霍爾效應(yīng)原理與霍爾IC輸出特性圖詳細(xì)分析

什么是霍爾效應(yīng)？霍爾效應(yīng)傳感器的工作原理是什么？

霍爾效應(yīng)是測量磁場最常用的方法，霍爾效應(yīng)傳感器非常受歡迎，并具有許多當(dāng)代應(yīng)用。例如，它們可以作為輪速傳感器以及曲軸或凸輪軸位置傳感器在車輛中找到。此外，它們還經(jīng)常用作開關(guān)、MEMS指南針、接近傳感器等。現(xiàn)在我們將介紹其中的一些傳感器，看看它們是如何工作的，但首先讓我們解釋一下什么是霍爾效應(yīng)。

什么是霍爾效應(yīng)？

以下是解釋霍爾效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)：如果我們有薄導(dǎo)電板，如圖所示，并且我們?cè)O(shè)置電流流過它，電荷載流子將從板的一側(cè)直線流向另一側(cè)。

現(xiàn)在，如果我們?cè)诎甯浇鼛硪恍┐艌?，我們?huì)由于一種稱為洛倫茲力的力而擾亂電荷載流子的直線流動(dòng)。在這種情況下，電子將偏轉(zhuǎn)到板的一側(cè)，而正空穴將偏轉(zhuǎn)到板的另一側(cè)。這意味著如果我們現(xiàn)在在其他兩側(cè)之間放置一個(gè)儀表，我們將得到一些可以測量的電壓。

因此，正如我們上面所解釋的，獲得可測量電壓的效果被稱為霍爾效應(yīng)，以埃德溫·霍爾（Edwin Hall）的名字命名，他在1879年發(fā)現(xiàn)了它。

霍爾效應(yīng)傳感器

霍爾效應(yīng)磁傳感器的基本霍爾元件大多提供每高斯僅幾微伏的非常小的電壓，因此，這些器件通常使用內(nèi)置高增益放大器制造。

霍爾效應(yīng)傳感器有兩種類型，一種提供模擬輸出，另一種提供數(shù)字輸出。模擬傳感器由穩(wěn)壓器、霍爾元件和放大器組成。從電路原理圖中我們可以看到，傳感器的輸出是模擬的，與霍爾元件輸出或磁場強(qiáng)度成正比。這些類型的傳感器因其連續(xù)的線性輸出而適合并用于測量接近度。

另一方面，數(shù)字輸出傳感器僅提供兩種輸出狀態(tài)，即“ON”或“OFF”。這些類型的傳感器有一個(gè)附加元件，如電路原理圖所示。這就是施密特觸發(fā)器，它提供遲滯或兩個(gè)不同的閾值電平，因此輸出要么高要么低。有關(guān)施密特觸發(fā)器如何工作的更多詳細(xì)信息，您可以查看我的特定教程。

此類傳感器的一個(gè)例子是霍爾效應(yīng)開關(guān)。它們通常用作限位開關(guān)，例如在3D打印機(jī)和CNC機(jī)器中，以及用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中的檢測和定位。

這些傳感器的其他當(dāng)代應(yīng)用包括測量車輪/轉(zhuǎn)子速度或轉(zhuǎn)速，以及確定曲軸或凸輪軸在發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中的位置。這些傳感器由霍爾元件和永磁體組成，永磁體放置在連接在旋轉(zhuǎn)軸上的齒盤附近。

傳感器和圓盤齒之間的間隙非常小，因此每次齒經(jīng)過傳感器附近時(shí)，它都會(huì)改變周圍的磁場，從而導(dǎo)致傳感器的輸出變高或變低。因此，傳感器的輸出是方波信號(hào)，可以很容易地用于計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的RPM。

霍爾效應(yīng)是最常見的測量磁場的方法，霍爾效應(yīng)是磁電效應(yīng)的一種，這一現(xiàn)象是霍爾（A.H.Hall 1855—1938）于1879年在研究金屬的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)的。后來發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體、導(dǎo)電流體等也有這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)比金屬強(qiáng)得多，利用這現(xiàn)象制成的各種霍爾器件，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)、檢測技術(shù)及信息處理等方面。

霍爾效應(yīng)傳感器器件分為：霍爾元件（Hall element）和霍爾集成電路（Hall IC）兩大類，前者是一個(gè)簡單的霍爾片，使用時(shí)常常需要將獲得的霍爾電壓進(jìn)行放大。后者將霍爾片和它的信號(hào)處理電路集成在同一個(gè)芯片上。霍爾集成電路是隨著半導(dǎo)體集成電路工業(yè)的發(fā)展近20年才出現(xiàn)的產(chǎn)品，但因它體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高，耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污污染，成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其得到了極其廣泛的應(yīng)用。

