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1、课程设计报告年级 05级 专业 集成电路设计与集成系统 班级 5班 姓名同组人姓名 指导老师 陈清法 职称 高级工程师课程名称 磁平衡式霍尔电流传感器课程性质 课程设计设计项目 300A交直流磁平衡式霍尔电流传感器实验要求 必开 1 设计目的1.1 通过对霍尔效应的应用，分析霍尔元件的工作原理，了解霍尔元件的各种特性。1.2 进一步分析以霍尔元件以核心的电流传感器电路，达到把工作状态的大电流转换成可方便测得的小电流的目的。2 设计要求2.1 了解霍尔电流传感器各种性能参数和工作原理。2.2 通过300A交直流磁平衡式霍尔电流传感器转换得的0-150mA小电流测出0-300A的工作电流3 课程设
2、计的进度安排3.1 首先了解传感器的背景和应用。3.2 认识霍尔元件的工作原理。3.3 了解以霍尔元件为核心的传感器的分类3.4 熟悉霍尔传感器的一般性能和参数。3.5 分析霍尔传感器的基本组成和工作原理。3.6 进一步了解300A霍尔电流传感器中的各个元件的作用3.7 总结对本次课题的学习心得和体会3.8 通过整个课题过程所了解到的内容，整理出论文形式的课题报告。- 1 -电子科技大学成都学院课题设计报告4 设计原理及结果摘要: 霍尔电流传感器具有优越的电性能，是一种先进的、能隔离主电路回路和电子控制电路的电检测元件。霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的，它有两种工作方式，即磁平衡式和直式。直
3、式霍尔传感器的优点是电路形式简单，成本相对较低；其缺点是其精度、线性度较差，响应时间较慢，温度漂移较大。为了克服它的不足，上世纪80年代末期，出现了磁平衡式霍尔电流传感器，它一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、（次级线圈）和放大电路等组成。霍尔效应及霍尔器件霍尔效应是霍尔技术应用的理论基础，被测电流In流过导体产生的磁场，由通过霍尔元件输出信号控制的补偿电流Im流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流Im即可精确反映原边电流In值，从而可通过补偿电流值的大小测出原边电流。通过对300A交直流磁平衡式霍尔电流传感器放大电路的分析，了解传感器内部的工作原理。关键词：霍尔效
4、应，霍尔元件，霍尔电流传感器。目录目录第一章 引言4第二章 霍尔电流传感器的发展背景5第三章 霍尔效应和霍尔元件63.1 霍尔效应63.2 霍尔元件7第四章 互感器和霍尔电流传感器84.1 互感器84.2 霍尔电流传感器8第五章 磁平衡式霍尔电流传感器125.1 霍尔电流传感器的分类125.2 磁平衡式霍尔电流传感器的工作原理125.3 磁平衡式霍尔电流传感器的性能参数及特点135.4 使用磁平衡式电流传感器时应注意的事项14第六章 300A交直流磁平衡式霍尔电流传感器166.1 300A交直流磁平衡式霍尔电流传感器的放大电路.166.2 300A交直流磁平衡式霍尔电流传感器的基本参数.18第
5、七章 霍尔电流传感器的发展趋势19电子科技大学成都学院课题设计报告第一章 引言 随着人类探知领域和空间的拓展，使得人们更依赖于获取外界信息的采集技术。敏感元件及传感器是人类探知自然界信息的触角，它可以将人们需要探知的各种非电量信息转化为电量信息，为人们认识和控制相应的对象提供条件和依据。如今，作为现代信息技术的三大支柱之一的传感器技术，已成为21世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高点。霍传感器种类及品种繁多，原理也各式各样，自1879年美国物理学家EdwinHerbertHall发现霍尔效应以来，以此为基础的霍尔传感器已发展成一个品种多样的磁传感器产品家族，被越来越多地应用于工业控制的各个
6、领域。而由此衍生的霍尔传感器产业也在近十几年逐渐发展壮大起来，日益生机勃勃。它的众多优点，得到了很多人的青睐。分流器和电流互感器是检测电流的常用器件。分流器用于直流检测，使用分流器存在的最大问题是输入与输出之问没有电隔离，此外，用分流器检测高频和大电流时，不可避免地带有电感性，既影响被测电流的波形，也不能真实传递非正弦波形。电流互感器只能用于交流检测在规定的工作频率下有较高的精确度，但是它能适应的频率范围很窄，尤其不能传递直流由于它是以铁芯线圈之间的互感为基础的。体积大工作时存在激磁电流，因此存在和分流器相同的缺点。随着电力电子技术的发展，用分流器和电流互感器作为检测电流的器件已不能满足中、高
