应用中的磁场强度适当，要根据应用的不同，来明确电流传感器的性能参数，选择对应的霍尔电流传感技术，在设计霍尔电流传感器中信号处理电路包含了多种性能指标，制造和设计指定的传感器反应，其性能规格要通过合适的测试方法进行验证，比如在设计霍尔电流传感器工作的温度适当，为了实现此目标需要重视低温度系数、尺寸等内容，通过磁场来验证相关内容。

霍尔电流传感器作为基础的传感器，它最早是在金属材料中发现，但却并未得到发展。半导体技术发展快，同时有着显著的霍尔效应，能够让霍尔传感器得到快速发展。霍尔电流传感器被应用在压力、加速度和电磁等技术的测量中。霍尔电流传感器的主要工作方向是系统化、集成化和微型化，同时也朝着可靠性新型材料的方向应用，有着成熟的市场，已经在医疗卫生，农业，环保等领域应用。我国霍尔电流传感器目前有着较强的工作势头，在设计和制造研究过程中具有设计能力和研究能力。霍尔芯片制作范围内，我国企业只能提供制造和解决的方案，但设计工作远远落后西方发达国家。我国市场发展快，同时对霍尔传感器的需求在不断上升。霍尔电流传感器要根据应用不同，来选择对应的霍尔传感器参数，同时也要选择适当的霍尔传感器技术。霍尔电流传感器指标包含着技术可能性指标、制造成本、温度、湿度、霍尔传感器几何形状、磁感应灵敏度特性等内容。在设计霍尔电流传感器时，需要重点处理此些信号，明确性能指标，从而开展制定传感器性能工作，通过反应性能规格进行验证。比如使用硅集成技术和温度补偿技术调节集成电路的线性内容。

三、分析和设计电路

（一）单通道带斩波仪表放大器

传统单通道带转播仪表放大器结构中，霍尔盘输出信号在通过首个转播器调制后能够成为另一频率信号，此调制信号能够能够转换为首个失调电压，从而放大数倍。第二个斩波器调解至原频率处，运放失调电压会让首个斩波器调制。最后的低通滤波器转播技术能够消除低频的噪声，但要保证斩波频率高于首个噪声转角频率。为确保会信号不被低通滤波器所影响，出路的信号频率要比低通滤波器的宽带小，为了能够将滤波电路失调，电压噪声消除，斩波频率需要比低通滤波器的宽带大。传统单通道斩波仪表的放大器结构信号宽度是由低通滤波器带宽所影响[1]。

（二）设计系统级结构电路

本文提出的霍尔电流传感器读出电路结构由两个信号通道构成，一个是旋转霍尔传感器的低频通道，另一个是非旋转霍尔传感器的高频通道。为使两个通道增益有着匹配性，要合理应用运算霍尔盘和放大器结构。初级运算放大器需要使用数百倍闭环增益电容耦合仪表，二级运算放大器需要应用1/5闭环增益的反向放大器。一般情况，低频通道只能应用斩波技术和旋转电流技术，若是通道帶宽一致，则两倍闭环增益输出级能够自由的将低频和高频路径组合在一起。低频路径若是有波纹产生，则纹波消除回路感应，同时使用虚拟段接地段补偿电流，同时更好的抑制。在输出的一层低通滤波器会将残余的纹波消除。在低频路径中，要使用高频路径填充低频路径纹波消除回路。并且也要综合芯片因素，高频路径和低频路径交叉频率设置2000Hz，此输出时间一般是由常数所决定，甚至频率会小于旋转频率。为使两项通路有着平滑频率曲线，要保证相关波特曲线有着匹配性[2]。

（三）旋转电流技术

霍尔盘应用N型工艺制作而成，所含有的四个端口能够制作惠斯通电桥。霍尔盘的掺杂浓度不均匀，并且设置深度也有所不同，使霍尔传感器产生失调电压的问题。霍尔传感器中产生的霍尔信号要应用放大器放大仪表，但也会出现噪声。旋转电流技术要应用霍尔元件控制输出端的位置，并且也要将电压性能改变。应用周期性特征开展循环性工作，调节霍尔电压到频率处，并且失调电压应在原频率上保持，确保霍尔元件输出电压和直流失调电压、交流霍尔电压相同。斩波器滤器可以计量霍尔电压，进而计量出直流信号。并且要计量失调电压，进而计量交流信号。使用低通滤波器将交流失调电压消除。在处理旋转电路的电流后，霍尔电压也要用作AC信号，维持失调电压处在DC状态，因此失调电压一般情况会被输入电容遏制[3]。霍尔盘N阱有着不匹配性，会让霍尔传感器的失调信号失去作用，同时各相位数值存在差异。通过旋转电流技术，会把失调信号变为AC变量，使用电容而被放大。在调节后，失调信号和运放失调电压会以方波模式在第二级输出端存在。应用感应电阻器，第二级输出端电压纹波变成电流纹波[4]。

结束语：

综上所述，霍尔电流传感器读出电路的特征主要是低噪声和高精度，确保设计仿真结果符合要求，同时将开关电容陷波滤波器应用其中，解决消除电压噪声的目地。

参考文献：

[1]李鑫. 高性能霍尔电流传感器芯片设计[D].西安科技大学，2021.

[2]李致铭，兰哲冲，金楷越，张杰，张鸿.寄生电容自适应抑制的飞法级电容传感器读出电路[J].西安交通大学学报，2021，55（05）：154-161.

[3]刘嵘侃，邢德智，唐昭焕，徐炀.低噪声CMOS图像传感器技术研究综述[J].半导体光电，2020，41（06）：768-773.

[4]刘章旺，魏榕山.基于霍尔电流传感器的读出电路设计[J].传感器与微系统，2019，38（05）：74-76+79.