霍爾集成電路有很多其他稱呼， 如：霍爾效應(yīng)集成電路（Hall Effect IC），霍爾效應(yīng)傳感集成電路（Hall Effect Sensor IC），霍爾傳感器（Hall Sensor），霍爾電路，霍爾IC。Hall有時(shí)也被翻譯成霍耳，所以也可稱霍耳集成電路等。以下簡稱霍爾IC。

霍爾IC通常按輸出信號(hào)類型分為數(shù)字霍爾IC和線性霍爾IC。數(shù)字霍爾IC通過外部磁場的強(qiáng)弱控制輸出導(dǎo)通或關(guān)斷，類似開關(guān)的作用，因此常稱為開關(guān)型霍爾IC。線性霍爾IC輸出為模擬信號(hào)，輸出電壓與外部磁場的強(qiáng)弱通常成線性關(guān)系。

開關(guān)型霍爾IC常又分為單級(jí)型霍爾IC（Unipolar）、鎖定型霍爾IC（Latch）、雙級(jí)型 霍爾IC（Bipolar）、全級(jí)型霍爾IC（Omnipolar）四類。為便于說明，按通常約定，當(dāng)外加 磁場的南極（S極）接近霍爾IC打有標(biāo)志的一面時(shí)，作用到霍爾IC上的磁場方向?yàn)檎?，?dāng)北極 （N極）接近標(biāo)志面時(shí)，磁場為負(fù)。

單級(jí)型霍爾IC：經(jīng)常被稱為開關(guān)霍爾IC、霍爾開關(guān)（Hall Switch）、霍爾效應(yīng)開關(guān)（Hall Effect Switch）。只對(duì)單個(gè)磁極（常為S極）有響應(yīng)。如圖1，大多數(shù)單極霍爾IC，當(dāng)S極面向標(biāo)記面，且施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B超過工作點(diǎn)（BOP）時(shí)（即B》BOP》0），輸出導(dǎo)通， 輸出由高變低。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱低于釋放點(diǎn)（BRP）（即0

圖1 單極型霍爾 IC 輸出特性圖

鎖定型霍爾IC：必須S極和N極交替作用于霍爾IC。如圖2，大多數(shù)鎖存型霍爾IC，當(dāng) S極面向標(biāo)記面，且施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過工作點(diǎn)（BOP）（即B》BOP》0）時(shí)，輸出導(dǎo)通， 輸出由高變低。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱直至撤除（B=0），輸出保持導(dǎo)通。當(dāng)N極面向標(biāo)記面，且施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過釋放點(diǎn)（BRP）（即B

圖2 鎖存型霍爾 IC 輸出特性圖

全級(jí)霍爾IC：是較新出現(xiàn)的類型，將S極和N極等同對(duì)待。一般情況下，如圖3，任何一 個(gè)磁極面向標(biāo)記面，且施加的磁感應(yīng)強(qiáng)度B超過工作點(diǎn)（BOP）（即|B|》BOP）， 輸出導(dǎo)通， 輸出由高變低。當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度減弱低于釋放點(diǎn)（BRP）（即|B|

圖3 全極型霍爾 IC 輸出特性圖

雙級(jí)型霍爾IC：是比較早期的一種類型，最初因半導(dǎo)體工藝限制，生產(chǎn)出較的霍爾IC靈敏度分布范圍很大，一致性差。同一型號(hào)霍爾，如圖4，部分是鎖存型的（中間曲線），部 分是單極型的（右邊曲線），部分是N極單極型的（右邊曲線），是三種的混合體。往往指標(biāo)只給出最大BOP（》0）和最小BRP（

圖4 雙極型霍爾 IC 輸出特性圖

線性霍爾IC：輸出為模擬信號(hào)，輸出電平在一定的范圍類與外加磁場成線性關(guān)系，稱為線性磁場范圍。外加磁場超出線性磁場范圍，將不再成線性關(guān)系，直至輸出飽和，有最低 輸出飽和電壓和最高輸出飽和電壓。

圖5 線性霍爾 IC 輸出特性圖

以上是簡單常用的霍爾IC，除了這些，近幾年還出現(xiàn)了一些集成度高、功能復(fù)雜的專用霍爾 IC，如差分霍爾IC（雙霍爾 IC），集成 ADC、DAC 和信號(hào)處理電路的旋轉(zhuǎn)位置傳感器、三軸位置傳感器，集成了電機(jī)控制和驅(qū)動(dòng)電路的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。此外，利用霍爾原理設(shè)計(jì)的電流傳感器IC也是霍爾IC的一大類別。