7、频、高didt、宽频谱(包含直流分量)电流波彤的传递，霍尔电流传感器是目前弥补这一空缺的主要电流检测器件。第二章 霍尔电流传感器的发展背景第二章 霍尔电流传感器的发展背景霍尔效应的应用经过了漫长的时间，从它被发现开始，经历了三个阶段。 第一阶段是从霍尔效应的发现到20世纪40年代前期。最初，由于金属材料中的电子浓度很大，而霍尔效应十分微弱，所以没有引起人们的重视。这段时间也有人利用霍尔效应制成磁场传感器，但实用价值并不大，到了1910年，有人用金属铋制成元件，作为磁场传感器，但是由于当时未找到更合适的材料，研究处于停顿状态。 第二阶段是从20世纪40年代中期半导体技术出现后，随着半导体材料制造
8、工艺和技术的应用，出现了各种半导体霍尔元件，特别是锗的采用推动了霍尔元件的发展，相继出现了采用分立霍尔元件制造的各种磁场传感器应用十分广泛。 第三阶段是自20世纪60年代开始，随着集成电路技术的发展，出现了将霍尔半导体元件和相关的信号调节电路集成在一起的霍尔电流传感器。进入20世纪80年代，随着大规模超大规模集成电路和微机械加工技术的进展，霍尔元件从平面向三维方向发展，出现了三端口或四端口固态霍尔传感器，实现了产品的系列化，体积的微型化。此外，20世纪70年代末，美国科学家发现了量子霍尔效应并因此获得了1985年的诺贝尔物理学奖。最近，也出现了一些有关量子霍尔传感器的报告。 现在，霍尔电流传感
9、器因为它的众多优点，被广泛应用于各个领域，在各种需要电流检测的系统中，它已成为一个不可缺少的部分。电子科技大学成都学院课题设计报告第三章 霍尔效应和霍尔元件3.1霍尔效应美国物理学家霍尔(Hall,Edwin Herbert,1855-1938)于1879年在实验中发现，如果置于磁场中的载流体的电流方向与磁场方向垂直，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生一附加的横向电场，即在导体的垂直于磁场和电流方向的两个端面之间会出现电势差，这种现象被称为霍尔效应。这个电势差也被叫做霍尔电势差。霍尔效应从本质上讲运动的带电粒子在磁场中受洛仑兹力的作用，分别向材料横向两侧偏转和积聚，因而形成一个电场，称作是霍尔
10、电场，霍尔电场所产生的电场力和洛仑兹力相反，它阻碍载流子继续堆积，直到霍尔电场力和洛仑兹力相等，这时材料的两侧建立起一个稳定的电压，这就是霍尔电压。如图3-1所示的半导体试样，若在X方向通以电流Is在z方向上加以磁场B则在Y方向即试样AA电极两侧开始聚积异号电荷而产生相应的附加电场。电场指向取决于试样的导电类型。 AlC d e BIs V b EFB 图 3-1显然，该电场阻止载流子继续向侧面偏移。 当载流子受横向电场力eEH与洛仑兹力相等时，样品两侧电荷的积累就达到 （3-1-1）其中EH为霍尔电场，V是载流子在电流方向上的平均漂移速度。第三章 霍尔效应和霍尔元件设试样的宽为b，厚度为d载
11、流子浓度为n，则Isnevbd （3-1-2）由（3-1-1）、（3-1-2）两式可得：VHEHb （3-1-3） 比例系数称为霍尔系数，它是反映霍尔效应强弱的重要参数，只要测出VH以及知道IS B和d可用下列计算：霍尔系数：8 (3-1-4)载流子浓度： (3-1-5)迁移率： (3-1-6)电导率： (3-1-7)由VH的符号判断样品的导电类型：判断的方法是按图一所示的电流和磁场的方向，若测得的VH 的值是正值，样品属N型，否则，为P型。判断时一定要注意到电流、磁场和霍尔电压的值必同时为正时才成立。3.2霍尔元件霍尔元件就是应用霍尔效应的半导体，霍尔元件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及
12、其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用，它以霍尔效应为工作基础。霍尔元件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，可达到1MHZ，耐震动，不怕灰尘油污等的污染与腐蚀，霍尔线性器件的精度高，线性好。如图3-2,它是在片子上作四个电极，其中C1、C2间通以工作电流I ,C1、C2称为电流电极，C3、C4间取出霍尔电压V, C3、C4称为敏感电极，将各个电极焊上引线，并将片子用塑料封装起来，就形成了一个完整的霍尔元件，又称霍尔片。霍尔元件可用多种半导体材料制作，如Ge、Si、InSb、GaAs、InAs、InAsP以及多层半导体异质结构量子阱材料等等。电子科技大学成都学院课题设计报告 图3-2霍尔元件的主要特性下：1、霍尔系数（又称霍尔常数）RH 在磁场不太强时，霍尔电势差UH与激励电流I和磁感应强度B的乘积成正比，与霍尔片的厚度成反比，即UH =RH*I*B/，式中的RH称为霍尔系数，它表示霍尔效应的强弱。 另RH=*即霍尔常数等于霍尔片材料的电阻率与电子迁移率的乘积。 2、霍尔灵敏度KH（
